面向Wi-Fi客戶機的低端微控制器

Wi-Fi這種可以讓各類裝置與互聯(lián)網(wǎng)、WLAN相連的無線網(wǎng)絡(luò)連接技術(shù)，在過去幾年中作為一種互聯(lián)網(wǎng)接入技術(shù)已經(jīng)變得越來越重要。Wi-Fi現(xiàn)在可以讓移動工作者和旅行者在任何能找到接入點的地方都能夠連接到這一全球性的網(wǎng)絡(luò)上。

Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)利用了由IEEE802.11a、b、g所定義的無線技術(shù)，以提供快速、可靠的無線網(wǎng)絡(luò)連接。它是一種小型化、緊湊的移動客戶機裝置，也是一種工業(yè)、辦公室和家庭無線自動化技術(shù)，這種技術(shù)可以廣泛使用具有Wi－Fi能力的8位微控制器來作為一種節(jié)約成本和降低功耗的替代方案。

 WLAN可以按端到端(專設(shè)模式)或者客戶機/服務(wù)器(基礎(chǔ)架構(gòu)或者BSS模式)的配置形式建立。本文將討論客戶機/服務(wù)器型的WLAN實現(xiàn)。

客戶機/服務(wù)器基礎(chǔ)架構(gòu)

客戶機/服務(wù)器 WLAN架構(gòu)由兩端組成：一個接入點和一個客戶站(client station)(見圖1)。接下來的討論將對每一端及相應(yīng)的技術(shù)作出定義。

圖1  客戶機/服務(wù)器 WLAN架構(gòu) 

接入點(AP)—無線接入點(AP)可以擔當無線客戶機和WLAN或者互聯(lián)網(wǎng)之間的橋梁的角色。AP需要功能強大的硬件，以便完成處理和分發(fā)。AP必須完成一個無線接口到另一個無線接口的橋接，或在一個包含多個站、AP和集成的LAN的ESS中橋接到一個有線的接口。它還必須與附近其他的AP進行通信，對信道交換進行管理，以避免AP間的干擾。 

AP所需要的能力只有一個32位的高速處理器才能提供。但是，低端的、8位的微處理器在Wi-Fi模式的客戶站部分也可以發(fā)揮重要的作用。

客戶站—客戶站裝置的類型從小的手持式一直到膝上機、PC和帶有Wi－Fi能力的車輛?？蛻粽臼荳LAN數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的末端，因此也無需橋接。類似的，它也無需為信道交換或者其他通信管理功能而操心。

因為Wi－Fi網(wǎng)絡(luò)的客戶站部分具有內(nèi)在的簡單性，因此它是8位技術(shù)的一種理想應(yīng)用對象?；诔墒旌土畠r的8位處理器，如Z80，是一種巧妙的解決方案。此類的處理器建立在經(jīng)過增強的Z80內(nèi)核之上，可以高達50MHz的速度運行。這些處理器可以讓小的客戶站應(yīng)用具備嵌入式的、訪問互聯(lián)網(wǎng)的能力，同時維持性能和吞吐量方面的目標，在這些小的客戶站應(yīng)用中，低功耗、成本經(jīng)濟性和設(shè)計的簡單與緊湊性，都是關(guān)鍵要素。緊湊的客戶站可以在車載導(dǎo)航系統(tǒng)、便攜式娛樂裝置、工業(yè)、辦公和家庭自動化控制器以及消費類產(chǎn)品等應(yīng)用中找到自己的歸宿?；?位處理器的設(shè)計能滿足通信處理的需求的話，則此類應(yīng)用是理想的目標。

如今的8位微處理器和處理機具有價格低廉的優(yōu)勢，但它們的功能也足以完成復(fù)雜的任務(wù)。這些裝置目前被用于、而且一段時間以來一直就被用于數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸和通信應(yīng)用，它們服務(wù)于那些需要具備無線連接能力的應(yīng)用也有一段時間了。

無線自動化

考慮一個完全自動化的建筑，在這幢建筑中，空調(diào)、煙霧報警器、安全警報和其他高級系統(tǒng)的部署都依賴微控制器來完成。在一個典型的應(yīng)用中，管理員或者工程師可以在一個Wi-Fi無線所覆蓋的區(qū)域或者熱點上利用具備Wi-Fi能力的膝上機來對各種設(shè)置進行控制與監(jiān)測。有待控制和監(jiān)管的裝置都通過掛在一個I2C的總線上的或者連接到GPIO上的不同的接口來連接到微控制器上。

這樣的一個系統(tǒng)可以是單線程或者多線程的應(yīng)用，具體則取決于項目要求和系統(tǒng)的復(fù)雜性。有些最起碼的硬件要求包括：

一個帶8位微控制器的定制的板卡，必須具有串行和GPIO接口以及定時器(要求最少有64~128k的片上閃存，正如EZ80Acclaim系列控制器那樣，以便燒入圖像)

一個板上的Wi-Fi芯片組或者一個與WLAN板卡對接的PCMCIA接口。

其他功能特色，如I2C/SPI總線支持，則取決于具體的要求。

軟件方面的要求包括：
 
一個瘦型TCP/IP軟件套裝；
 
一個無線接口驅(qū)動；

控制具體裝置的驅(qū)動；

一個在套裝之上運行的應(yīng)用，對于某些應(yīng)用來說，最好是一個HTTP服務(wù)器；
 
基于實時操作系統(tǒng)的技術(shù)，以便支持多任務(wù)操作。

圖2示出了帶有微控制器的空調(diào)機的各種部件。該空調(diào)機的溫度傳感器和控制器通過GPIO與微控制器相接口。其驅(qū)動可以通過這些GPIO端口讀取數(shù)字溫度傳感器的信息或者將信息寫入傳感器，用戶可以通過一個HTTP服務(wù)器調(diào)用該驅(qū)動，完成溫度信息的獲取和設(shè)定。

圖2  帶微控制器的空調(diào)機結(jié)構(gòu) 

一般情況下，建筑物的經(jīng)理或者工程師如果希望監(jiān)測建筑物的溫度或者改變建筑物的任何一部分的溫度的話，就會打開他們的膝上計算機，啟動一個HTTP瀏覽器程序，然后連接到一個特定的控制服務(wù)器上，以便獲取和設(shè)定信息。這個HTTP瀏覽器程序可以是一種定制化的客戶機，具體則取決于設(shè)計、復(fù)雜性和其他要求。

一個請求通過AP發(fā)到服務(wù)器。而服務(wù)器檢測出需要查詢當前溫度的請求后，會調(diào)用相應(yīng)的程序來從裝置讀取溫度，準備好一個Web頁，將溫度信息放在網(wǎng)頁上，并將其通過Wi-Fi接口送回客戶機。

位于控制器之上的HTTP服務(wù)器必須能夠提供靜態(tài)和動態(tài)生成的Web網(wǎng)頁(以便顯示出受控的器件的最新的狀態(tài))。靜態(tài)的網(wǎng)頁保存在ROM或者閃存中，同時常結(jié)構(gòu)(Constant-Strucfured)的緩沖器保存著文件名、大小和對應(yīng)的緩沖區(qū)。無需通過文件系統(tǒng)來管理這些文件。

如果配置并不能在Web頁中使用很大的jpg和gif文件，而且如果使用瘦的協(xié)議軟件套裝的話，整個圖像的空間占用可以被限制為小于64kb。微控制器的片上的閃存或者ROM可以燒入大到128kb的文件。

類似的概念也可以應(yīng)用到家庭自動化方面：從住宅內(nèi)或者任何Wi-Fi熱點以無線的方式控制具備Wi-Fi能力的冰箱、微波爐、洗衣機、電子門鎖系統(tǒng)或者任意數(shù)量的Wi-Fi使能的裝置。

具有Wi-Fi能力的車輛

圖2所示的結(jié)構(gòu)設(shè)計只需經(jīng)過一兩下改動就可以在多個位置上應(yīng)用，具體則取決于待控制的裝置以及應(yīng)用場合。例如，一個用于車輛導(dǎo)航的類似系統(tǒng)將需要一些I/O裝置，如觸摸屏圖形LCD顯示器和一個讀寫的驅(qū)動。這有助于建立協(xié)議應(yīng)用的客戶機部分，例如一個定制化的瀏覽器和遠程登錄客戶機。

借助車上系統(tǒng)實現(xiàn)的車輛相互之間的通信能力，對8位微控制器來說是一個絕好的客戶站應(yīng)用分區(qū)。具有Wi-Fi能力的微控制器可以用于保安和遠程報警。如果汽車的煙霧探測器和保安系統(tǒng)連接到微控制器，則當發(fā)生任何問題時，具有Wi-Fi能力的轎車可以發(fā)送一個email消息來吸引車主的及時注意。

配備有如此簡單的系統(tǒng)的車輛也可以互相感知到對方，能夠激活接近報警系統(tǒng)來提醒駕駛員，從而改善道路行駛的安全性。

相同的車上系統(tǒng)也可以被用來獲取稠密的城區(qū)和郊區(qū)通勤走廊上最新的交通信息，幫助駕駛員選擇備用路線，并減輕交通擁堵(智能交通系統(tǒng))。

消費市場上的Wi-Fi

使用Wi－Fi家用網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)的無線家庭自動化是8位控制器的另一種理想的應(yīng)用。例如，微波爐、冰箱和洗衣機可以從住宅內(nèi)部以及熱點處進行無線控制。

隨著商人們尋找吸引客戶的新方法，具有Wi-Fi能力的個人電子產(chǎn)品的消費類市場上的應(yīng)用正在擴展。舉例來說，一個Wi-Fi使能的個人電子裝置可以用在消費類電子商店內(nèi)，替換那些用在客戶希望購買的物品上的代貨標簽(pull ticket)。只需使用一個簡單的裝置，顧客就可以訂購所需要的一個物品，通過一個無線支付系統(tǒng)為其付款，然后繼續(xù)購物，同時所購買的物品實時從庫存中被提取出來。無線電子支付系統(tǒng)為8位客戶站提供了機會。恰當?shù)腤i－Fi和電子數(shù)據(jù)交換技術(shù)就位之后，移動的Wi－Fi客戶站就可以起到無線借記卡或者信用卡的作用，用于電子通行費征收、免下車(drive-through)窗口支付，以及加油站的交易管理，這里列舉的還僅僅是其中的一些罷了。

富有創(chuàng)造力的設(shè)計工程師們的頭腦里也已經(jīng)開始浮現(xiàn)消費類娛樂市場上的種種可能性。例如，不妨想象一下，為便攜式MP3播放器配備用廉價的8位處理器構(gòu)成的Wi-Fi收發(fā)機。添加這種能力來處理無現(xiàn)金交易的話，則消費者可以走入任何零售音樂市場中，選中音樂，將其下載并以一次簡單方便的過程來付款。如此的無縫交易格外具有吸引力，因為利用8位元件提供如此的連接能力所需的開銷很低。

對旅行者來說，低成本的、8位的處理器可以被用來生成一個小的Wi-Fi使能的數(shù)字日記本，它可以從一個具有Wi-Fi能力的售貨機上下載道路地圖和交通信息等信息。此類裝置甚至可以旅行組織所采用，如美國的AAA，使得它們?yōu)樽约旱某蓡T提供增值服務(wù)。

結(jié)語

Wi-Fi正在迅速成長為一項成熟技術(shù)。隨著它達到成熟階段，而且隨著標準和系統(tǒng)的穩(wěn)定，Wi-Fi客戶站對于用經(jīng)過驗證而且低價的8位處理器來建構(gòu)的緊湊裝置的吸引力正越來越強。8位處理器的成本經(jīng)濟性和低功耗特性為中、小規(guī)模的制造商創(chuàng)造了更易進入的市場切入點，這最終將為Wi-Fi消費者帶來更大的多樣性和更豐富的選項。