無線互聯(lián) 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的新挑戰(zhàn)
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嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)廣泛滲入到我們?nèi)粘Ｉ詈凸I(yè)控制領(lǐng)域，商業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的的方方面面。在日常生活中，數(shù)碼相機(jī)、手機(jī)、mp3、pda、電視機(jī)，甚至電飯鍋、手表，玩具等里都有嵌入式系統(tǒng)的身影；在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，各種工業(yè)自動(dòng)化儀器儀表、航空航天，通訊、交通等領(lǐng)域也有越來越多的嵌入式系統(tǒng)。 一些新興的領(lǐng)域，如汽車電子、醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域中也不斷涌現(xiàn)新的嵌入式應(yīng)用，如汽車導(dǎo)航、核磁共振儀、病人監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，車載娛樂平臺(tái)、，健康照顧系統(tǒng)，無線傳感器系統(tǒng)等。
據(jù)估計(jì)，每年全球嵌入式系統(tǒng)帶來的相關(guān)工業(yè)產(chǎn)值已超過數(shù)萬億美元。而且，嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的市場(chǎng)正在以每年30%以上的的速度遞增(根據(jù)idc預(yù)測(cè))，雖然目前面臨金融風(fēng)暴的沖擊，但是，新一輪汽車、信息電器、通訊、醫(yī)療、軍事等行業(yè)的巨大的智能化和信息化裝備需求將推動(dòng)嵌入式應(yīng)用市場(chǎng)以更快發(fā)展；嵌入式工業(yè)設(shè)備則將集成進(jìn)更多的通信與聯(lián)網(wǎng)等智能化功能，并將在汽車電子市場(chǎng)、機(jī)床電子市場(chǎng)、醫(yī)療電子市場(chǎng)、室內(nèi)/外視頻監(jiān)控市場(chǎng)和電子標(biāo)簽（rfid）市場(chǎng)、倉儲(chǔ)物流信息化市場(chǎng)，節(jié)能環(huán)保市場(chǎng)等方面得到更廣泛的應(yīng)用。
在嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用市場(chǎng)高速成長(zhǎng)的中，嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)無線互聯(lián)技術(shù)有了越來越多的需求，各種無線通訊技術(shù)也在以越來越快的速度，融入嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。
舉例而言，在消費(fèi)電子產(chǎn)品中，數(shù)碼相機(jī)，數(shù)碼相框，mp3,pda，打印機(jī)，高清晰電視等等嵌入式產(chǎn)品，已經(jīng)開始廣泛采用各種無線通訊技術(shù)，實(shí)現(xiàn)無線互聯(lián)；在工業(yè)控制中，大量的嵌入式控制設(shè)備，也開始實(shí)現(xiàn)無線互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)m2m通訊；在新一代汽車電子娛樂系統(tǒng)的嵌入式應(yīng)用中，也采用無線技術(shù)來實(shí)現(xiàn)各種音頻視頻數(shù)據(jù)流的無線高速傳輸。
雖然，大量新一代的無線通訊技術(shù)和無線通訊標(biāo)準(zhǔn)，為嵌入式設(shè)備實(shí)現(xiàn)無線互聯(lián)，提供了方便的途徑，但是，如何選擇合適的無線通訊技術(shù)，如何在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，高效率的掌握和使用這些新的技術(shù)和設(shè)計(jì)方法，也就成了嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員所關(guān)注的一個(gè)熱點(diǎn)。
二、如何將無線通訊技術(shù)融入嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)？
圖一是目前在嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，主流的的幾種無線通訊技術(shù)：wi-fi ，藍(lán)牙，zigbee， gprs、gsm, 3g 等，通訊速率，通訊距離和功耗之間的關(guān)系。
從圖一我們可以看出，rfid技術(shù)（iso15693,iso14443, iso-18000 等標(biāo)準(zhǔn)），適合極近距離通訊，具有非常低的功耗；zigbee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（ieee802.15.4）適合數(shù)0.25mbit/s的通訊速度，也具有很低的功耗；藍(lán)牙(bluetooth)技術(shù)（ieee802.15.1）,目前2.1版本的規(guī)范，可以達(dá)到2mbit/s的通訊速率。屬于低功耗通訊，wi－fi技術(shù)，從ieee802.11b (11mbit/s)到ieee802.11g（54mbit/s）到目前ieee802.11n,可以實(shí)現(xiàn)大于100m bit/s通訊速率；gsm和gprs數(shù)據(jù)通訊速率不高，但是網(wǎng)絡(luò)廣泛，通訊距離遠(yuǎn)，隨著3g網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，也有發(fā)非常廣闊的應(yīng)用空間。
2.1根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)用特點(diǎn)，考慮好功耗要求
舉例而言，對(duì)于消費(fèi)電子產(chǎn)品，如果采用普通堿性電池供電或者紐扣電池供電，需要非常低的功耗，選擇zigbee和其它非標(biāo)準(zhǔn)通訊技術(shù)，可能比較合適，如遙控器等，如果需要進(jìn)行語音應(yīng)用，而且采用可充電電池，藍(lán)牙技術(shù)也可能是很好選擇，數(shù)碼相框等，wi－fi技術(shù)，可能是很好的選擇。
2.2根據(jù)系統(tǒng)工作環(huán)境和網(wǎng)絡(luò)覆蓋，選擇相關(guān)技術(shù)
目前gprs和gms已經(jīng)有非常廣泛的網(wǎng)絡(luò)覆蓋，對(duì)于很多m2m的應(yīng)用，如無線抄表，遠(yuǎn)程遙控，采用gprs是不錯(cuò)的選擇，許多城市目前在廣泛安裝wi-fi和3g網(wǎng)絡(luò)，采用低成本的無線模塊，可以加快嵌入式應(yīng)用無線系統(tǒng)的開發(fā)。
2.3系統(tǒng)成本和開發(fā)時(shí)間的考慮
對(duì)于嵌入式系統(tǒng)而言，可靠性和系統(tǒng)成本是非常重要的考慮，而如何快 速完成系統(tǒng)軟件硬件開發(fā)設(shè)計(jì)，也是非常重要的；無線和無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，涉及到高頻設(shè)計(jì)（工作頻率在400m-5ghz）,而且具有比較復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議和一系列網(wǎng)絡(luò)通訊算法，如何能克服這些設(shè)計(jì)障礙。快速切入核心設(shè)計(jì)，也是非常重要的問題。
目前在嵌入系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，增加無線互聯(lián)技術(shù)，比較常用的辦法有兩種，一是在使用比較高級(jí)的的操作系統(tǒng)，例如win ce或者嵌入式linux下，添加無線網(wǎng)絡(luò)模塊，這個(gè)方法的好處是在于這些操作系統(tǒng)已經(jīng)包括了比較豐富的底層驅(qū)動(dòng)，使無線系統(tǒng)設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單；但是，運(yùn)行這些系統(tǒng)，需要比較高級(jí)的微處理器和大量?jī)?nèi)存，實(shí)現(xiàn)微功耗和低成本比較困難，也很難做成非常低成本的系統(tǒng)。
另外一種辦法是采用高性能低價(jià)格的無線模塊，配合低成本的廉價(jià)8－32位微控制器（單片機(jī)），這樣的系統(tǒng)，只需要ucos-ii這樣的小型化實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，也甚至可以不需要操作系統(tǒng)，這樣的嵌入系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈活，開發(fā)簡(jiǎn)單，不需要大量存儲(chǔ)器和系統(tǒng)資源，無需深入了解無線技術(shù)，可以快速，容易設(shè)計(jì)出微功耗，低成本的嵌入式系統(tǒng)。
三、將無線技術(shù)融入嵌入式設(shè)計(jì)的“橋”和“船”
當(dāng)我們具體的要將使用無線互聯(lián)技術(shù)使用到我們的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，我們往往感到面臨太多的具體技術(shù)困難，難于下手：
首先是對(duì)各種無線技術(shù)和相關(guān)的無線標(biāo)準(zhǔn)，缺乏了解，雖然有各種集成了無線技術(shù)無線模塊，但是如何使用？如何測(cè)試？如何應(yīng)用軟件編程來進(jìn)行控制？
其次，對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)而言，需要將這些無線控制，數(shù)據(jù)通訊，和自己的微控制器軟件和硬件進(jìn)行整合，在自己的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)中加入必要的代碼等，這些工作，如何開始？如何快速完成？
還有就是，如果這些模塊內(nèi)置的的控制命令和無線通訊協(xié)議棧，不適合自己的嵌入系統(tǒng)的要求，需要對(duì)模塊內(nèi)部的無線通訊協(xié)議（也稱基帶軟件）進(jìn)行修改時(shí)，嵌入式設(shè)計(jì)工程師們?nèi)绾文軌蜃约哼M(jìn)行？
對(duì)于上述這些問題，其實(shí)解決的辦法就是需要相應(yīng)的硬件開發(fā)平臺(tái)和軟件開發(fā)平臺(tái)（sdk）, 也需要相應(yīng)的看得見，摸得著的參考設(shè)計(jì)，軟件源代碼和編譯，在線調(diào)試工具；
由于無線通訊核心軟件，包括軟件協(xié)議棧等，長(zhǎng)期以來被視為無線通訊的核心技術(shù)，相關(guān)設(shè)計(jì)原理和軟件源代碼等很難獲得，而且由于技術(shù)較新，長(zhǎng)期以來，也很少有廠商愿意開發(fā)專門為嵌入式設(shè)計(jì)配套的無線開發(fā)工具和產(chǎn)品。
但是，有需求就必然會(huì)有產(chǎn)品，最近，我們看到了一些這方面的新產(chǎn)品上市，下面，我們通過一些已經(jīng)上市的典型的產(chǎn)品，來看看這類開發(fā)平臺(tái)的主要技術(shù)特點(diǎn)：
雖然該平臺(tái)是為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，但是我們認(rèn)為已經(jīng)具備了無線互聯(lián)嵌入式產(chǎn)品開發(fā)平臺(tái)的很多特徵，比較適合于在嵌入式產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)中作為開發(fā)平臺(tái)來使用。
從圖二我們看到，armrf-wsn-e1.0平臺(tái)臺(tái)本身就是一個(gè)典型的具有無線互聯(lián)功能的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)，目前四個(gè)標(biāo)準(zhǔn)配置的無線模塊，包括zigbee （cc2430/cc2431/cc2480可選擇）802.15.4 兼容模塊/ 微功耗wi-fi（gs1010 ）802.11/b/g兼容模塊/ 藍(lán)牙 （藍(lán)牙soc） 802.15.1 兼容模塊/gsm/gprs (高集成低功耗) 模塊（由于模塊使用20腳插座，所以非常容易更換其它無線模塊）。
該平臺(tái)采用st公司新的str912 arm9內(nèi)核的低價(jià)格單片微控制器和彩色觸摸屏，并配備了溫度，壓力，加速度等多種傳感器和步進(jìn)，直流電機(jī)都多種控制單元、以太網(wǎng)，高速串口等多種接口。
采用這套平臺(tái)，嵌入式設(shè)計(jì)工程師可以方便快速的熟悉評(píng)估各種無線通訊標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)，并將這個(gè)平臺(tái)作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)硬件參考設(shè)計(jì)使用。
同時(shí)，可以參考全部軟件代碼設(shè)計(jì)，該平臺(tái)全部軟件c語言源代碼均開放供用戶使用；
另外，該平臺(tái)使用目前國(guó)內(nèi)嵌入式設(shè)計(jì)流行的keil mdk 軟件開發(fā)環(huán)境和調(diào)試環(huán)境，參考代碼使用ucos-ii 和uc gui編程，配備在線仿真器，方便嵌入式工程師進(jìn)行無線互聯(lián)軟件代碼開發(fā)和將這些代碼集成移植到自己的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)中。
同時(shí)，深圳無線龍科技公司還為該平臺(tái)配備了zigbee、wi-fi模塊軟件開發(fā)擴(kuò)展系統(tǒng)，提供全部核心源代碼，方便用戶進(jìn)行無線模塊內(nèi)部核心無線協(xié)議棧軟件進(jìn)一步開發(fā)設(shè)計(jì)；
綜上所述， armrf-wsn-e1.0平臺(tái)，已經(jīng)明顯具備了嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行無線互聯(lián)產(chǎn)品開發(fā)需要的基本設(shè)計(jì)平臺(tái)的特徵；相信類似的開發(fā)平臺(tái)會(huì)不斷涌現(xiàn)，讓嵌入式設(shè)計(jì)使用無線互聯(lián)技術(shù)更加方便容易。
評(píng)論