無線互聯(lián) 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的新挑戰(zhàn)
加入技術(shù)交流群
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、手機、mp3、pda、電視機，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)自動化領(lǐng)域，各種工業(yè)自動化儀器儀表、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)護系統(tǒng)，車載娛樂平臺、，健康照顧系統(tǒng)，無線傳感器系統(tǒng)等。
據(jù)估計，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)用的市場正在以每年30%以上的的速度遞增(根據(jù)idc預(yù)測)，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嵌入式應(yīng)用市場以更快發(fā)展；嵌入式工業(yè)設(shè)備則將集成進更多的通信與聯(lián)網(wǎng)等智能化功能，并將在汽車電子市場、機床電子市場、醫(yī)療電子市場、室內(nèi)/外視頻監(jiān)控市場和電子標簽（rfid）市場、倉儲物流信息化市場，節(jié)能環(huán)保市場等方面得到更廣泛的應(yīng)用。
在嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用市場高速成長的中，嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)對無線互聯(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)計中。
舉例而言，在消費電子產(chǎn)品中，數(shù)碼相機，數(shù)碼相框，mp3,pda，打印機，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，也開始實現(xiàn)無線互聯(lián)，實現(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)和無線通訊標準，為嵌入式設(shè)備實現(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)計中，高效率的掌握和使用這些新的技術(shù)和設(shè)計方法，也就成了嵌入式系統(tǒng)設(shè)計人員所關(guān)注的一個熱點。
二、如何將無線通訊技術(shù)融入嵌入式系統(tǒng)設(shè)計？
圖一是目前在嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計中，主流的的幾種無線通訊技術(shù)：wi-fi ，藍牙，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 等標準），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；藍牙(bluetooth)技術(shù)（ieee802.15.1）,目前2.1版本的規(guī)范，可以達到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，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，考慮好功耗要求
舉例而言，對于消費電子產(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和其它非標準通訊技術(shù)，可能比較合適，如遙控器等，如果需要進行語音應(yīng)用，而且采用可充電電池，藍牙技術(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，對于很多m2m的應(yīng)用，如無線抄表，遠程遙控，采用gprs是不錯的選擇，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)時間的考慮
對于嵌入式系統(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，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（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)計障礙?？焖偾腥牒诵脑O(shè)計，也是非常重要的問題。
目前在嵌入系統(tǒng)設(shè)計中，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，使無線系統(tǒng)設(shè)計比較簡單；但是，運行這些系統(tǒng)，需要比較高級的微處理器和大量內(nèi)存，實現(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格的無線模塊，配合低成本的廉價8－32位微控制器（單片機），這樣的系統(tǒng)，只需要ucos-ii這樣的小型化實時操作系統(tǒng)，也甚至可以不需要操作系統(tǒng)，這樣的嵌入系統(tǒng)設(shè)計靈活，開發(fā)簡單，不需要大量存儲器和系統(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)計時，我們往往感到面臨太多的具體技術(shù)困難，難于下手：
首先是對各種無線技術(shù)和相關(guān)的無線標準，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？如何測試？如何應(yīng)用軟件編程來進行控制？
其次，對于系統(tǒng)設(shè)計而言，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，需要對模塊內(nèi)部的無線通訊協(xié)議（也稱基帶軟件）進行修改時，嵌入式設(shè)計工程師們?nèi)绾文軌蜃约哼M行？
對于上述這些問題，其實解決的辦法就是需要相應(yīng)的硬件開發(fā)平臺和軟件開發(fā)平臺（sdk）, 也需要相應(yīng)的看得見，摸得著的參考設(shè)計，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，長期以來被視為無線通訊的核心技術(shù)，相關(guān)設(shè)計原理和軟件源代碼等很難獲得，而且由于技術(shù)較新，長期以來，也很少有廠商愿意開發(fā)專門為嵌入式設(shè)計配套的無線開發(fā)工具和產(chǎn)品。
但是，有需求就必然會有產(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)平臺的主要技術(shù)特點：
雖然該平臺是為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，但是我們認為已經(jīng)具備了無線互聯(lián)嵌入式產(chǎn)品開發(fā)平臺的很多特徵，比較適合于在嵌入式產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計中作為開發(fā)平臺來使用。
從圖二我們看到，armrf-wsn-e1.0平臺臺本身就是一個典型的具有無線互聯(lián)功能的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)，目前四個標準配置的無線模塊，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/ 藍牙 （藍牙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）。
該平臺采用st公司新的str912 arm9內(nèi)核的低價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，直流電機都多種控制單元、以太網(wǎng)，高速串口等多種接口。
采用這套平臺，嵌入式設(shè)計工程師可以方便快速的熟悉評估各種無線通訊標準和技術(shù)，并將這個平臺作為一個標準硬件參考設(shè)計使用。
同時，可以參考全部軟件代碼設(shè)計，該平臺全部軟件c語言源代碼均開放供用戶使用；
另外，該平臺使用目前國內(nèi)嵌入式設(shè)計流行的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，深圳無線龍科技公司還為該平臺配備了zigbee、wi-fi模塊軟件開發(fā)擴展系統(tǒng)，提供全部核心源代碼，方便用戶進行無線模塊內(nèi)部核心無線協(xié)議棧軟件進一步開發(fā)設(shè)計；
綜上所述， armrf-wsn-e1.0平臺，已經(jīng)明顯具備了嵌入式系統(tǒng)進行無線互聯(lián)產(chǎn)品開發(fā)需要的基本設(shè)計平臺的特徵；相信類似的開發(fā)平臺會不斷涌現(xiàn)，讓嵌入式設(shè)計使用無線互聯(lián)技術(shù)更加方便容易。
評論