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无线互联 嵌入式系统设计的新挑战

信息来源:gkong.biz  时间:2009-07-21  浏览次数:90

  无线互联 嵌入式系统设计的新挑战
  作者:吴线 嵌入式无线高级工程师
  2009年2月15日
  关键词:嵌入式系统 WI-FI 蓝牙 ZIGBEE GPRS
  一、嵌入式系统应用市场广阔
  嵌入式系统已经广泛渗入到我们日常生活和工业控制领域,商业应用领域的的方方面面。在日常生活中,数码相机、手机、MP3、PDA、电视机,甚至电饭锅、手表,玩具等里都有嵌入式系统的身影;在工业自动化领域,各种工业自动化仪器仪表、航空航天,通讯、交通等领域也有越来越多的嵌入式系统。 一些新兴的领域,如汽车电子、医疗设备领域中也不断涌现新的嵌入式应用,如汽车导航、核磁共振仪、病人监护系统,车载娱乐平台、,健康照顾系统,无线传感器系统等。
  据估计,每年全球嵌入式系统带来的相关工业产值已超过数万亿美元。而且,嵌入式系统应用的市场正在以每年30%以上的的速度递增(根据IDC预测),虽然目前面临金融风暴的冲击,但是,新一轮汽车、信息电器、通讯、医疗、军事等行业的巨大的智能化和信息化装备需求将推动嵌入式应用市场以更快发展;嵌入式工业设备则将集成进更多的通信与联网等智能化功能,并将在汽车电子市场、机床电子市场、医疗电子市场、室内/外视频监控市场和电子标签(RFID)市场、仓储物流信息化市场,节能环保市场等方面得到更广泛的应用。
  在嵌入式系统应用市场高速成长的中,嵌入式应用系统对无线互联技术有了越来越多的需求,各种无线通讯技术也在以越来越快的速度,融入嵌入式系统设计中。
  举例而言,在消费电子产品中,数码相机,数码相框,MP3,PDA,打印机,高清晰电视等等嵌入式产品,已经开始广泛采用各种无线通讯技术,实现无线互联;在工业控制中,大量的嵌入式控制设备,也开始实现无线互联,实现M2M通讯;在新一代汽车电子娱乐系统的嵌入式应用中,也采用无线技术来实现各种音频视频数据流的无线高速传输。
  虽然,大量新一代的无线通讯技术和无线通讯标准,为嵌入式设备实现无线互联,提供了方便的途径,但是,如何选择合适的无线通讯技术,如何在嵌入式系统设计中,高效率的掌握和使用这些新的技术和设计方法,也就成了嵌入式系统设计人员所关注的一个热点。
  二、如何将无线通讯技术融入嵌入式系统设计?
  图一是目前在嵌入式应用系统设计中,主流的的几种无线通讯技术:WI-FI ,蓝牙,ZIGBEE, GPRS、GSM, 3G 等,通讯速率,通讯距离和功耗之间的关系。
  图一 无线通讯技术速率和功耗
  从图一我们可以看出,RFID技术(ISO15693,ISO14443, ISO-18000 等标准),适合极近距离通讯,具有非常低的功耗;ZIGBEE无线网络技术(IEEE802.15.4)适合数0.25MBIT/S的通讯速度,也具有很低的功耗;蓝牙(BLUETOOTH)技术(IEEE802.15.1),目前2.1版本的规范,可以达到2MBIT/S的通讯速率。属于低功耗通讯,WI-FI技术,从IEEE802.11B (11MBIT/S)到IEEE802.11G(54MBIT/S)到目前IEEE802.11N,可以实现大于100M BIT/S通讯速率;GSM和GPRS数据通讯速率不高,但是网络广泛,通讯距离远,随着3G网络的发展,也有发非常广阔的应用空间。
  将无线技术使用到嵌入式系统设计的关键有:
  2.1根据系统应用特点,考虑好功耗要求
  举例而言,对于消费电子产品,如果采用普通碱性电池供电或者纽扣电池供电,需要非常低的功耗,选择ZIGBEE和其它非标准通讯技术,可能比较合适,如遥控器等,如果需要进行语音应用,而且采用可充电电池,蓝牙技术也可能是很好选择,数码相框等,WI-FI技术,可能是很好的选择。
  2.2根据系统工作环境和网络覆盖,选择相关技术
  目前GPRS和GMS已经有非常广泛的网络覆盖,对于很多M2M的应用,如无线抄表,远程遥控,采用GPRS是不错的选择,许多城市目前在广泛安装WI-FI和3G网络,采用低成本的无线模块,可以加快嵌入式应用无线系统的开发。
  2.3系统成本和开发时间的考虑
  对于嵌入式系统而言,可靠性和系统成本是非常重要的考虑,而如何快 速完成系统软件硬件开发设计,也是非常重要的;无线和无线网络技术,涉及到高频设计(工作频率在400M-5GHZ),而且具有比较复杂的网络通讯协议和一系列网络通讯算法,如何能克服这些设计障碍。快速切入核心设计,也是非常重要的问题。
  目前在嵌入系统设计中,增加无线互联技术,比较常用的办法有两种,一是在使用比较高级的的操作系统,例如WIN CE或者嵌入式Linux下,添加无线网络模块,这个方法的好处是在于这些操作系统已经包括了比较丰富的底层驱动,使无线系统设计比较简单;但是,运行这些系统,需要比较高级的微处理器和大量内存,实现微功耗和低成本比较困难,也很难做成非常低成本的系统。
  另外一种办法是采用高性能低价格的无线模块,配合低成本的廉价8-32位微控制器(单片机),这样的系统,只需要UCOS-II这样的小型化实时操作系统,也甚至可以不需要操作系统,这样的嵌入系统设计灵活,开发简单,不需要大量存储器和系统资源,无需深入了解无线技术,可以快速,容易设计出微功耗,低成本的嵌入式系统。
  三、将无线技术融入嵌入式设计的“桥”和“船”
  当我们具体的要将使用无线互联技术使用到我们的嵌入式应用系统设计时,我们往往感到面临太多的具体技术困难,难于下手:
  首先是对各种无线技术和相关的无线标准,缺乏了解,虽然有各种集成了无线技术无线模块,但是如何使用?如何测试?如何应用软件编程来进行控制?
  其次,对于系统设计而言,需要将这些无线控制,数据通讯,和自己的微控制器软件和硬件进行整合,在自己的嵌入式应用系统中加入必要的代码等,这些工作,如何开始?如何快速完成?
  还有就是,如果这些模块内置的的控制命令和无线通讯协议栈,不适合自己的嵌入系统的要求,需要对模块内部的无线通讯协议(也称基带软件)进行修改时,嵌入式设计工程师们如何能够自己进行?
  对于上述这些问题,其实解决的办法就是需要相应的硬件开发平台和软件开发平台(SDK), 也需要相应的看得见,摸得着的参考设计,软件源代码和编译,在线调试工具;
  由于无线通讯核心软件,包括软件协议栈等,长期以来被视为无线通讯的核心技术,相关设计原理和软件源代码等很难获得,而且由于技术较新,长期以来,也很少有厂商愿意开发专门为嵌入式设计配套的无线开发工具和产品。
  但是,有需求就必然会有产品,最近,我们看到了一些这方面的新产品上市,下面,我们通过一些已经上市的典型的产品,来看看这类开发平台的主要技术特点:
  图二是深圳无线龙科技公司的ARMRF-WSN-E1.0
  虽然该平台是为无线传感器网络设计,但是我们认为已经具备了无线互联嵌入式产品开发平台的很多特徵,比较适合于在嵌入式产品开发设计中作为开发平台来使用。
  图二 典型的无线互联嵌入式开发平台
  从图二我们看到,ARMRF-WSN-E1.0平台台本身就是一个典型的具有无线互联功能的嵌入式应用系统,目前四个标准配置的无线模块,包括ZIGBEE (CC2430/CC2431/CC2480可选择)802.15.4 兼容模块/ 微功耗WI-FI(GS1010 )802.11/B/G兼容模块/ 蓝牙 (蓝牙SOC) 802.15.1 兼容模块/GSM/GPRS (高集成低功耗) 模块(由于模块使用20脚插座,所以非常容易更换其它无线模块)。
  该平台采用ST公司新的STR912 ARM9内核的低价格单片微控制器和彩色触摸屏,并配备了温度,压力,加速度等多种传感器和步进,直流电机都多种控制单元、以太网,高速串口等多种接口。
  采用这套平台,嵌入式设计工程师可以方便快速的熟悉评估各种无线通讯标准和技术,并将这个平台作为一个标准硬件参考设计使用。
  同时,可以参考全部软件代码设计,该平台全部软件C语言源代码均开放供用户使用;
  另外,该平台使用目前国内嵌入式设计流行的KEIL MDK 软件开发环境和调试环境,参考代码使用UCOS-II 和UC GUI编程,配备在线仿真器,方便嵌入式工程师进行无线互联软件代码开发和将这些代码集成移植到自己的嵌入式应用系统中。
  同时,深圳无线龙科技公司还为该平台配备了ZIGBEE、WI-FI模块软件开发扩展系统,提供全部核心源代码,方便用户进行无线模块内部核心无线协议栈软件进一步开发设计;
  综上所述, ARMRF-WSN-E1.0平台,已经明显具备了嵌入式系统进行无线互联产品开发需要的基本设计平台的特徵;相信类似的开发平台会不断涌现,让嵌入式设计使用无线互联技术更加方便容易。
  结束语
  嵌入式技术正飞速发展,迅速向各种行业的深入渗透,有着巨大的市场空间,如果嵌入式技术和无线互联,无线传感器网络等新兴技术融合,将使嵌入式技术和嵌入式系统设计如虎添翼,开拓更为广阔的市场商机;

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