1.2 嵌入式網絡通信技術

1.2.1 網絡通信技術發展概覽

網絡及通信技術的飛速發展，人們對無線通信的要求越來越高，近距無線技術正在成為關注的焦點。目前使用較廣泛的近距無線通信技術是藍牙（Bluetooth）、無線局域網802.11（Wi-Fi）和紅外數據傳輸（IrDA），還有一些具有發展潛力的近距無線技術標準：ZigBee、超寬頻（Ultra WideBand）、短距通信（NFC）、WiMedia、GPS、DECT、無線1394和專用無線系統等。它們都有其立足的特點，或基于傳輸速率、距離、耗電量的特殊要求；或著眼于功能的擴充性；或符合某些單一應用的特別要求；或建立競爭技術的差異化等。但是沒有一種技術可以完美到足以滿足所有的需求。

嵌入式網絡通常應用在環境比較惡劣的工業生產現場，因此，在以下幾個方面有其自身獨特的要求。

① 實時性：生產設備內部多個分布式子系統信息耦合通常比較緊密，對實時性要求很高，這就要求所用的網絡協議具有可確定的實時性能，即極壞情況下的響應時間是可確定的；另外在網絡節點數比較多，或者有些節點對實時響應要求特別高時，網絡協議還應支持優先級調度，以提高時間緊迫型任務的信息傳輸可確定性。

② 可靠性：嵌入式網絡本身的可靠性直接影響設備的有效作業率、成品率和生產效率，要求網絡能動態增加/刪除節點；生產現場比較惡劣的電磁環境要求嵌入式網絡本身具有很強的抗干擾能力、檢錯和糾錯能力以及快速恢復能力。

③ 通信效率：嵌入式網絡通信的特點之一是子系統之間通信非常頻繁，但每次通信的信息長度很短，因此要求嵌入式網絡協議盡量采用短幀結構，且幀頭和幀尾盡可能短，從而提高通信效率和帶寬的利用率。

④ 雙重混合支持：不同工作環境的巨大差異決定了嵌入式網絡應具有靈活的介質訪問協議，不但支持多種介質（雙絞線、同軸電纜、光纜），而且支持混合拓撲結構（星形、環形、總線型），有時甚至要求同一個嵌入式網絡能同時使用多種介質和多種網絡拓撲。如在噪聲環境中，系統中一部分連接需要使用光纜，其他部分則使用雙絞線或同軸電纜。同軸電纜適于采用總線型拓撲，而光纖則更適于環形或星形拓撲，這就要求網絡協議具有雙重混合支持。

⑤ 實現難度和造價：嵌入式系統通常需要針對實際需求進行專門設計與制造，這就要求其中的網絡系統軟件、硬件容易實現，并與子系統控制部分集成，有關元器件商品化程度高，造價較低。

⑥ 開放性：嵌入式網絡必須具有良好的開放性，一方面能通過企業Intranet連接到Internet上，實現企業生產管理的管控一體化；另一方面應具有公開透明的開發界面，資料完備，實現系統硬件、軟件的自主開發和集成。

此外，嵌入式網絡系統必須配置靈活、維護簡便。

1.2.2 嵌入式網絡通信技術概況

1.藍牙技術

藍牙（Bluetooth）技術出現于20世紀末，是廣受業界關注的近距無線連接技術。它是一種無線數據與語音通信的開放性全球規范，它以低成本的短距離無線連接為基礎，可為固定的或移動的終端設備提供廉價的接入服務。

藍牙技術是一種無線數據與語音通信的開放性全球規范，其實質內容是為固定設備或移動設備之間的通信環境建立通用的近距無線接口，將通信技術與計算機技術進一步結合起來，使各種設備在沒有電線或電纜相互連接的情況下，能在近距離范圍內實現相互通信或操作。其傳輸頻段為全球公眾通用的2.4GHz ISM頻段，提供1Mbps的傳輸速率和10m的傳輸距離。

藍牙技術誕生于1994年，Ericsson當時決定開發一種低功耗、低成本的無線接口，以建立手機及其附件間的通信。該技術還陸續獲得PC業界巨頭的支持。1998年，藍牙技術協議由Ericsson，IBM，Intel，NOKIA，Toshiba等5家公司達成一致。

藍牙協議的標準版本為802.15.1，由藍牙小組（SIG）負責開發。802.15.1的最初標準基于藍牙1.1實現，后者已構建到現行很多藍牙設備中。新版80.15.1a基本等同于藍牙1.2標準，具備一定的QoS特性，并完整保持后向兼容性。

但藍牙技術最大的障礙是過于昂貴。突出表現在芯片大小和價格難以下調、抗干擾能力不強、傳輸距離太短、信息安全問題等方面。這就使得許多用戶不愿意花大價錢來購買這種無線設備。因此，業內專家認為，藍牙的市場前景取決于藍牙價格和基于藍牙的應用是否能達到一定的規模。

2.Wi-Fi技術

Wi-Fi（Wireless Fidelity，無線高保真）也是一種無線通信協議，正式名稱是IEEE 802.11b，與藍牙一樣，同屬于短距離無線通信技術。Wi-Fi速率最高可達11Mbps。雖然在數據安全性方面比藍牙技術要差一些，但在電波的覆蓋范圍方面卻略勝一籌，可達100m左右。

Wi-Fi是以太網的一種無線擴展，理論上只要用戶位于一個接入點四周的一定區域內，就能以最高約11Mbps的速度接入Web。但實際上，如果有多個用戶同時通過一個點接入，帶寬被多個用戶分享，Wi-Fi的連接速度一般將只有幾百Kbps的信號不受墻壁阻隔，但在建筑物內的有效傳輸距離小于戶外。

WLAN未來最具潛力的應用將主要在SOHO、家庭無線網絡，以及不便安裝電纜的建筑物或場所。目前這一技術的用戶主要來自機場、酒店、商場等公共熱點場所。Wi-Fi技術可將Wi-Fi與基于XML或Java的Web服務融合起來，可以大幅度減少企業的成本。例如企業選擇在每一層樓或每一個部門配備802.11b的接入點，而不是采用電纜線把整幢建筑物連接起來。這樣一來，可以節省大量鋪設電纜所需花費的資金。

最初的IEEE 802.11規范是在1997年提出的，稱為802.11b，主要目的是提供WLAN接入，也是目前WLAN的主要技術標準。它的工作頻率也是2.4GHz，與無繩電話、藍牙等許多不需要頻率使用許可證的無線設備共享同一頻段。隨著Wi-Fi協議新版本，如802.11a和802.11g的先后推出，Wi-Fi的應用將越來越廣泛。速度更快的802.11g使用與802.11b相同的正交頻分多路復用調制技術。它工作在2.4GHz頻段，速率達54Mbps。根據最近國際消費電子產品的發展趨勢判斷，802.11g將有可能被大多數無線網絡產品制造商選擇作為產品標準。

微軟推出的桌面操作系統Windows XP和嵌入式操作系統Windows CE，都包含了對Wi-Fi的支持。其中，Windows CE同時還包含對Wi-Fi的競爭對手藍牙等其他無線通信技術的支持。由于投資802.11b的費用降低，許多廠商介入這一領域。Intel推出了集成WLAN技術的筆記本計算機芯片組，不用外接無線網卡，就可實現無線上網。

3.IrDA

紅外線數據協會IrDA（Infrared Data Association）成立于1993年。起初，采用IrDA標準的無線設備僅能在1m范圍內以115.2Kbps速率傳輸數據，很快發展到4Mbps以及16Mbps的速率。

IrDA是一種利用紅外線進行點對點通信的技術，是第一個實現無線個人局域網（PAN）的技術。目前它的軟硬件技術都很成熟，在小型移動設備，如PDA、手機上廣泛使用。事實上，當今每一個出廠的PDA及許多手機、筆記本計算機、打印機等產品都支持IrDA。

IrDA的主要優點是無須申請頻率的使用權，因此紅外通信成本低廉，并且還具有移動通信所需的體積小、功耗低、連接方便、簡單易用的特點。此外，紅外線發射角度較小，傳輸上安全性高。

IrDA的不足在于它是一種視距傳輸，兩個相互通信的設備之間必須對準，中間不能被其他物體阻隔，因此該技術只能用于兩臺（非多臺）設備之間的連接。而藍牙就沒有此限制，且不受墻壁的阻隔。IrDA目前的研究方向是如何解決視距傳輸問題及提高數據傳輸率。

4.NFC

NFC（Near Field Commnication，近距離無線傳輸）是由PHILIPS、Nokia和SONY主推的一種類似于RFID（非接觸式射頻識別）的短距離無線通信技術標準。和RFID不同，NFC采用了雙向的識別和連接，在20cm距離內工作于13.56MHz頻率范圍。

NFC最初僅是遙控識別和網絡技術的合并，但現在已發展成無線連接技術。它能快速自動地建立無線網絡，為蜂窩設備、藍牙設備、Wi-Fi設備提供一個“虛擬連接”，使電子設備可以在短距離范圍內進行通信。NFC的短距離交互大大簡化了整個認證識別過程，使電子設備間互相訪問更直接、更安全和更清楚，不用再聽到各種電子雜音。

NFC通過在單一設備上組合所有的身份識別應用和服務，幫助解決記憶多個密碼的麻煩，同時也保證了數據的安全。有了NFC，多個設備如數碼相機、PDA、機頂盒、計算機、手機等之間的無線互聯，彼此交換數據或服務都將有可能實現。

此外NFC還可以將其他類型無線通信（如Wi-Fi和藍牙）“加速”，實現更快和更遠距離的數據傳輸。每個電子設備都有自己的專用應用菜單，NFC可以創建快速安全的連接，而無須在眾多接口的菜單中進行選擇。與知名的藍牙等短距離無線通信標準不同的是，NFC的作用距離進一步縮短且不像藍牙那樣需要有對應的加密設備。

同樣，構建Wi-Fi家族無線網絡需要多臺具有無線網卡的計算機、打印機和其他設備。除此之外，還得有一定技術的專業人員才能勝任這一工作。而NFC被置入接入點之后，只要將其中兩個靠近就可以實現交流，比配置Wi-Fi連接容易得多。

NFC有三種應用類型：

① 設備連接。除了無線局域網，NFC也可以簡化藍牙連接。比如，便攜式計算機用戶如果想在機場上網，他只需要走近一個Wi-Fi熱點即可實現。

② 實時預定。比如，海報或展覽信息背后貼有特定芯片，利用含NFC協議的手機或PDA，便能取得詳細信息，或是立即聯機使用信用卡進行票券購買，而且，這些芯片無須獨立的能源。

③ 移動商務。飛利浦的Mifare技術支持世界上幾個大型交通系統及在銀行業為客戶提供Visa卡等服務。索尼的FeliCa非接觸智能卡技術產品在中國香港、深圳，以及新加坡、日本的市場占有率非常高，主要應用在交通及金融機構。

總而言之，這項新技術正在改寫無線網絡連接的游戲規則，但NFC的目標并非是完全取代藍牙、Wi-Fi等其他無線技術，而是在不同的場合、不同的領域起到相互補充的作用。所以如今后來居上的NFC發展態勢相當迅速。

5.ZigBee

ZigBee主要應用在短距離范圍之內并且數據傳輸速率不高的各種電子設備之間。ZigBee名字來源于蜂群使用的賴以生存和發展的通信方式，蜜蜂通過跳ZigZag形狀的舞蹈來分享新發現的食物源的位置、距離和方向等信息。

ZigBee聯盟成立于2001年8月。2002年下半年，Invensys、Mitsubishi、Motorola，以及PHILIPS半導體公司四大巨頭共同宣布加盟ZigBee聯盟，以研發名為ZigBee的下一代無線通信標準。到目前為止，該聯盟大約已有27家成員企業。所有這些公司都參加了負責開發ZigBee物理和媒體控制層技術標準的IEEE 802.15.4工作組。

ZigBee聯盟負責制定網絡層以上協議。目前，標準制定工作已完成。ZigBee協議比藍牙、高速率個人區域網或802.11x無線局域網更簡單實用。

ZigBee可以說是藍牙的同族兄弟，它使用2.4GHz波段，采用跳頻技術。與藍牙相比，ZigBee更簡單、速率更慢、功率及費用也更低。它的基本速率是250Kbps，當降低到28Kbps時，傳輸范圍可擴大到134m，并獲得更高的可靠性。另外，它可與254個節點聯網。可以比藍牙更好地支持游戲、消費電子、儀器和家庭自動化應用。人們期望能在工業監控、傳感器網絡、家庭監控、安全系統和玩具等領域拓展ZigBee的應用。

ZigBee技術特點主要包括以下幾部分。

① 數據傳輸速率低。只有10～250Kbps，專注于低傳輸應用。

② 功耗低。在低耗電待機模式下，兩節普通5號干電池可使用6個月以上。這也是ZigBee的支持者所一直引以為豪的獨特優勢。

③ 成本低。因為ZigBee數據傳輸速率低，協議簡單，所以大大降低了成本；積極投入ZigBee開發的Motorola以及PHILIPS，均已在2003年正式推出芯片，飛利浦預估，應用于主機端的芯片成本和其他終端產品的成本比藍牙更具價格競爭力。

④ 網絡容量大。每個ZigBee網絡最多可支持255個設備，也就是說每個ZigBee設備可以與另外254臺設備相連接。

⑤ 有效范圍小。有效覆蓋范圍為10～75m，具體依據實際發射功率的大小和各種不同的應用模式而定，基本上能夠覆蓋普通的家庭或辦公室環境。

⑥ 工作頻段靈活。使用的頻段分別為2.4GHz、868MHz（歐洲）及915MHz（美國），均為免執照頻段。

根據ZigBee聯盟目前的設想，ZigBee的目標市場主要有PC外設（鼠標、鍵盤、游戲操控桿）、消費類電子設備（TV、VCR、CD、VCD、DVD等設備上的遙控裝置）、家庭內智能控制（照明、煤氣計量控制及報警等）、玩具（電子寵物）、醫護（監視器和傳感器）、工控（監視器、傳感器和自動控制設備）等非常廣闊的領域。

6.UWB

UWB（Ultra Wide Band，超寬帶技術）是一種無線載波通信技術，不采用正弦載波，而是利用納秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數據，因此其所占的頻譜范圍很寬。

UWB可在非常寬的帶寬上傳輸信號，美國FCC對UWB的規定為：在3.1～10.6GHz頻段中占用500MHz以上的帶寬。由于UWB可以利用低功耗、低復雜度發射/接收機實現高速數據傳輸，所以近年來得到了迅速發展。它在非常寬的頻譜范圍內采用低功率脈沖傳送數據而不會對常規窄帶無線通信系統造成大的干擾，并可充分利用頻譜資源。基于UWB技術而構建的高速率數據收發機有著廣泛的用途。

UWB技術具有系統復雜度低，發射信號功率譜密度低，對信道衰落不敏感，低截獲能力，定位精度高等優點，尤其適用于室內密集度大等場所的高速無線接入，非常適于建立一個高效的無線局域網或無線個域網（WPAN）。

UWB主要應用在小范圍、高分辨率，能夠穿透墻壁、地面和身體的雷達和圖像系統中。除此之外，這種新技術適用于對速率要求非常高（大于100Mbps）的LAN或PAN。

UWB最具特色的應用將是視頻消費娛樂方面的無線個人局域網（PANs）現有的無線通信方式，802.11b和藍牙的速率太慢，不適合傳輸視頻數據；54Mbps速率的802.11a標準可以處理視頻數據，但費用昂貴。而UWB有可能在10m范圍內，支持高達110Mbps的數據傳輸率，不需要壓縮數據，可以快速、簡單、經濟地完成視頻數據處理。

具有一定相容性和高速、低成本、低功耗的優點使得UWB較適合家庭無線消費市場的需求，尢其是UWB適合近距離內高速傳送大量多媒體數據以及可以穿透障礙物的突出優點，讓很多商業公司將其看做是一種很有前途的無線通信技術，應用于諸如將視頻信號從機頂盒無線傳送到數字電視等家庭場合。當然，UWB未來的前途還要取決于各種無線方案的技術發展、成本、用戶使用習慣和市場成熟度等多方面的因素。

1.2.3 嵌入式網絡通信實現過程

目前，大多數儀器設備采用的控制器多為8位至16位單片機，其運算的速度和可利用的資源非常有限。考慮到目前現狀及對前面提到的幾種方案優缺點進行比較，采用了上位機作為服務器的方式把智能終端的控制信息接入網絡的方案，系統的整體框架如圖1-1所示。

系統的底層由多個智能終端構成，每個智能終端的開發是單片機應用系統，系統通過傳感器把測量得到的數據傳送到單片機進行處理。考慮到減輕單片機的運算載荷，把主要的邏輯運算分配給上位機來完成，智能終端只負責各種參數的采集，輸送信息到數據傳輸總線，控制信息執行等任務。系統中的邏輯運算部分可以根據功能的大小封裝為網絡后端的智能體（Agent）或JavaBean，由下位機傳來的數據主要由它們來進行運算及反饋。

上位機通過數據傳輸總線得到智能終端信息處理后存入公共數據庫中，通過在上位機上構建一個完善的網絡信息管理系統來對數據進行管理。

網絡后端采用Java進行開發設計，數據庫得到新的數據后由JavaBean連接數據庫進行處理，處理好后的數據可直接傳遞給瀏覽器，從而提供給多個客戶端進行訪問。網絡后端可以把一些比較復雜的處理過程封裝為一個智能體，這樣做可以使得這些智能體為多個網絡系統共用，也便于邏輯單元的系統管理。在權限控制等方面要用到Servlet，也可以根據系統的特定要求自動生成相關的頁面，提供給客戶。因此JavaBean，Agent，Servlet及DataBase之間都是有相互數據通信的。

客戶端通過上位機服務器訪問到遠程的智能終端信息，多個客戶端可以同時進行訪問客戶端的概念是相對的，每個客戶端都可以有自己的智能終端網，都可以為其他客戶端提供服務，因而成為服務器端。這樣就可以實現多個網絡互相溝通，也可以實現點對點的通信。

通過上位機構架的網絡管理系統，客戶可以對其對應的下位機情況進行異地實時查詢，同時可以與其他不同部門進行協同控制下位機。此方案中，下位機只要通過簡單的通信協議（如RS-232、USB 2.0等）就可以把現場數據傳送給上位機，上位機處理后再把數據寫入公共數據庫中，以便異地客戶的查詢；與此同時，客戶可以通過網絡協同控制功能修改控制的相關參數，這些修改的參數通過HTTP協議傳輸給遠程的服務器即上位機，服務器處理后再寫入公共數據庫，而網絡后端程序從公共數據庫中提取這些數據后發送指令給下位機進行執行，從而實現下位機的遠程控制及共享。

嵌入式網絡通信的實現有以下幾種方式：MCU+Webchip+PC網關、32位MCU+RTOS、MCU+輕型協議+網關、MCU+EMIT協議+emGateway、MCU+TCP/IP協議芯片和PC Gateway。

嵌入式網絡化系統正朝著速度快、距離遠的方向發展，因此充分利用Internet是該發展方向的必備資源。目前各種嵌入式系統接入Internet的方法都有其優缺點，主要的不足在于利用實時多任務操作系統與高檔單片機實現網絡的連接其實現成本昂貴，開發周期較長，對開發人員的開發能力要求較高；采用各種特定協議方式需要系統設計工程師熟悉相關的接口，同時在應用中的單片機不一定與原應用系統中的單片機兼容，軟硬件的設計工作量也較大。