李玥玥

(諾丁漢特倫特大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，英國 NG11 8NS)

0 引言

4G-Ready作為未來4G移動(dòng)通信關(guān)鍵預(yù)備技術(shù)的一個(gè)領(lǐng)域，在構(gòu)建無線通信網(wǎng)絡(luò)和無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中具有重要應(yīng)用前景。其中，將4G-Ready與Wi-Fi技術(shù)、Blutooth藍(lán)牙技術(shù)、GPS全球定位系統(tǒng)以及基于ARM核的嵌入式技術(shù)進(jìn)行集成，以Linux-C、Java編程語言開發(fā)應(yīng)用軟件系統(tǒng)，能夠構(gòu)成一個(gè)具有多種功能、技術(shù)性能優(yōu)越和先進(jìn)實(shí)用的嵌入式Wi-Fi無線通信網(wǎng)絡(luò)終端系統(tǒng)，以滿足構(gòu)建城市智能交通管理、市政環(huán)境保護(hù)監(jiān)控和風(fēng)景區(qū)信息管理等領(lǐng)域的無線數(shù)據(jù)通信應(yīng)用需求。

1 主要技術(shù)分析

下面對(duì)基于4G-Ready與Wi-Fi架構(gòu)的嵌入式系統(tǒng)中應(yīng)用的主要技術(shù)予以分析。

1.1 無線通信技術(shù)

1.1.1 4G-Ready簡介

4G-Ready是針對(duì)目前正在發(fā)展中的 4G通信技術(shù)的描述，目前國際上認(rèn)為4G提供的數(shù)據(jù)傳輸速率一般為10～20 Mb/s,最大數(shù)據(jù)傳輸速率超過100 Mbit/s，每個(gè)4G信道會(huì)占有100 MHz的頻譜，具有寬網(wǎng)絡(luò)頻譜性能。

4G應(yīng)具有多樣化通信功能，包括訪問Internet、語音與數(shù)據(jù)通信、流媒體傳輸、集成不同模式的無線通信網(wǎng)絡(luò)、蜂窩信號(hào)、廣播電視到衛(wèi)星通信，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)用戶可以在多種標(biāo)準(zhǔn)間的自由漫游服務(wù)等。

1.1.2 Wi-Fi技術(shù)與聯(lián)網(wǎng)

Wi-Fi的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是美國電氣和電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE，Institute of Electrical and Electronics Engineers）發(fā)布的 IEEE 802.11[1]，包括IEEE 802.11a、IEEE 802.11b和IEEE 802.11g，其中常用的是IEEE 802.11g。Wi-Fi是一種短程無線傳輸技術(shù)，能夠在數(shù)百米范圍內(nèi)支持互聯(lián)網(wǎng)無線接入方式。

1.1.3 藍(lán)牙技術(shù)簡介

藍(lán)牙（Bluetooth）是一種短距離無線通信技術(shù)，工作頻段為 2.4 GHz，屬于工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué)頻段( ISM，Industrial Scientific Medical)，其數(shù)據(jù)傳輸速率為1 Mb/s，采用時(shí)分雙工傳輸方案，使用 IEEE802.15協(xié)議。本文所述的嵌入式系統(tǒng)配置了 Bluetooth 2.0藍(lán)牙接口,采集實(shí)時(shí)圖形、圖像和位置信息。

1.1.4 GPS無線定位技術(shù)

GPS由空間部分、地面控制系統(tǒng)和用戶設(shè)備構(gòu)成，其中空間部分由均勻分布在地球上空的 24顆衛(wèi)星組成。地面控制系統(tǒng)由監(jiān)測(cè)站、主控制站和地面天線組成。用戶設(shè)備一般指GPS信號(hào)接收機(jī)[7]。這里設(shè)計(jì)與分析的嵌入式系統(tǒng)采用分離結(jié)構(gòu)GPS接收機(jī)。

1.2 嵌入式（Embedded Technology）技術(shù)

嵌入式系統(tǒng)由32位字長的微處理器、ROM存儲(chǔ)器、RAM存儲(chǔ)器和信息I/O接口等模塊和部件組成，嵌入式Linux操作系統(tǒng)存放在ROM中。

1.2.1 ARM 技術(shù)

ARM核嵌入式微處理器是嵌入式系統(tǒng)的核心，由英國ARM公司設(shè)計(jì)（IP，Intellectual Property core）內(nèi)核，由各半導(dǎo)體公司設(shè)計(jì)為芯片產(chǎn)品，再由OEM廠商形成嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品[2]。在當(dāng)前項(xiàng)目中采用的EP9302系統(tǒng)是一個(gè)以ARM9內(nèi)核處理器為核心技術(shù)的嵌入式系統(tǒng)。

1.2.2 嵌入式Linux操作系統(tǒng)

Linux是一個(gè)自由免費(fèi)、開放源代碼的操作系統(tǒng)軟件，其軟件功能齊全，具有完備的網(wǎng)絡(luò)功能，繼承了 UNIX的多用戶、多任務(wù)、支持多線程和多CPU的技術(shù)[3]。

當(dāng)前嵌入式系統(tǒng)中使用的版本是嵌入式Linux 2.6.21，支持內(nèi)核態(tài)搶占式調(diào)度，調(diào)度周期為1 ms。

2 構(gòu)建技術(shù)開發(fā)平臺(tái)

圖1所示為基于局域網(wǎng)的嵌入式Linux 開發(fā)平臺(tái)示意。

圖1 基于局域網(wǎng)的嵌入式Linux 開發(fā)平臺(tái)

圖1中的Linux 服務(wù)器作為嵌入式Linux 內(nèi)核編譯和應(yīng)用程序編譯的公共平臺(tái)，工作站（PC，Personal Computer)為局域網(wǎng)內(nèi)一臺(tái)或多臺(tái)終端計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)在 Windows 和Linux之間的文件傳輸。

嵌入式目標(biāo)系統(tǒng)通過串行接口與工作站連接，應(yīng)用Windows提供的“超級(jí)終端”功能；也可以通過以太網(wǎng)RJ45接口連接到局域網(wǎng)中，實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)的FTP/NFS服務(wù)器連接。

3 系統(tǒng)集成與軟件編制

3.1 系統(tǒng)目標(biāo)

系統(tǒng)目標(biāo)是在4G-Ready的框架上，構(gòu)建一個(gè)高速Wi-Fi無線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，采集目標(biāo)對(duì)象的GPS衛(wèi)星定位信息和現(xiàn)場視頻圖像信息，由所開發(fā)的《Wi-Fi無線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)》予以分析和處理。

3.2 系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括搭建Wi-Fi無線通信網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)、多層架構(gòu)軟件和嵌入式Linux-C程序運(yùn)行平臺(tái)。

項(xiàng)目的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D2所示，Wi-Fi為采用CSMA/CA的訪問機(jī)制的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議；AP為無線LAN接入端點(diǎn)設(shè)備；Bridge是工作在數(shù)據(jù)鏈路層的網(wǎng)橋，功能是連接2個(gè)局域網(wǎng)（LAN）。Switch為網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，功能是構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)交換。

圖2 項(xiàng)目系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫疽?/p>

項(xiàng)目系統(tǒng)包括ARM9內(nèi)核的嵌入式系統(tǒng)模板、GPS衛(wèi)星定位信息接收設(shè)備和Bluetooth適配器，完成GPS與ARM嵌入式系統(tǒng)的無線通信工作；IP Camera為IP地址接入型微型數(shù)碼攝像機(jī)。

3.3 系統(tǒng)硬件組成

3.3.1 EP9302嵌入式系統(tǒng)技術(shù)性能和配置

EP9302 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 3所示，項(xiàng)目使用的 EP9302嵌入式模板上配置有 200 MHz的 ARM920T 處理器，配置的I/O接口包括10/100 Mb/s以太網(wǎng)控制器、2 路 UART/2路USB2.0 /紅外接口、5通道ADC接口、串行外圍接口（SPI）、2 通道串行音頻接口（I2S）和AC’97 接口等。

圖3 EP9302 內(nèi)部結(jié)構(gòu)

3.3.2 Bluetooth適配器技術(shù)性能與配置

項(xiàng)目采用LM048藍(lán)牙RS-232串口適配器進(jìn)行無線通信系統(tǒng)連接。LM048主要技術(shù)性能是：使用頻率為2.4～2.4835 GHz，波特率設(shè)置支持 8～230.4 Kb/s，以點(diǎn)-點(diǎn)方式通信，使用TxD, RxD, GND, CTS, 和RTS信號(hào)連接。

3.3.3 AP和Bridge技術(shù)性能與配置

項(xiàng)目采用BUFFALO AirStation WLA-G54C[4]無線AP+中繼橋接器,這是建立無線通信網(wǎng)絡(luò)的主要設(shè)備，具有安全性機(jī)制，支持Wi－Fi Protected Access（WPA）、AES、802.1×和 WEP。AirStation 54 Mb/s支持無線分布系統(tǒng)（WDS）或者點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信方式。另外，該產(chǎn)品還支持外置的2.4 GHz天線，可以擴(kuò)展傳輸范圍。

3.3.4 IP cameral技術(shù)性能與配置

IP網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)是一種多媒體網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用[1]設(shè)備，使用Web頁面配置和管理圖像，在10 M或100 M網(wǎng)絡(luò)上以30幀/秒的速度傳輸圖片，并以 MPEG-4/MJPEG格式生成高質(zhì)量的圖像。

3.4 系統(tǒng)應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)

3.4.1 RS-232異步串行通信接口程序設(shè)計(jì)

串口操作的程序流程包括設(shè)置串口編程相關(guān)頭文件、打開串口、設(shè)置串口、設(shè)置波特率和設(shè)置校驗(yàn)位等模塊編制工作[5]。串口應(yīng)用編程包括系統(tǒng)初始化、配置系統(tǒng)時(shí)鐘和總線時(shí)鐘，通過函數(shù) ChangMPIIValue配置系統(tǒng)主時(shí)鐘、函數(shù)ChangClockDivider配置總線時(shí)鐘，函數(shù)ChangMPIIValue實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送和接收。

3.4.2 嵌入式系統(tǒng)和PC系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)接口程序設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)編程包括ARM EP9302嵌入式系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)接口程序設(shè)計(jì)和PC系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)接口程序設(shè)計(jì)。

①ARM EP9302嵌入式系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)接口程序設(shè)計(jì)：網(wǎng)絡(luò)接口應(yīng)用編程包括嵌入式系統(tǒng)初始化、預(yù)定義程序參數(shù)、聲明與打開Socket、監(jiān)聽異地結(jié)點(diǎn)IP地址信息、套接Socket、發(fā)送數(shù)據(jù)包和關(guān)閉Socket等。

②PC系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)接口程序設(shè)計(jì)：系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理服務(wù)器選用PC計(jì)算機(jī)，安裝Windows/XP操作系統(tǒng)，系統(tǒng)開發(fā)需要在這個(gè)平臺(tái)上應(yīng)用Socket接口技術(shù)，采用Java語言完成網(wǎng)絡(luò)編程[6]。圖4是PC系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)接口程序。

3.4.3 JSP應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

在JSP動(dòng)態(tài)頁面程序中，匯聚HTML程序、Java代碼、JavaScript腳本語言等Web軟件編程技術(shù)。JSP應(yīng)用程序在Web環(huán)境運(yùn)行，項(xiàng)目所建的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)平臺(tái)支持了項(xiàng)目JSP應(yīng)用程序的運(yùn)行。

圖4 PC系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)接口程序

4 結(jié)語

基于4G-Ready與Wi-Fi技術(shù)設(shè)計(jì)的嵌入式數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)采用了高速的無線通信和網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)[8]、B/S架構(gòu)和嵌入式計(jì)算機(jī)技術(shù)，具有數(shù)據(jù)及視頻信息采集與傳輸功能和較高的可靠性和擴(kuò)展性。

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