1.2 嵌入式网络通信技术

1.2.1 网络通信技术发展概览

网络及通信技术的飞速发展，人们对无线通信的要求越来越高，近距无线技术正在成为关注的焦点。目前使用较广泛的近距无线通信技术是蓝牙（Bluetooth）、无线局域网802.11（Wi-Fi）和红外数据传输（IrDA），还有一些具有发展潜力的近距无线技术标准：ZigBee、超宽频（Ultra WideBand）、短距通信（NFC）、WiMedia、GPS、DECT、无线1394和专用无线系统等。它们都有其立足的特点，或基于传输速率、距离、耗电量的特殊要求；或着眼于功能的扩充性；或符合某些单一应用的特别要求；或建立竞争技术的差异化等。但是没有一种技术可以完美到足以满足所有的需求。

嵌入式网络通常应用在环境比较恶劣的工业生产现场，因此，在以下几个方面有其自身独特的要求。

① 实时性：生产设备内部多个分布式子系统信息耦合通常比较紧密，对实时性要求很高，这就要求所用的网络协议具有可确定的实时性能，即极坏情况下的响应时间是可确定的；另外在网络节点数比较多，或者有些节点对实时响应要求特别高时，网络协议还应支持优先级调度，以提高时间紧迫型任务的信息传输可确定性。

② 可靠性：嵌入式网络本身的可靠性直接影响设备的有效作业率、成品率和生产效率，要求网络能动态增加/删除节点；生产现场比较恶劣的电磁环境要求嵌入式网络本身具有很强的抗干扰能力、检错和纠错能力以及快速恢复能力。

③ 通信效率：嵌入式网络通信的特点之一是子系统之间通信非常频繁，但每次通信的信息长度很短，因此要求嵌入式网络协议尽量采用短帧结构，且帧头和帧尾尽可能短，从而提高通信效率和带宽的利用率。

④ 双重混合支持：不同工作环境的巨大差异决定了嵌入式网络应具有灵活的介质访问协议，不但支持多种介质（双绞线、同轴电缆、光缆），而且支持混合拓扑结构（星形、环形、总线型），有时甚至要求同一个嵌入式网络能同时使用多种介质和多种网络拓扑。如在噪声环境中，系统中一部分连接需要使用光缆，其他部分则使用双绞线或同轴电缆。同轴电缆适于采用总线型拓扑，而光纤则更适于环形或星形拓扑，这就要求网络协议具有双重混合支持。

⑤ 实现难度和造价：嵌入式系统通常需要针对实际需求进行专门设计与制造，这就要求其中的网络系统软件、硬件容易实现，并与子系统控制部分集成，有关元器件商品化程度高，造价较低。

⑥ 开放性：嵌入式网络必须具有良好的开放性，一方面能通过企业Intranet连接到Internet上，实现企业生产管理的管控一体化；另一方面应具有公开透明的开发界面，资料完备，实现系统硬件、软件的自主开发和集成。

此外，嵌入式网络系统必须配置灵活、维护简便。

1.2.2 嵌入式网络通信技术概况

1.蓝牙技术

蓝牙（Bluetooth）技术出现于20世纪末，是广受业界关注的近距无线连接技术。它是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，它以低成本的短距离无线连接为基础，可为固定的或移动的终端设备提供廉价的接入服务。

蓝牙技术是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，其实质内容是为固定设备或移动设备之间的通信环境建立通用的近距无线接口，将通信技术与计算机技术进一步结合起来，使各种设备在没有电线或电缆相互连接的情况下，能在近距离范围内实现相互通信或操作。其传输频段为全球公众通用的2.4GHz ISM频段，提供1Mbps的传输速率和10m的传输距离。

蓝牙技术诞生于1994年，Ericsson当时决定开发一种低功耗、低成本的无线接口，以建立手机及其附件间的通信。该技术还陆续获得PC业界巨头的支持。1998年，蓝牙技术协议由Ericsson，IBM，Intel，NOKIA，Toshiba等5家公司达成一致。

蓝牙协议的标准版本为802.15.1，由蓝牙小组（SIG）负责开发。802.15.1的最初标准基于蓝牙1.1实现，后者已构建到现行很多蓝牙设备中。新版80.15.1a基本等同于蓝牙1.2标准，具备一定的QoS特性，并完整保持后向兼容性。

但蓝牙技术最大的障碍是过于昂贵。突出表现在芯片大小和价格难以下调、抗干扰能力不强、传输距离太短、信息安全问题等方面。这就使得许多用户不愿意花大价钱来购买这种无线设备。因此，业内专家认为，蓝牙的市场前景取决于蓝牙价格和基于蓝牙的应用是否能达到一定的规模。

2.Wi-Fi技术

Wi-Fi（Wireless Fidelity，无线高保真）也是一种无线通信协议，正式名称是IEEE 802.11b，与蓝牙一样，同属于短距离无线通信技术。Wi-Fi速率最高可达11Mbps。虽然在数据安全性方面比蓝牙技术要差一些，但在电波的覆盖范围方面却略胜一筹，可达100m左右。

Wi-Fi是以太网的一种无线扩展，理论上只要用户位于一个接入点四周的一定区域内，就能以最高约11Mbps的速度接入Web。但实际上，如果有多个用户同时通过一个点接入，带宽被多个用户分享，Wi-Fi的连接速度一般将只有几百Kbps的信号不受墙壁阻隔，但在建筑物内的有效传输距离小于户外。

WLAN未来最具潜力的应用将主要在SOHO、家庭无线网络，以及不便安装电缆的建筑物或场所。目前这一技术的用户主要来自机场、酒店、商场等公共热点场所。Wi-Fi技术可将Wi-Fi与基于XML或Java的Web服务融合起来，可以大幅度减少企业的成本。例如企业选择在每一层楼或每一个部门配备802.11b的接入点，而不是采用电缆线把整幢建筑物连接起来。这样一来，可以节省大量铺设电缆所需花费的资金。

最初的IEEE 802.11规范是在1997年提出的，称为802.11b，主要目的是提供WLAN接入，也是目前WLAN的主要技术标准。它的工作频率也是2.4GHz，与无绳电话、蓝牙等许多不需要频率使用许可证的无线设备共享同一频段。随着Wi-Fi协议新版本，如802.11a和802.11g的先后推出，Wi-Fi的应用将越来越广泛。速度更快的802.11g使用与802.11b相同的正交频分多路复用调制技术。它工作在2.4GHz频段，速率达54Mbps。根据最近国际消费电子产品的发展趋势判断，802.11g将有可能被大多数无线网络产品制造商选择作为产品标准。

微软推出的桌面操作系统Windows XP和嵌入式操作系统Windows CE，都包含了对Wi-Fi的支持。其中，Windows CE同时还包含对Wi-Fi的竞争对手蓝牙等其他无线通信技术的支持。由于投资802.11b的费用降低，许多厂商介入这一领域。Intel推出了集成WLAN技术的笔记本计算机芯片组，不用外接无线网卡，就可实现无线上网。

3.IrDA

红外线数据协会IrDA（Infrared Data Association）成立于1993年。起初，采用IrDA标准的无线设备仅能在1m范围内以115.2Kbps速率传输数据，很快发展到4Mbps以及16Mbps的速率。

IrDA是一种利用红外线进行点对点通信的技术，是第一个实现无线个人局域网（PAN）的技术。目前它的软硬件技术都很成熟，在小型移动设备，如PDA、手机上广泛使用。事实上，当今每一个出厂的PDA及许多手机、笔记本计算机、打印机等产品都支持IrDA。

IrDA的主要优点是无须申请频率的使用权，因此红外通信成本低廉，并且还具有移动通信所需的体积小、功耗低、连接方便、简单易用的特点。此外，红外线发射角度较小，传输上安全性高。

IrDA的不足在于它是一种视距传输，两个相互通信的设备之间必须对准，中间不能被其他物体阻隔，因此该技术只能用于两台（非多台）设备之间的连接。而蓝牙就没有此限制，且不受墙壁的阻隔。IrDA目前的研究方向是如何解决视距传输问题及提高数据传输率。

4.NFC

NFC（Near Field Commnication，近距离无线传输）是由PHILIPS、Nokia和SONY主推的一种类似于RFID（非接触式射频识别）的短距离无线通信技术标准。和RFID不同，NFC采用了双向的识别和连接，在20cm距离内工作于13.56MHz频率范围。

NFC最初仅是遥控识别和网络技术的合并，但现在已发展成无线连接技术。它能快速自动地建立无线网络，为蜂窝设备、蓝牙设备、Wi-Fi设备提供一个“虚拟连接”，使电子设备可以在短距离范围内进行通信。NFC的短距离交互大大简化了整个认证识别过程，使电子设备间互相访问更直接、更安全和更清楚，不用再听到各种电子杂音。

NFC通过在单一设备上组合所有的身份识别应用和服务，帮助解决记忆多个密码的麻烦，同时也保证了数据的安全。有了NFC，多个设备如数码相机、PDA、机顶盒、计算机、手机等之间的无线互联，彼此交换数据或服务都将有可能实现。

此外NFC还可以将其他类型无线通信（如Wi-Fi和蓝牙）“加速”，实现更快和更远距离的数据传输。每个电子设备都有自己的专用应用菜单，NFC可以创建快速安全的连接，而无须在众多接口的菜单中进行选择。与知名的蓝牙等短距离无线通信标准不同的是，NFC的作用距离进一步缩短且不像蓝牙那样需要有对应的加密设备。

同样，构建Wi-Fi家族无线网络需要多台具有无线网卡的计算机、打印机和其他设备。除此之外，还得有一定技术的专业人员才能胜任这一工作。而NFC被置入接入点之后，只要将其中两个靠近就可以实现交流，比配置Wi-Fi连接容易得多。

NFC有三种应用类型：

① 设备连接。除了无线局域网，NFC也可以简化蓝牙连接。比如，便携式计算机用户如果想在机场上网，他只需要走近一个Wi-Fi热点即可实现。

② 实时预定。比如，海报或展览信息背后贴有特定芯片，利用含NFC协议的手机或PDA，便能取得详细信息，或是立即联机使用信用卡进行票券购买，而且，这些芯片无须独立的能源。

③ 移动商务。飞利浦的Mifare技术支持世界上几个大型交通系统及在银行业为客户提供Visa卡等服务。索尼的FeliCa非接触智能卡技术产品在中国香港、深圳，以及新加坡、日本的市场占有率非常高，主要应用在交通及金融机构。

总而言之，这项新技术正在改写无线网络连接的游戏规则，但NFC的目标并非是完全取代蓝牙、Wi-Fi等其他无线技术，而是在不同的场合、不同的领域起到相互补充的作用。所以如今后来居上的NFC发展态势相当迅速。

5.ZigBee

ZigBee主要应用在短距离范围之内并且数据传输速率不高的各种电子设备之间。ZigBee名字来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式，蜜蜂通过跳ZigZag形状的舞蹈来分享新发现的食物源的位置、距离和方向等信息。

ZigBee联盟成立于2001年8月。2002年下半年，Invensys、Mitsubishi、Motorola，以及PHILIPS半导体公司四大巨头共同宣布加盟ZigBee联盟，以研发名为ZigBee的下一代无线通信标准。到目前为止，该联盟大约已有27家成员企业。所有这些公司都参加了负责开发ZigBee物理和媒体控制层技术标准的IEEE 802.15.4工作组。

ZigBee联盟负责制定网络层以上协议。目前，标准制定工作已完成。ZigBee协议比蓝牙、高速率个人区域网或802.11x无线局域网更简单实用。

ZigBee可以说是蓝牙的同族兄弟，它使用2.4GHz波段，采用跳频技术。与蓝牙相比，ZigBee更简单、速率更慢、功率及费用也更低。它的基本速率是250Kbps，当降低到28Kbps时，传输范围可扩大到134m，并获得更高的可靠性。另外，它可与254个节点联网。可以比蓝牙更好地支持游戏、消费电子、仪器和家庭自动化应用。人们期望能在工业监控、传感器网络、家庭监控、安全系统和玩具等领域拓展ZigBee的应用。

ZigBee技术特点主要包括以下几部分。

① 数据传输速率低。只有10～250Kbps，专注于低传输应用。

② 功耗低。在低耗电待机模式下，两节普通5号干电池可使用6个月以上。这也是ZigBee的支持者所一直引以为豪的独特优势。

③ 成本低。因为ZigBee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本；积极投入ZigBee开发的Motorola以及PHILIPS，均已在2003年正式推出芯片，飞利浦预估，应用于主机端的芯片成本和其他终端产品的成本比蓝牙更具价格竞争力。

④ 网络容量大。每个ZigBee网络最多可支持255个设备，也就是说每个ZigBee设备可以与另外254台设备相连接。

⑤ 有效范围小。有效覆盖范围为10～75m，具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定，基本上能够覆盖普通的家庭或办公室环境。

⑥ 工作频段灵活。使用的频段分别为2.4GHz、868MHz（欧洲）及915MHz（美国），均为免执照频段。

根据ZigBee联盟目前的设想，ZigBee的目标市场主要有PC外设（鼠标、键盘、游戏操控杆）、消费类电子设备（TV、VCR、CD、VCD、DVD等设备上的遥控装置）、家庭内智能控制（照明、煤气计量控制及报警等）、玩具（电子宠物）、医护（监视器和传感器）、工控（监视器、传感器和自动控制设备）等非常广阔的领域。

6.UWB

UWB（Ultra Wide Band，超宽带技术）是一种无线载波通信技术，不采用正弦载波，而是利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，因此其所占的频谱范围很宽。

UWB可在非常宽的带宽上传输信号，美国FCC对UWB的规定为：在3.1～10.6GHz频段中占用500MHz以上的带宽。由于UWB可以利用低功耗、低复杂度发射/接收机实现高速数据传输，所以近年来得到了迅速发展。它在非常宽的频谱范围内采用低功率脉冲传送数据而不会对常规窄带无线通信系统造成大的干扰，并可充分利用频谱资源。基于UWB技术而构建的高速率数据收发机有着广泛的用途。

UWB技术具有系统复杂度低，发射信号功率谱密度低，对信道衰落不敏感，低截获能力，定位精度高等优点，尤其适用于室内密集度大等场所的高速无线接入，非常适于建立一个高效的无线局域网或无线个域网（WPAN）。

UWB主要应用在小范围、高分辨率，能够穿透墙壁、地面和身体的雷达和图像系统中。除此之外，这种新技术适用于对速率要求非常高（大于100Mbps）的LAN或PAN。

UWB最具特色的应用将是视频消费娱乐方面的无线个人局域网（PANs）现有的无线通信方式，802.11b和蓝牙的速率太慢，不适合传输视频数据；54Mbps速率的802.11a标准可以处理视频数据，但费用昂贵。而UWB有可能在10m范围内，支持高达110Mbps的数据传输率，不需要压缩数据，可以快速、简单、经济地完成视频数据处理。

具有一定相容性和高速、低成本、低功耗的优点使得UWB较适合家庭无线消费市场的需求，尢其是UWB适合近距离内高速传送大量多媒体数据以及可以穿透障碍物的突出优点，让很多商业公司将其看做是一种很有前途的无线通信技术，应用于诸如将视频信号从机顶盒无线传送到数字电视等家庭场合。当然，UWB未来的前途还要取决于各种无线方案的技术发展、成本、用户使用习惯和市场成熟度等多方面的因素。

1.2.3 嵌入式网络通信实现过程

目前，大多数仪器设备采用的控制器多为8位至16位单片机，其运算的速度和可利用的资源非常有限。考虑到目前现状及对前面提到的几种方案优缺点进行比较，采用了上位机作为服务器的方式把智能终端的控制信息接入网络的方案，系统的整体框架如图1-1所示。

系统的底层由多个智能终端构成，每个智能终端的开发是单片机应用系统，系统通过传感器把测量得到的数据传送到单片机进行处理。考虑到减轻单片机的运算载荷，把主要的逻辑运算分配给上位机来完成，智能终端只负责各种参数的采集，输送信息到数据传输总线，控制信息执行等任务。系统中的逻辑运算部分可以根据功能的大小封装为网络后端的智能体（Agent）或JavaBean，由下位机传来的数据主要由它们来进行运算及反馈。

上位机通过数据传输总线得到智能终端信息处理后存入公共数据库中，通过在上位机上构建一个完善的网络信息管理系统来对数据进行管理。

网络后端采用Java进行开发设计，数据库得到新的数据后由JavaBean连接数据库进行处理，处理好后的数据可直接传递给浏览器，从而提供给多个客户端进行访问。网络后端可以把一些比较复杂的处理过程封装为一个智能体，这样做可以使得这些智能体为多个网络系统共用，也便于逻辑单元的系统管理。在权限控制等方面要用到Servlet，也可以根据系统的特定要求自动生成相关的页面，提供给客户。因此JavaBean，Agent，Servlet及DataBase之间都是有相互数据通信的。

客户端通过上位机服务器访问到远程的智能终端信息，多个客户端可以同时进行访问客户端的概念是相对的，每个客户端都可以有自己的智能终端网，都可以为其他客户端提供服务，因而成为服务器端。这样就可以实现多个网络互相沟通，也可以实现点对点的通信。

通过上位机构架的网络管理系统，客户可以对其对应的下位机情况进行异地实时查询，同时可以与其他不同部门进行协同控制下位机。此方案中，下位机只要通过简单的通信协议（如RS-232、USB 2.0等）就可以把现场数据传送给上位机，上位机处理后再把数据写入公共数据库中，以便异地客户的查询；与此同时，客户可以通过网络协同控制功能修改控制的相关参数，这些修改的参数通过HTTP协议传输给远程的服务器即上位机，服务器处理后再写入公共数据库，而网络后端程序从公共数据库中提取这些数据后发送指令给下位机进行执行，从而实现下位机的远程控制及共享。

嵌入式网络通信的实现有以下几种方式：MCU+Webchip+PC网关、32位MCU+RTOS、MCU+轻型协议+网关、MCU+EMIT协议+emGateway、MCU+TCP/IP协议芯片和PC Gateway。

嵌入式网络化系统正朝着速度快、距离远的方向发展，因此充分利用Internet是该发展方向的必备资源。目前各种嵌入式系统接入Internet的方法都有其优缺点，主要的不足在于利用实时多任务操作系统与高档单片机实现网络的连接其实现成本昂贵，开发周期较长，对开发人员的开发能力要求较高；采用各种特定协议方式需要系统设计工程师熟悉相关的接口，同时在应用中的单片机不一定与原应用系统中的单片机兼容，软硬件的设计工作量也较大。