基于4G通信的嵌入式數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)設(shè)計 - 全文

　　?引言

　　4G-Ready 作為未來4G 移動通信關(guān)鍵預(yù)備技術(shù)的一個領(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)成一個具有多種功能、技術(shù)性能優(yōu)越和先進(jìn)實用的嵌入式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10~20Mb/s,最大數(shù)據(jù)傳輸速率超過100 Mbit/s,每個4G 信道會占有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、廣播電視到衛(wèi)星通信，實現(xiàn)移動用戶可以在多種標(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（ IEEE, Institute of Electrical and ElectronicsEngineers）發(fā)布的IEEE 802.11,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1Mb/s,采用時分雙工傳輸方案，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，采集實時圖形、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)測站、主控制站和地面天線組成。用戶設(shè)備一般指GPS 信號接收機。這里設(shè)計與分析的嵌入式系統(tǒng)采用分離結(jié)構(gòu)GPS 接收機。

　　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 存儲器、RAM存儲器和信息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（IP,Intellectual Property core）內(nèi)核，由各半導(dǎo)體公司設(shè)計為芯片產(chǎn)品，再由OEM 廠商形成嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品。在當(dāng)前項目中采用的EP9302 系統(tǒng)是一個以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 是一個自由免費、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)。

　　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

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

圖1 基于局域網(wǎng)的嵌入式Linux 開發(fā)平臺

　　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，工作站（PC,Personal Computer）為局域網(wǎng)內(nèi)一臺或多臺終端計算機，實現(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)建一個高速Wi-Fi無線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，采集目標(biāo)對象的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)計包括搭建Wi-Fi 無線通信網(wǎng)絡(luò)平臺、多層架構(gòu)軟件和嵌入式Linux-C 程序運行平臺。

　　項目的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D2 所示，Wi-Fi 為采用CSMA/CA的訪問機制的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議；AP 為無線LAN 接入端點設(shè)備；Bridge是工作在數(shù)據(jù)鏈路層的網(wǎng)橋，功能是連接2 個局域網(wǎng)（LAN）。

　　Switch 為網(wǎng)絡(luò)交換機，功能是構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)平臺的網(wǎng)絡(luò)交換。

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圖2 項目系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫疽?/p>

　　項目系統(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。

　　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。

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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2.4~2.4835GHz,波特率設(shè)置支持8~230.4 Kb/s,以點-點方式通信，使用TxD, RxD, GND, CTS, 和RTS 信號連接。

　　3.3.3 AP 和Bridge 技術(shù)性能與配置

　　項目采用BUFFALO AirStation WLA-G54C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）或者點對點、一點對多點的通信方式。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)攝像機是一種多媒體網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用設(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

　　3.4.1 RS-232 異步串行通信接口程序設(shè)計

　　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)置校驗位等模塊編制工作。串口應(yīng)用編程包括系統(tǒng)初始化、配置系統(tǒng)時鐘和總線時鐘，通過函數(shù)ChangMPIIValue 配置系統(tǒng)主時鐘、函數(shù)ChangClockDivider 配置總線時鐘，函數(shù)ChangMPIIValue 實現(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

　　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)計和PC 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)接口程序設(shè)計。

　　①ARM EP9302 嵌入式系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)接口程序設(shè)計：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IP 地址信息、套接Socket、發(fā)送數(shù)據(jù)包和關(guān)閉Socket 等。

　?、赑C 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)接口程序設(shè)計：系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理服務(wù)器選用PC 計算機，安裝Windows/XP 操作系統(tǒng)，系統(tǒng)開發(fā)需要在這個平臺上應(yīng)用Socket 接口技術(shù)，采用Java 語言完成網(wǎng)絡(luò)編程。圖4 是PC 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)接口程序。

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圖4 PC 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)接口程序

　　3.4.3 JSP 應(yīng)用程序設(shè)計

　　在JSP 動態(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)境運行，項目所建的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)平臺支持了項目JSP 應(yīng)用程序的運行。

　　4 結(jié)語

　　基于4G-Ready 與Wi-Fi 技術(shù)設(shè)計的嵌入式數(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)和嵌入式計算機技術(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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