李玥玥

(諾丁漢特倫特大學 計算機科學與技術學院，英國 NG11 8NS)

0 引言

4G-Ready作為未來4G移動通信關鍵預備技術的一個領域，在構建無線通信網絡和無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中具有重要應用前景。其中，將4G-Ready與Wi-Fi技術、Blutooth藍牙技術、GPS全球定位系統(tǒng)以及基于ARM核的嵌入式技術進行集成，以Linux-C、Java編程語言開發(fā)應用軟件系統(tǒng)，能夠構成一個具有多種功能、技術性能優(yōu)越和先進實用的嵌入式Wi-Fi無線通信網絡終端系統(tǒng)，以滿足構建城市智能交通管理、市政環(huán)境保護監(jiān)控和風景區(qū)信息管理等領域的無線數(shù)據(jù)通信應用需求。

1 主要技術分析

下面對基于4G-Ready與Wi-Fi架構的嵌入式系統(tǒng)中應用的主要技術予以分析。

1.1 無線通信技術

1.1.1 4G-Ready簡介

4G-Ready是針對目前正在發(fā)展中的 4G通信技術的描述，目前國際上認為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4G信道會占有100 MHz的頻譜，具有寬網絡頻譜性能。

4G應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絡、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準間的自由漫游服務等。

1.1.2 Wi-Fi技術與聯(lián)網

Wi-Fi的技術標準是美國電氣和電子工程師協(xié)會（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，能夠在數(shù)百米范圍內支持互聯(lián)網無線接入方式。

1.1.3 藍牙技術簡介

藍牙（Bluetooth）是一種短距離無線通信技術，工作頻段為 2.4 GHz，屬于工業(yè)、科學和醫(yī)學頻段( ISM，Industrial Scientific Medical)，其數(shù)據(jù)傳輸速率為1 Mb/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

GPS由空間部分、地面控制系統(tǒng)和用戶設備構成，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。用戶設備一般指GPS信號接收機[7]。這里設計與分析的嵌入式系統(tǒng)采用分離結構GPS接收機。

1.2 嵌入式（Embedded Technology）技術

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

ARM核嵌入式微處理器是嵌入式系統(tǒng)的核心，由英國ARM公司設計（IP，Intellectual Property core）內核，由各半導體公司設計為芯片產品，再由OEM廠商形成嵌入式系統(tǒng)產品[2]。在當前項目中采用的EP9302系統(tǒng)是一個以ARM9內核處理器為核心技術的嵌入式系統(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，具有完備的網絡功能，繼承了 UNIX的多用戶、多任務、支持多線程和多CPU的技術[3]。

當前嵌入式系統(tǒng)中使用的版本是嵌入式Linux 2.6.21，支持內核態(tài)搶占式調度，調度周期為1 ms。

2 構建技術開發(fā)平臺

圖1所示為基于局域網的嵌入式Linux 開發(fā)平臺示意。

圖1 基于局域網的嵌入式Linux 開發(fā)平臺

圖1中的Linux 服務器作為嵌入式Linux 內核編譯和應用程序編譯的公共平臺，工作站（PC，Personal Computer)為局域網內一臺或多臺終端計算機，實現(xiàn)在 Windows 和Linux之間的文件傳輸。

嵌入式目標系統(tǒng)通過串行接口與工作站連接，應用Windows提供的“超級終端”功能；也可以通過以太網RJ45接口連接到局域網中，實現(xiàn)與網絡的FTP/NFS服務器連接。

3 系統(tǒng)集成與軟件編制

3.1 系統(tǒng)目標

系統(tǒng)目標是在4G-Ready的框架上，構建一個高速Wi-Fi無線數(shù)據(jù)通信網絡，采集目標對象的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)通信網絡管理系統(tǒng)》予以分析和處理。

3.2 系統(tǒng)構成

系統(tǒng)設計包括搭建Wi-Fi無線通信網絡平臺、多層架構軟件和嵌入式Linux-C程序運行平臺。

項目的系統(tǒng)網絡拓撲如圖2所示，Wi-Fi為采用CSMA/CA的訪問機制的網絡協(xié)議；AP為無線LAN接入端點設備；Bridge是工作在數(shù)據(jù)鏈路層的網橋，功能是連接2個局域網（LAN）。Switch為網絡交換機，功能是構建網絡平臺的網絡交換。

圖2 項目系統(tǒng)網絡拓撲示意

項目系統(tǒng)包括ARM9內核的嵌入式系統(tǒng)模板、GPS衛(wèi)星定位信息接收設備和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)技術性能和配置

EP9302 的內部結構如圖 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 內部結構

3.3.2 Bluetooth適配器技術性能與配置

項目采用LM048藍牙RS-232串口適配器進行無線通信系統(tǒng)連接。LM048主要技術性能是：使用頻率為2.4～2.4835 GHz，波特率設置支持 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技術性能與配置

項目采用BUFFALO AirStation WLA-G54C[4]無線AP+中繼橋接器,這是建立無線通信網絡的主要設備，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，該產品還支持外置的2.4 GHz天線，可以擴展傳輸范圍。

3.3.4 IP cameral技術性能與配置

IP網絡攝像機是一種多媒體網絡應用[1]設備，使用Web頁面配置和管理圖像，在10 M或100 M網絡上以30幀/秒的速度傳輸圖片，并以 MPEG-4/MJPEG格式生成高質量的圖像。

3.4 系統(tǒng)應用軟件設計

3.4.1 RS-232異步串行通信接口程序設計

串口操作的程序流程包括設置串口編程相關頭文件、打開串口、設置串口、設置波特率和設置校驗位等模塊編制工作[5]。串口應用編程包括系統(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)網絡接口程序設計

網絡編程包括ARM EP9302嵌入式系統(tǒng)網絡接口程序設計和PC系統(tǒng)網絡接口程序設計。

①ARM EP9302嵌入式系統(tǒng)網絡接口程序設計：網絡接口應用編程包括嵌入式系統(tǒng)初始化、預定義程序參數(shù)、聲明與打開Socket、監(jiān)聽異地結點IP地址信息、套接Socket、發(fā)送數(shù)據(jù)包和關閉Socket等。

②PC系統(tǒng)網絡接口程序設計：系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理服務器選用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用Socket接口技術，采用Java語言完成網絡編程[6]。圖4是PC系統(tǒng)網絡接口程序。

3.4.3 JSP應用程序設計

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。JSP應用程序在Web環(huán)境運行，項目所建的網絡結構平臺支持了項目JSP應用程序的運行。

圖4 PC系統(tǒng)網絡接口程序

4 結語

基于4G-Ready與Wi-Fi技術設計的嵌入式數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)采用了高速的無線通信和網絡編程技術[8]、B/S架構和嵌入式計算機技術，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展性。

[1]JAMES F K, KEITH W R.計算機網絡—自頂向下方法與Internet特色[M]. 第 3版,北京：高等教育出版社，2006(06):503-529,566-569.

[2]王田苗，魏洪興.嵌入式系統(tǒng)設計與實例開發(fā)—基于ARM微處理器與μC/OS-Ⅱ實時操作系統(tǒng)[M].北京: 清華大學出版社, 2008(01):63-65.

[3]劉胤杰，岳浩.Linux 操作系統(tǒng)教程[M].北京: 機械工業(yè)出版社,2006(08):267-273.

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[5］ 田澤.嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與應用實驗教程[M].北京: 北京航空航天大學出版社, 2004:156-160.

[6］ 劉永華，于春花，李嘵莉.Java網絡編程技術[M].北京: 清華大學出版社, 2008:164-170.

[7］ 陸文昌，畢世高.車輛監(jiān)控系統(tǒng)中車載GPS定位終端設計[J].通信技術,2010,43(07):201-203.

[8］ 孫偉，陳小平.二級通信網絡路燈智能控制系統(tǒng)設計[J].通信技術,2011,44(04):164-166.