基于嵌入式系統(tǒng)的因特網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用方法的研究

摘 要:嵌入式系統(tǒng)是指嵌入到各種產(chǎn)品或工程應(yīng)用中，以微處理器或微控制器為核心的軟硬件系統(tǒng)，近幾年嵌入式系統(tǒng)與因特網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，形成的嵌入式因特網(wǎng)技術(shù)是這些年隨著網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的到來而發(fā)展起來的一項(xiàng)新興技術(shù)，各種電子產(chǎn)品通過植入因特網(wǎng)而變的智能，特別是使用嵌入式網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，是網(wǎng)絡(luò)的熱點(diǎn)之一，對(duì)于8位微處理器或嵌入式TCP/IP協(xié)議棧組成的互聯(lián)網(wǎng)關(guān)，在智能家電有一定的價(jià)值，本文通過嵌入式系統(tǒng)的因特網(wǎng)技術(shù)的構(gòu)成分析了家用電器組網(wǎng)接入因特網(wǎng)的方法。

關(guān)鍵詞:嵌入式 Internet 智能家電

中圖分類號(hào):TP393文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1674-098X(2012)04(b)-0034-01

1 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及和發(fā)展，各種電子設(shè)備都與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，于是形成了嵌入式互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過現(xiàn)有的嵌入式系統(tǒng)，新加了網(wǎng)絡(luò)接口來擴(kuò)展其功能，使得一些家用電器和便攜式電子設(shè)備能方便的介入互聯(lián)網(wǎng)。

2 家用電器連接互聯(lián)網(wǎng)的分析

基于嵌入式的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及控制器局域網(wǎng)總線技術(shù)的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有因特網(wǎng)的以太網(wǎng)接口，同時(shí)也能夠通過控制器包括局域網(wǎng)總線與其他的智能設(shè)備相連接，這樣通過因特網(wǎng)可以遠(yuǎn)程訪問家庭的一切設(shè)備并進(jìn)行控制。嵌入式系統(tǒng)能夠連接因特網(wǎng)應(yīng)具備兩個(gè)條件，第一是要具有連接因特網(wǎng)絡(luò)的物理接口，第二是實(shí)現(xiàn)因特網(wǎng)上通用的傳輸控制協(xié)議/因特網(wǎng)互聯(lián)協(xié)議。在連接因特網(wǎng)物理接口的選擇上，可以選用局域網(wǎng)連接因特網(wǎng)。

該系統(tǒng)的硬件:MUC模塊;以太網(wǎng)接口電路;控制器局域網(wǎng)絡(luò)總線接口;與上位機(jī)接口電路;電源電路;工作狀態(tài)指示電路。MUC資源擴(kuò)展電路。

3 嵌入式因特網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的形式

利用以太網(wǎng)作為信息的傳輸媒介，同時(shí)利用它巨大的資源實(shí)現(xiàn)最佳控制，在最大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)資源共享，傳統(tǒng)使用方式是采用PC機(jī)+網(wǎng)卡+數(shù)據(jù)采集卡，進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，將家電設(shè)備采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控網(wǎng)接入以太網(wǎng)，把管理的PC機(jī)放到以太網(wǎng)中，組成一個(gè)自動(dòng)化的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，由于家用對(duì)成本的考慮，所以可以以微處理器取代PC機(jī)，用網(wǎng)卡控制芯片取代網(wǎng)卡，并且需要一臺(tái)計(jì)算機(jī)進(jìn)行監(jiān)控，使控制網(wǎng)的成本下降，從而使分布式控制系統(tǒng)而成，由于微處理器的處理能力與存儲(chǔ)有限，要實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議是比較困難的，因此，要對(duì)TCP/IP協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)，對(duì)上層協(xié)議可以進(jìn)行簡(jiǎn)化，即可實(shí)現(xiàn)原來的TCP.IP協(xié)議轉(zhuǎn)變成嵌入式TCP/IP協(xié)議，

就目前的情況來看，8/16位的嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)因特網(wǎng)技術(shù)主要有三種形式:

1)MCU+專用網(wǎng)絡(luò)芯片。8位MCU通過精簡(jiǎn)的TCP/IP連接以太網(wǎng)的方案有AN212O，8052.LPHARD.CZ TCP/IP lean sever等幾種方案，通過比較8位MCU作為成熟的微處理器，應(yīng)用廣泛，而且性能價(jià)格比較高，開發(fā)簡(jiǎn)單;lwip是免費(fèi)的軟件，用成功移植的先例，因此選用8位MCU和lwip進(jìn)行硬件和軟件的卡發(fā)設(shè)計(jì)。2)ECU直接實(shí)現(xiàn)形式。優(yōu)點(diǎn):設(shè)計(jì)靈活，成本低，適應(yīng)性強(qiáng).3)EMIT技術(shù)。EMIT技術(shù)采用桌面計(jì)算機(jī)或高性能的嵌入式處理器為網(wǎng)關(guān)，稱為emGateway，上面支持傳輸控制協(xié)議/因特網(wǎng)互聯(lián)協(xié)議運(yùn)行HTTP服務(wù)程序，形成一個(gè)用戶可以通過瀏覽器來進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問。emGateway通過RS485，RS232，控制器局域網(wǎng)絡(luò)等輕量級(jí)總線與外設(shè)聯(lián)系起來，每個(gè)外設(shè)的應(yīng)用程序中包含一個(gè)獨(dú)立的通信任務(wù)，稱為emMicro，監(jiān)測(cè)嵌入式設(shè)備中預(yù)先定義的各個(gè)變量，并將結(jié)果反饋到emGateway中;同時(shí)emMicro還可以解釋emGateway的命令，修改設(shè)備中的變量或進(jìn)行某種控制。

4 整體系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

1)家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，內(nèi)部組建什么樣的網(wǎng)絡(luò)。2)設(shè)備采用何種物理接口接入因特網(wǎng)，如今聯(lián)入因特網(wǎng)的方式有許多種，選擇一個(gè)合適的連接方式，這是系統(tǒng)設(shè)計(jì)要解決的又一關(guān)鍵問題。3)設(shè)備控制系統(tǒng)采用什么協(xié)議接入因特網(wǎng)，因特網(wǎng)發(fā)展如此快，主要因?yàn)樗捎靡惶组_放的通信協(xié)議，以提供不同網(wǎng)絡(luò)上節(jié)點(diǎn)計(jì)算機(jī)之間的通信，這就是傳輸控制協(xié)議/因特網(wǎng)互聯(lián)協(xié)議，傳輸控制協(xié)議/因特網(wǎng)互聯(lián)的協(xié)議族中選擇合適的協(xié)議。4)目前家庭聯(lián)網(wǎng)的方式有很多，從介質(zhì)傳輸?shù)男问絹矸钟?有線方式主要電話線，電力線，電纜等;無線方式主要有現(xiàn)在流行的藍(lán)牙技術(shù)等，但鑒于家庭電器設(shè)備的多樣性和復(fù)雜性，以及可靠性和低成本的考慮，家電內(nèi)部聯(lián)網(wǎng)采用控制器局域網(wǎng)絡(luò)總線架構(gòu)，這種總線具有以下特點(diǎn):控制器局域網(wǎng)絡(luò)總線為多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任以節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)的向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，不分主次;控制器局域網(wǎng)絡(luò)總線在仲裁方式上有一定的優(yōu)先級(jí)，級(jí)別低的會(huì)給級(jí)別高的主動(dòng)讓位，防止網(wǎng)絡(luò)堵塞;控制器局域網(wǎng)絡(luò)總線在距離上和家庭電子設(shè)備比較合適，速率也較快;控制器局域網(wǎng)絡(luò)總線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，而且技術(shù)容易掌握。

5 接入因特網(wǎng)方式

以太網(wǎng)對(duì)于嵌入式系統(tǒng)具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。首先是穩(wěn)定性很高，以太網(wǎng)采用的介質(zhì)是光纖，速度快，性能穩(wěn)定。其次是實(shí)時(shí)性強(qiáng)，對(duì)于CSMA/CD通信協(xié)議所帶來的不確定問題，隨著以太網(wǎng)的速率提高而得到解決。

傳輸控制協(xié)議/因特網(wǎng)互聯(lián)協(xié)議的封裝。傳輸控制協(xié)議/因特網(wǎng)互聯(lián)協(xié)議是分層結(jié)構(gòu)的，每個(gè)協(xié)議都有自己特定的數(shù)據(jù)格式，發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，首先添加傳輸控制協(xié)議/因特網(wǎng)互聯(lián)協(xié)議的首部信息并將數(shù)據(jù)交給下層，下層也要添加自己的首部信息并送交下層，依次直至最后以層協(xié)議。這樣數(shù)據(jù)就封裝起來了。應(yīng)用層數(shù)據(jù)要在以太網(wǎng)進(jìn)行傳輸，就必須按照以太網(wǎng)的幀格式進(jìn)行封裝，并且逐級(jí)封裝，因?yàn)閁DP，TCP，ICMP等協(xié)議都可以向網(wǎng)絡(luò)的IP協(xié)議傳送數(shù)據(jù)，因此，IP數(shù)據(jù)包中必須對(duì)IP的上層協(xié)議進(jìn)行不同的標(biāo)識(shí)。網(wǎng)絡(luò)層的IP協(xié)議，以及地址解析協(xié)議ARP都可以向鏈路層傳送數(shù)據(jù)，因此也必須在以太網(wǎng)的幀首部中加入指明數(shù)據(jù)來源的類型域。

小型范圍內(nèi)的家電內(nèi)部組網(wǎng)我們采用控制器局域網(wǎng)絡(luò)總線，控制器局域網(wǎng)絡(luò)總線具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)，靈活性高，成本低和可靠性好等特點(diǎn)。因特網(wǎng)的接入方式采用以太網(wǎng)接入因特網(wǎng)，并且以太網(wǎng)技術(shù)非常成熟，已經(jīng)成為了小型局域網(wǎng)的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，也符合小型嵌入式系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。

6 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)包括神經(jīng)元芯片和單片機(jī)的程序設(shè)計(jì)，神經(jīng)元芯片采用Neuron C語言，單片機(jī)采用C語言，神經(jīng)元芯片的程序設(shè)計(jì);Neuron C是一種專門為Neuron芯片的程序設(shè)計(jì)語言，它在標(biāo)準(zhǔn)的C基礎(chǔ)上進(jìn)行了自然擴(kuò)展，是一個(gè)開發(fā)LonWorks的有力工具，單片機(jī)的程序設(shè)計(jì)包括網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序，移植lwip 協(xié)議棧，單片機(jī)和神經(jīng)元芯片的通信程序，用C51語言設(shè)計(jì)，一網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序，二移植lwip協(xié)議棧，三網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計(jì)。