嵌入式WiFi技術(shù)淺析

目前，IEEE802.11無線局域網(wǎng)標準在語音通信、無線辦公等領(lǐng)域廣泛應用，但主要還是局限在PC機、筆記本電腦等通用平臺的無線通信。無線局域網(wǎng)在信息家電、工業(yè)控制、移動手持設(shè)備等嵌入式環(huán)境中的應用需求日益增多。如何在嵌入式系統(tǒng)中整合WLAN寬帶通信，成為嵌入式系統(tǒng)應用中的一個熱點。

1 IEEE802.11b無線局域網(wǎng)

IEEE802.11系列包括IEEE802.11、IEEE802.11a、IEEE802.1lb、IEEE802.1lg四個標準?，F(xiàn)階段IEEE802.11b的產(chǎn)品比較多。本文主要針對IEEE802．1lb標準，介紹嵌入式WiFi的實現(xiàn)。

IEEE802.11b標準是在IEEE802.11的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，工作在2.4 GHz頻段，采用CCK調(diào)制技術(shù)，最高傳輸率能夠達到11Mbps，具有部署方便、通信可靠、抗干擾能力強、成本低、靈活性好、移動性強、高吞吐量等特點。它使得無線用戶可以得到以太網(wǎng)級的網(wǎng)絡性能、速率和可用性，并且可以無縫地將多種LAN技術(shù)集成起來，形成一種能夠最大限度地滿足用戶需求的網(wǎng)絡。WiFi是WirelessFidelity的縮寫，專指IEEE802.11b無線標準。在介紹IEEE802.11b的工作模式之前，首先介紹幾個基本的概念。

1.1 IEEE802.11b基本概念

STA是指接入無線媒介的部分，常被稱為網(wǎng)絡適配器或者網(wǎng)絡接口卡。STA可以是移動的，也可以是固定的。每個STA都支持鑒權(quán)(authentication)，取消鑒權(quán)(deauthentication)，加密和數(shù)據(jù)傳輸?shù)取?/p>

基本服務集BSS(Basic Service

Set)是IEEES02.11b

局域網(wǎng)的基本構(gòu)成單元，基本服務集中可以包含多個STA。BSS基本服務集都有一個覆蓋范圍。在該覆蓋范圍內(nèi)基本服務集的成員STA可以保持相互通信，每個BSS有一個基本服務集識別碼BSSID。

獨立的基本服務集IBSS(Independent

BSS)是最基本的IEEE802.11b局域網(wǎng)類型，一個最小的IEEE802.11b局域網(wǎng)可以僅僅包含兩個STA。在這種模式下，STA能夠直接通信。因為這種類型的IEEES02.11b局域網(wǎng)通常在需要的時候才安排，所以這種網(wǎng)絡工作模式通常被稱為ad

hoc(拉丁語，可譯為“自組網(wǎng)”)模式。站點(STA)與基本服務集(BSS)之間的相互關(guān)系嵌??模琒TA可以自由地開機、關(guān)機、進入或離開BSS覆蓋范圍。

DSS(Distribution System

Service)，用于連接多個BSS。由于物理層覆蓋范圍的限制決定了所能支持的STA與STA之間的直接通信距離。為了解決這個問題，引入DS(Distribution

System)，它可以把多個BSS構(gòu)成一個擴展的網(wǎng)絡。

    AP是Access

Point簡稱，一般翻譯為“無線訪問節(jié)點”或“橋接器”。主要在媒介訪問控制層MAC中扮演無線工作站及有線局域網(wǎng)絡的橋梁。

    ESS(Extended

Service

Set)，DS和多個BSS允許IEEE802.11構(gòu)成一個任意大小和復雜的無線網(wǎng)絡。IEEE802.11b把這種網(wǎng)絡稱為擴展服務集網(wǎng)絡。同樣，ESS也有一個標識的名稱，即ESSID。

1.2 IEEE802.11b的工作模式

    IEEE

802．1lb有兩種工作模式：Ad-hoe和Infra—structure模式。IEEE標準以獨立的基本服務集(IBSS)來定義Ad-hoc模式工作的客戶端集合，以基本服務集(BSS)定義以Infrastructure模式工作的客戶端集合。

   

在Ad-hoc模式中，客戶端不能直接和網(wǎng)絡外其他的客戶端通信。Ad-hoc模式的設(shè)計目的是使在同一個頻譜覆蓋范圍內(nèi)的客戶間能夠互相通信。如果一個Ad—hoc網(wǎng)絡模式中的客戶想要和該網(wǎng)絡外的客戶通信，則該網(wǎng)絡中必須有一個客戶做網(wǎng)關(guān)并執(zhí)行路由功能。

   

而在Infrastructure模式中，每一個客戶將其通信報文發(fā)向AP.AP轉(zhuǎn)發(fā)所有的通信報文。這些報文可以是發(fā)往以太網(wǎng)的，也可以是發(fā)往無線網(wǎng)絡的。這是一種整合以太網(wǎng)和無線網(wǎng)絡架構(gòu)的應用模式。無線訪問節(jié)點負責頻段管理及漫游等指揮工作。一個AP最多可連接1024個站點。

2 嵌入式WiFi的設(shè)計

   

嵌入式WiFi的結(jié)構(gòu)與標準PC／OS平臺上的實現(xiàn)有所不同。要在普通的微處理器／微控制器上實現(xiàn)WiFi通信，其硬件結(jié)構(gòu)、軟件層次都必須進行裁減。下面以Prism

MAC為例說明嵌入式WiFi的軟、硬件設(shè)計。

2.1 嵌入式WiFi的硬件設(shè)計

   

嵌入式環(huán)境中WiFi的硬件接口如圖1所示。與標準平臺相比，中間沒有PCMCIA橋。圖1是嵌入式環(huán)境中的PC2MCIA接口的網(wǎng)卡與總線開放MCU的連接。

 

    由于Prism

MAC包括Memory space和I／O memory兩個空間，所以需要兩個片選通過或門控制讀寫空間的選擇。PCMCIA封裝的Prism

MAC有26根地址線，驅(qū)動Prism

MAC僅僅需要地址線A0～A9，其他地址線全部接地。對于總線不開放的處理器，可以使用I/O口線模擬的方式進行讀寫。

2.2嵌入式WiFi的軟件設(shè)計

   

在WinCE、Linux等操作系統(tǒng)環(huán)境下，可以使用廠家提供的設(shè)備驅(qū)動來使用WiFi網(wǎng)卡。這種系統(tǒng)一般對硬件資源(如CPU性能、存儲器容量等)有較高的要求。對于許多嵌入式應用，由于硬件資源的限制，很多系統(tǒng)都在簡單OS(如uC／0S等)或無0S的環(huán)境下運行，這時就需要對整個軟件協(xié)議作適當?shù)牟脺p。圖2是嵌入式WiFi的軟件結(jié)構(gòu)。

 

   

圖2中，TCP／IP協(xié)議的實現(xiàn)在許多文章中已經(jīng)有較多的講述。這里主要以Prism MAC為例，介紹無限網(wǎng)絡驅(qū)動，即嵌入式WiFi的驅(qū)動。

   

Prism MAC提供給用戶一組接口寄存器，通過這些寄存器和Prism MAC進行通信。這些寄存器位于Attribute

Memory[2]空間中，可以使用AttribLlte Memory地址直接訪問。表1列出了PRISM MAC的常用寄存器及其定義。

 

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為了讀寫這些寄存器，定義了兩個函數(shù)：unsigned int getReg(unsigned int reg)和void selReg(unsigned int reg，usnigned int val)。

Prism MAC驅(qū)動就是向命令寄存器發(fā)命令來操作MAC。常用的命令有分配buffer、查詢網(wǎng)卡狀態(tài)、初始化網(wǎng)卡、讀數(shù)據(jù)、寫數(shù)據(jù)等。

    Prism MAC驅(qū)動程序需要為上層提供MAC的讀寫函數(shù)和一些控制函數(shù)，實現(xiàn)的函數(shù)原型如下：

    void init_mac(void)

    void reset_mac(void)

    WORD wc_write(WORD*buff，WORD len)

    WORDwc_read(WORD*buff，WORDmaxlen)

    B00L get_wlan(void)

   

reset_mac(void)用于在系統(tǒng)啟動或者系統(tǒng)需要復位時，復位Prism MAC，同時對驅(qū)動使用的變量進行初始化。inh_mac(void)函數(shù)完成初始化網(wǎng)絡控制器和固件，同時向網(wǎng)卡控制器申請使用的buffer，保存需要用到的RID。wc_write(W0RD*burf，W0RD

len)函數(shù)把buff中的len個字節(jié)寫入到MAC的發(fā)送緩沖區(qū)，然后寫發(fā)送命令到網(wǎng)卡的命令寄存器發(fā)送數(shù)據(jù)，函數(shù)返回實際發(fā)送的數(shù)據(jù)長度。wc_read(WORD*buff，WoRD

maxlen)函數(shù)接收輸入數(shù)據(jù)。返回實際收到的數(shù)據(jù)長度，對上層協(xié)議來講，調(diào)用wc_read以后，可以對buff中的數(shù)據(jù)做協(xié)議分析。對于TCP/IP來講，實際上取出的可能是IP、ARP等類型的報文。get_wlan(void)通過訪問EvStat寄存器判斷是否有數(shù)據(jù)被接收，返回判斷結(jié)果。若有，則把PrismMAC數(shù)據(jù)幀收入到共享數(shù)據(jù)區(qū)中。本函數(shù)只是把PrismMAC的數(shù)據(jù)幀首部讀出，相當于是以太網(wǎng)幀的首部。讀出的數(shù)據(jù)格式為

 

   

上層協(xié)議調(diào)用get_wlan以后，如果返回值是TRUE，就可以訪問目的地址、源地址、幀類型等變量，以判斷是否處理收到的數(shù)據(jù)。如果是需要接收的數(shù)據(jù)，可以調(diào)用wc—read讀取數(shù)據(jù)。

3 嵌入式WiFi在醫(yī)療監(jiān)護中的應用

   

嵌入式WiFi在許多領(lǐng)域有著廣泛的應用。這里介紹一個嵌入式WiFi的具體實現(xiàn)——移動監(jiān)護系統(tǒng)。該監(jiān)護系統(tǒng)用于醫(yī)院病人監(jiān)護，采用嵌入式WiFi技術(shù)，可在移動環(huán)境下，對被測對象進行數(shù)字分組、實時監(jiān)測。

3.1 硬件結(jié)構(gòu)

   

移動監(jiān)護系統(tǒng)由服務器和多個移動監(jiān)護器組成。服務器端包括1臺PC或者筆記本電腦、1個無線AP和1個報警器，硬件結(jié)構(gòu)和連接方式都比較簡單，在此不再說明。

移動監(jiān)護器的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

 

   

圖3中，移動監(jiān)護器的硬件結(jié)構(gòu)包括電源模塊、壓力傳感器模塊、加速度傳感器模塊和無線網(wǎng)卡模塊。

   

移動監(jiān)護器使用Ti的超低功耗微控制器MSP430F148作為CPU。加速度傳感器模塊使用AD公司的加速度傳感器ADXL202，用于運動加速度測試，或重力加速度的測量，分析傾斜度，即用于病人跌倒測試。壓力傳感器使用Motorola醫(yī)療專用的MPX2300DT，具有良好的低電壓工作特性和線性輸出，用于脈搏測量。

    電源使用3．6

V電池供電，經(jīng)過簡單電壓變換即可滿足移動監(jiān)護器電源要求。無線網(wǎng)卡采用基于IntersilPrism2芯片集的PCMCIA網(wǎng)卡。它是一款I(lǐng)EEE802.11b兼容網(wǎng)絡適配器。

3.2 軟件結(jié)構(gòu)

   

ad-hoc模式下，移動監(jiān)護器和服務器間的距離很短。為了增大監(jiān)護范圍，移動監(jiān)護系統(tǒng)工作在Infrastructure模式，服務器端的AP和移動監(jiān)護器都相當于一個STA，移動監(jiān)護器與服務器可以在不同的BSS中。移動監(jiān)護器、AP所在的BSS共同構(gòu)成一個ESS，使用DSS通信。

   

服務器端軟件模塊主要用于從網(wǎng)絡接收到的數(shù)據(jù)中分離出斜度、移動監(jiān)護器配置信息、脈搏信息，并根據(jù)信息報警，對移動監(jiān)護器進行控制。

   

移動監(jiān)護器的軟件模塊如圖4所示。移動監(jiān)護器主要完成加速度(斜度)數(shù)據(jù)的采集、脈搏信號的采集、數(shù)據(jù)的收發(fā)、傳感器的啟?？刂?。其軟件可劃分為兩個層次：應用層和驅(qū)動層。陰影部分為硬件驅(qū)動層，驅(qū)動層以上為應用層。

 

   

移動監(jiān)護系統(tǒng)由于采用嵌入式WiFi技術(shù)，支持數(shù)字分組，可以根據(jù)需要對被測對象分組檢測，同時進行實時數(shù)據(jù)傳輸；保證了監(jiān)護的可靠性與準確性，在實際使用中有很好的效果。