基于4G-Ready的嵌入式數據通信系統研究

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據通信系統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編程語言開發應用軟件系統，能夠構成一個具有多種功能、技術性能優越和先進實用的嵌入式Wi-Fi無線通信網絡終端系統，以滿足構建城市智能交通管理、市政環境保護監控和風景區信息管理等領域的無線數據通信應用需求。

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是針對目前正在發展中的 4G通信技術的描述，目前國際上認為4G提供的數據傳輸速率一般為10～20 Mb/s,最大數據傳輸速率超過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、語音與數據通信、流媒體傳輸、集成不同模式的無線通信網絡、蜂窩信號、廣播電視到衛星通信，實現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技術與聯網

Wi-Fi的技術標準是美國電氣和電子工程師協會（IEEE，Institute of Electrical and Electronics Engineers）發布的 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，能夠在數百米范圍內支持互聯網無線接入方式。

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、科學和醫學頻段( ISM，Industrial Scientific Medical)，其數據傳輸速率為1 Mb/s，采用時分雙工傳輸方案，使用 IEEE802.15協議。本文所述的嵌入式系統配置了 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顆衛星組成。地面控制系統由監測站、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采用分離結構GPS接收機。

1.2 嵌入式（Embedded Technology）技術

嵌入式系統由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產品[2]。在當前項目中采用的EP9302系統是一個以ARM9內核處理器為核心技術的嵌入式系統。

1.2.2 嵌入式Linux操作系統

Linux是一個自由免費、開放源代碼的操作系統軟件，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]。

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

2 構建技術開發平臺

圖1所示為基于局域網的嵌入式Linux 開發平臺示意。

圖1 基于局域網的嵌入式Linux 開發平臺

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，實現在 Windows 和Linux之間的文件傳輸。

嵌入式目標系統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，實現與網絡的FTP/NFS服務器連接。

3 系統集成與軟件編制

3.1 系統目標

系統目標是在4G-Ready的框架上，構建一個高速Wi-Fi無線數據通信網絡，采集目標對象的GPS衛星定位信息和現場視頻圖像信息，由所開發的《Wi-Fi無線數據通信網絡管理系統》予以分析和處理。

3.2 系統構成

系統設計包括搭建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議；AP為無線LAN接入端點設備；Bridge是工作在數據鏈路層的網橋，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 項目系統網絡拓撲示意

項目系統包括ARM9內核的嵌入式系統模板、GPS衛星定位信息接收設備和Bluetooth適配器，完成GPS與ARM嵌入式系統的無線通信工作；IP Camera為IP地址接入型微型數碼攝像機。

3.3 系統硬件組成

3.3.1 EP9302嵌入式系統技術性能和配置

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（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初始化、配置系統時鐘和總線時鐘，通過函數 ChangMPIIValue配置系統主時鐘、函數ChangClockDivider配置總線時鐘，函數ChangMPIIValue實現數據發送和接收。

3.4.2 嵌入式系統和PC系統網絡接口程序設計

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

①ARM EP9302嵌入式系統網絡接口程序設計：網絡接口應用編程包括嵌入式系統初始化、預定義程序參數、聲明與打開Socket、監聽異地結點IP地址信息、套接Socket、發送數據包和關閉Socket等。

②PC系統網絡接口程序設計：系統數據處理服務器選用PC計算機，安裝Windows/XP操作系統，系統開發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系統網絡接口程序。

3.4.3 JSP應用程序設計

在JSP動態頁面程序中，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據通信系統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，具有數據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.嵌入式系統設計與實例開發—基于ARM微處理器與μC/OS-Ⅱ實時操作系統[M].北京: 清華大學出版社, 2008(01):63-65.

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

[4]BUFFALO.54Mbps Wireless Compact Repeater Bridge-g User Manual[R].2008:7-10.

[5］ 田澤.嵌入式系統開發與應用實驗教程[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.車輛監控系統中車載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設計[J].通信技術,2011,44(04):164-166.