系统横向发展：嵌入式使能技术及其在智能电能和医疗保健领域的应用

　　摘要

　　虽然某些研究人员起初对互联网架构用于传感器网络持有怀疑的态度，但是抛弃某些组织独有或非开放标准的解决方案，转而接受互联网协议已成为今天嵌入式技术领域的大趋势。此外，在纵向系统内，传感器只用于特定应用领域；而在横向系统内，一个应用可使用多个设备，反之，多个应用可使用同一个设备，为降低成本，缩短上市时间，系统需要从纵向向横向转变。智能网关是实现这个长期转变的关键系统组件，因为它可以连接不同的链路层技术（e.g. 802.15.4， BT， PLC， etc…），能够将网络设备集成至面向服务的架构。我们将以智能能源和医疗保健领域为例介绍实现这个构想的解决方案。

　　虽然某些研究人员起初对互联网架构用于传感器网络持有怀疑的态度，但是抛弃某些组织独有或非开放标准的解决方案，转而接受互联网协议已成为今天嵌入式技术领域的大趋势。事实上，随着最近32位微控制器的性能提升和高度优化的协议栈软件的出现，在智能物体上增加IP连接已经可行。事实上，这些IP协议栈的典型要求很低，运行轻量级操作系统且有8KB可用RAM空间的微控制器即可满足这些需求。广泛部署基于IP的智能物体网络，为越来越多的应用服务，这在几年前似乎还很难想象，而今天已变得可行。

　　此外，在纵向系统内，传感器只用于特定应用领域；而在横向系统内，一个应用可使用多个设备，反之，多个应用可使用同一个设备，为降低成本，缩短上市时间，系统需要从纵向向横向转变。按照我们的观点，系统从纵向向横向转变是一个长期过程，实现这个过程需要几个重要使能技术，互联网协议是其中之一。互联网协议可以构建一个统一的网络架构，使应用服务器无需翻译协议即可连接设备。此外，通过在最小的设备内部署基于IPv6的架构，可以利用最先进的顶层协议标准化技术。限制性应用协议（CoAP）就是其中一个，按照这个协议可以开发轻量级的嵌入式网络服务，这些服务可以曝露设备资源（如传感器），准许来自不同领域的业务逻辑访问这些资源。从这个意义上讲，IPv6协议和智能物体所用的相关顶层技术可帮助系统向横向转化。

　　现在我们看一个采用上文提到的开放技术替代专有解决方案的应用领域：新出台的智能能源规范第2版（SEP 2.0）。该规范规定了一个输电和用电管理协议，并通过定义新的增值服务，给电力公司和用电户带来好处。最新的互联网协议（IPv6）栈的应用可提高不同厂商及其物理层接口之间的互动性。意法半导体领跑该领域的研发竞赛，推动高效节能产品上市。内置802.15.4接口的STM32W微控制器支持SEP 2.0的很多先进功能，例如，预付费服务、负载响应和能源需求管理。这是一款高代码密度微控制器，片上存储器容量提高到256KB，基于ARM® Cortex™-M3处理器内核，可用于开发兼容SEP 2.0标准的智能电网应用。

　　从长远看，医疗保健是另一个很可能走上述路线的应用领域。在这个领域，穿戴式医疗设备在监测病症和提前诊断方面具有很大的优势。远程健康监视系统是由各种设备组成，其中包括传感器和人体网关。传感器可监测生命体征参数，例如，心电图（ECG）、心率、身体活动、血压和体重等等，在这里就不一一列举了。人体网关是一个穿戴式设备，用于采集并发送传感器数据到远程应用服务器。从连接角度看，传感器与人体网关通信采用了不同的链路层技术，例如，Bluetooth/Bluetooth LE、 IEEE 802.15.4等。6LoWPAN标准适配层使 802.15.4和 Bluetooth LE通信可以使用IPv6 协议。意法半导体为生化相关应用领域提供先进的传感器和连接解决方案。

　　网关是另一项重要的横向集成使能技术。作为系统组件，网关位于设备区域网与互联网之间，承担两项重要任务：将不同的链路层技术连接在一起，准许网络设备集成到面向服务的架构（SOA）。关于第一项任务，值得一提的是，目前链路层技术市场呈现诸侯分割的局面，不同的应用和法规要求造成各种解决方案并存。至于第二项任务，将不同网络（人体/个人区域/局域/）内的设备集成到面向服务的架构内有很多好处，例如，通过明确定义的接口，基于互联网的应用可以使用远程服务。因此，在分布式应用中的传感器/执行器控制和数据交换因互联网服务的使用而变得更容易，网关可整合和补充从多个节点采集的数据。除上面提到的两项任务外，网关还有其它功能。例如，从数据安全角度看，网关可防止外部攻击传感器节点，执行访问权限控制。此外，网关的高速数据缓存功能还有助于延长传感器电池的使用寿命。

　　图1给出了从应用到设备的总体架构。

　　图1 – 总体系统架构

　　意法半导体为这个低成本高能效网关提供很多元器件，特别是网关的核心系统级芯片和用于与设备区域网互动的各种连接器件。