无线网络实现嵌入式系统的自主通信功能

无线网络正在成为嵌入式系统以及移动/便携式设备的默认连接选项。这些系统利用多种数据格式和网络风格，从网状网络到对等网络，再到完整的LAN/WAN环境。这些网络有两个主要类别：M2M（机器到机器）通信和用户驱动（C2N计算机到网络）通信。传感器的增加正在推动M2M世界达到与内容消费相媲美的流量水平。这要求嵌入式系统具有自主通信系统，可以与现有功能并行工作，无需主动管理即可处理网络端。

互联世界

最近的一份报告表明，互联世界将很快支持超过500亿台连接设备。到2020年将会有：

大多数这些设备不是用户操作的，而是机器对机器连接的设备.1000亿个处理器，每个处理器都能处理信息并连接。

30亿用户拥有24小时购买信息的资源 - 这些用户通常拥有5个

30亿台智能电表（电力，水和煤气）

超过全球15亿辆汽车，不包括电车和铁路。

Over

这些自治连接将持续向基于云的接收设备网络发送小数据包，然后分析并响应数据。

下一阶段的连接将是来自这些网络向设备响应对数据执行的分析。这些设备分三部署：网络化消费电子产品，网络化产业，以及其他所有产品（见图1）。

图1：波浪网络设备中的设备（第二波）既针对用户生活方式的改进价值，又提高了流程效率。这些设备中的大多数使用与用户/计算机到网络接口不同的数据模型。连接到网络的消费者这样做是为了传输大量内容 - 视频，音频，高分辨率静止图像和大型技术/商业文档。另一方面，M2M通信往往是状态，更新和情境数据的小分组传输。这些数据流可通过IEEE 802.15.4，IEEE 802.11和Bluetooth®等无线协议进行管理，而不是传统的有线IEEE 802.3和IEEE 802.14网络。

网络设备架构

工业和家庭自动化市场为其网络配置提供标准的基于以太网的结构。配置基于机器收集的传感器和信息，然后将其发送到集中处理器。该集中处理器处理数据包准备以及网络接口握手。由于中央处理器正在处理网络接口，因此连接路径可以自主且高度可靠。该架构还支持多个OS和RTOS环境，因为网络的I/O是处理器核心的标准功能。

构建系统的关键是选择正确的网络协议以最小化数据流和系统资源的加载。这些网络组件有两种形式 - 具有本地处理器和MAC的完全独立网络接口或具有在系统处理器中处理的MAC和软件协议栈的网络PHY块。选择使用哪个系统应该基于嵌入式系统处理器的处理带宽和能力，数据发送频率，发送的数据量以及网络上的流量。

了解不同网络的工作原理非常重要。 802.11接口充满了以太网协议，带有单个或多个天线以及无线和无线连接的无线电。使用所有可用选项会产生最高开销，但支持最大量的数据。要了解如何连接此协议，Digi-Key网站上提供了几种引物。 Microchip嵌入式以太网产品培训模块中提供的信息概述了IEEE 802.11连接标准以及产品应如何使用该接口。

类似地，解释了作为ZigBee协议一部分的网状网络来自飞思卡尔的其他培训材料。这些材料包括ZigBee®产品培训模块，飞思卡尔ZigBee解决方案和飞思卡尔ZigBee技术概述。最后，美国国家半导体提供点对点蓝牙网络接口的培训。他们的LMX9838蓝牙模块有一个产品培训视频，解释了协议的基本知识以及如何正确传输数据。

802.11 b/g

标准的计算机到网络通信格式无线是802.11。对于嵌入式应用，单个天线和无线电系统使用协议的b和g版本。这些网络通常用于具有大数据的系统 - 位置，位置，多个传感器，图像数据，语音和声音数据以及与操作员的通信。当与运营商一起使用时，通常存在两种协议：用于计算机到机器通信的802.11数据信道和用于操作员到计算机通信的辅助低带宽信道（通常是无线USB或蓝牙）。这些传输协议可以通过两种模式实现：嵌入式和独立式。

在嵌入式端，无线连接由收发器和模拟前端（PA，LNA，MUX等）组成。收音机和天线。收发器，如Quatech/DPAC Technologies的Airborne WLNG-BR-DP551，提供完整的服务器形式，带有控制软件和固件，因此这些单元可以作为标准I/O功能集成到系统设计中（参见图2） 。这些收发器模块的接口通常来自内部数据存储器，通过双UART通过SPI作为直接连接到器件的嵌入式处理核心。对于核心系统的标准I/O接口，设备使用串行端口（RS-232/422/485）或10/100以太网PHY。收发器模块包含以下内容：

802.11b/g和通用802.11协议无线电驱动程序

TCP/IP堆栈，UDP，telnet或FTP服务器

数据桥接和缓冲

通过命令行界面进行软件控制

通过Web界面进行软件控制

带证书的WPA请求者（包括WEP， WPA2和802.11i支持）

图2：机载802.11企业设备服务器模块（由Quatech/DPAC技术提供）。

此接口的第二个组件是实际的模拟RF组件。由于基带频率的信道间隔很小，因此不同频率需要不同的放大器对。 802.11b和g规范使用以2.4 GHz为中心的基带频率，蓝牙也是如此。 Skyworks Solutions，Inc。的SE2611T等产品具有多个模块，可同时使用802.11协议和蓝牙（参见图3）。虽然可以使用单个部件创建RF功能，但前端模块（FEM）很受欢迎，因为它们集成了功率放大器，功率检测器，陷波滤波器以及相关匹配，开关和低噪声放大器的功能以及奖励蓝牙端口。这样只留下与标准50Ω天线的连接即可完成接口。

图3：Skyworks SE2611T 2.4 GHz前端模块（Courtesy Skyworks） Solutions，Inc。）。

通过使用集成部件和已知的收发器，FCC和系统的环境认证已经得到解决，节省了时间和金钱。 802.11n的5 GHz基带需要单独的前端，例如Skyworks SE5007T（见图4），由于频带差异而不包括蓝牙。

图4：Skyworks SE5007T 5 GHz前端模块（Courtesy Skyworks Solutions，Inc。）。

蓝牙，ZigBee和SNAP网络

大多数M2M通信将在低数据速率连接上为主网络使用蓝牙，ZigBee和SNAP格式。关键特性是小数据集。这些数据格式的协议基于标准TCP/IP接口，并且它们具有用于其自己的数据格式的子协议。图5显示了蓝牙堆栈如何与标准协议重叠。蓝牙模块与802.11接口略有不同。除非将它们集成到具有共享RF前端的核心处理器中，否则蓝牙模块往往会与USB接口。

图5：蓝牙网络Stack（蓝牙SIG提供）。

来自Roving Networks，Inc。的RN-270M，Laird Technologies的BRBLU03-010A0和BlueRadios，Inc。的BR-USB-BTV2等公司的模块.1蓝牙适配器通常使用USB接口。这些模块包括完整的蓝牙v2.0通用接口，具有完整的收发器，自适应跳频功能，用于寻找无干扰的无线信道，高速（高达3 Mbps），内置天线滞后，支持长达300米的连接范围，与Windows®具有完全即插即用的兼容性，与处理器核心类型无关。蓝牙无线电以点对点的方式运行，要求外围设备直接与重复的接入点或拥有所收集数据存储库的主处理计算机通信。

图6：ZigBee Smart Energy连接（由ZigBee联盟提供）。

比点到点更常见的连接是网状网络。这些都包含在IEEE标准802.15.4中。这些设备不是在单个设备和归属位置之间通信，而是在彼此之间作为对等方进行通信，尽管数据可以通过网络跳过以到达归属位置。这种方法非常可靠，可以覆盖很长的距离，因为设备之间的距离是限制因素，而不是从家庭位置到终端设备的距离更长。

有几种不同的协议源自IEEE标准802.15.4。最受欢迎的是ZigBee。与蓝牙一样，它使用标准化的PHY模块和无线电，然后支持顶层有应用层的MAC层。这种格式的灵活性和高可靠性 - 可用作收发器，开发套件，完整无线电套件以及来自Atmel，Panasonic，Digi International，Rabbit Semiconductor和NXP Semiconductors等多家供应商的嵌入式模块，使其成为智能的首选网络能源监测。图6显示了ZigBee智能能源基础设施，其中包括家庭网络设备，办公网络设备和公用事业公司，所有这些都作为单个分布式网状网络连接，外部连接通过智能电表连接到网格接口。在某些情况下，该智能电表实际上不是通过无线链路而是通过电力线网络连接连接到电力公司。 ZigBee和802.15.4网络与其他802网络协议互操作，以实现复杂的网络配置。

ZigBee协议的另一种替代方案是SNAP网络。 SNAP也是802.15.4网状网络，支持相同的PHY模块和无线电。 Synapse Wireless已经创建了完整的收发器模块和收发器/网关模块，可在2.4 GHz和900 MHz频段运行（参见图7）。这些模块的一个独特功能是自配置功能。它们包括一个完全嵌入式Linux 32位控制处理器，允许从USB 2.0和10/100以太网连接，然后通过DHCP配置到TCP/IP堆栈。该技术可通过集中控制台和免费下载软件进行管理。 SNAP利用网状网络连接跨越很远的距离，将不同的设备带入一个通用的工业网络。

图7：Synapse SNAP网络配置（礼貌Synapse Wireless）