嵌入式WiFi技術是當前無線網(wǎng)絡應用的一個熱點本文介紹IEEE802...

1、嵌入式WiFi技術是當前無線網(wǎng)絡應用的一個熱點。本文介紹IEEE802.11b的基本技術，給出一種在 嵌入式環(huán)境中的 WiFi通信設計方案；通過一個移動監(jiān)護系統(tǒng)的具體實現(xiàn)， 說明方 案的有效性。關鍵詞IEEE802.11b嵌入式WiFi TCP/IP移動監(jiān)護目前，IEEE802.11無線局域網(wǎng)標準在語音通信、無線辦公等領域廣泛應用，但主要還是WLAN寬帶通局限在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 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)IEEE802.1

2、1 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 的基礎上發(fā)展起來的，工作在2.4 GHz頻段，采用CCK調(diào)制技術，最高傳輸率能夠達到11 Mbps，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技術集成起來，形成一種能夠最大限度地滿足用戶需求

3、的網(wǎng)絡。WiFi是 Wireless Fidelity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；痉占?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

4、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(IndependentBSS)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 互關系是動態(tài)的， STA 可以自由地開機、關機、進入或離開 BSS 覆蓋范圍。D

5、SS(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(Distribut ion 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。 IEE

6、E802.11b 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 Infra structure 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)

7、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 102 4 個站點。2 嵌入式 WiFi 的設計嵌入式 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

8、嵌入式 WiFi 的軟、硬件設計。2 1 嵌入式 WiFi 的硬件設計嵌入式環(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。For personal use only in study and research; not for commercial useMCUPrism MAC圖1嵌入式WiFi的硬件接口由于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Pri

9、smMAC僅僅需要地址線 A0A9，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的軟件設計在WinCE、Linux等操作系統(tǒng)環(huán)境下，可以使用廠家提供的設備驅(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0S（如uC /OS等）或無OS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

10、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 Memory2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。表1 Prism MAC常用寄存器名稱寄存器定義說明CommandWC_REG_CMND命令寄存器用于寫命令EvStatWCREG_EVSTAT事件狀態(tài)寄存器確定某事件發(fā)生IntEnWC_REGINTEN中斷使能寄存器EvAckWC_REG_EVACK事件確認寄存器通題PRISMMAC某事件得到確認RxFIDWC_REG

11、_RXF1D接收數(shù)據(jù)的內(nèi)存緩沖區(qū)句柄 (鞏D)的存放寄存器、可以訪問 Prism MAC的數(shù)據(jù)緩沖的FIDAllocFIDW(LREG_ALLOC：_FID分配到的存儲器緩沖的FTD寄存器為了讀寫這些寄存器，定義了兩個函數(shù)：unsigned int getReg(unsignedint reg)和voi d 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。應用接口UDPTCP1P 及 ICMPARP無線網(wǎng)絡驅(qū)動圖2嵌入式WiFi

12、軟件結(jié)構(gòu)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)BOOL 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

13、。wc_write(W0RD*burf ，W0RD len)函數(shù)把buf f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Pris

14、mMAC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)格式為目的地址 源地址幀類型6個八位組6個八位組2個八位組上層協(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在許多領域有著廣泛的應用。這里介紹一個嵌入式WiFi的具體實現(xiàn)一一移動監(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，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

15、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。MSP430F148GP10JTAGTimer圖3移動監(jiān)護器硬件框圖圖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

16、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IEEE802 . 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D SS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

17、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)、傳感器的啟停控制。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。數(shù)據(jù)處理與系統(tǒng)控制無線數(shù)據(jù)接收與1發(fā)送斜度采集脈搏采集UDPTCP加速度傳感器 驅(qū)動壓力傳感器IP 及 ICMPARP無線網(wǎng)絡騾動圖4移動監(jiān)護器軟件模塊移動監(jiān)護系統(tǒng)由于采用嵌入式WiFi技術，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。隨著流動電話、手提電腦及個人數(shù)碼助理( PDA)等個人流

18、動裝置(mobile devices)的普及，使用無線網(wǎng)絡的用戶正在日益增加。作為一般用家，我們?nèi)绾文軌蚝煤美眠@些技術來改善我們的日常生活？以下將為其中一種無線網(wǎng)絡技術一Wi-Fi，作出一些簡單的探討：什么是 “ Wi-Fi ”( Wireless Fidelity)?所謂 Wi-Fi，其實就是IEEE 802.11b的別稱，是由一個名為無線以太網(wǎng)相容聯(lián)盟”(Wireless Ethernet Compatibility Allianee, WECA )的組織所發(fā)布的業(yè)界術語，中文譯為 無線相容認證”。它是一種短程無線傳輸技術，能夠在數(shù)百英尺范圍內(nèi)支持互聯(lián)網(wǎng)接入的無線電信號。隨著技術的發(fā)展，

19、 以及IEEE 802.11a及IEEE 802.11g等標準的出現(xiàn)，現(xiàn)在IEEE802.11這個標準已被統(tǒng)稱作 Wi-Fi。從應用層面來說， 要使用 Wi-Fi ,用戶首先要有 Wi-Fi 兼容的用戶端裝置。Wi-Fi是一種幫助用戶訪問電子郵件、Web和流式媒體的賦能技術。它為用戶提供了無線的寬帶互聯(lián)網(wǎng)訪問。同時，它也是在家里、辦公室或在旅途中上網(wǎng)的快速、便捷的途徑。 能夠訪問 Wi-Fi網(wǎng)絡的地方被稱為熱點。Wi-Fi或802.11b在2.4Ghz頻段工作，所支持的速度最高達11Mbps。另外還有兩種802.11空間的協(xié)議，包括（a）和（g）。它們也是公開使用 的，但802.11b在世界上

20、最為常用。Wi-Fi熱點是通過在互聯(lián)網(wǎng)連接上安裝訪問點來創(chuàng)建的。這個訪問點將無線信號通過短程進行傳輸-一般覆蓋300英尺。當一臺支持Wi-Fi的設備（例如 Pocket PC）遇到一個熱點時，這個設備可以用無線方式連接到那個網(wǎng)絡。大部分熱點都位于供大眾訪問的地方，例如機場、咖啡店、旅館、書店以及校園等等。許多家庭和辦公室也擁有Wi-Fi網(wǎng)絡。雖然有些熱點是免費的，但是大部分穩(wěn)定的公共Wi-Fi網(wǎng)絡是由私人互聯(lián)網(wǎng)服務提供商（ISP）提供的，因此會在用戶連接到互聯(lián)網(wǎng)時收取一定費用。幕后技術熱點場所Wi-Fi聯(lián)盟Wi-Fi聯(lián)盟（Wi-Fi Allianee ）在 Wi-Fi的發(fā)展上一直擔當著主導的角

21、色，上文所提到的無線乙太網(wǎng)相容聯(lián)盟”（簡稱 WECA，成立于1999年8月），也就是該聯(lián)盟的前身。Wi-Fi聯(lián)盟是一個非牟利的組織，會員包括有很多著名的無線產(chǎn)品生產(chǎn)商及無線服務供應商，現(xiàn)時有超過200個會員，其主要任務包括：鼓勵生產(chǎn)商在生產(chǎn)無線產(chǎn)品時采用802.11技術以推廣 Wi-Fi把Wi-Fi技術推廣至家庭用戶，SOHO用戶及企業(yè)市場測試及驗證Wi-Fi產(chǎn)品的互通性802.11a、802.11b 及 802.11g 的比較采用不同標準的無線網(wǎng)絡，會使用不同的頻譜，所支援的最高傳輸速度也會不同，更不保證兼容。所以用戶在選購用戶端接收裝置時，亦應注意到該裝置和相連之無線網(wǎng)絡在傳輸規(guī)格上的兼容

22、性。項目規(guī)格名稱802.11b802.11a802.11g標準批準時間1999年7月1999年7月2003 年 6月運作頻譜2.4GHz5 GHz2.4GHz最高傳輸速度11Mbps54Mbps54Mbps優(yōu)點低成本可同時使用多個頻道以加快傳兼容輸速度、電波不易受干擾802.11b缺點電波易受干擾、覆蓋范圍小、與 802.11b / g都電波易受速度較緩慢不相容干擾從以上比較可見，802.11b及802.11g都使用2.4GHz的公用頻譜，所以可以互相兼容 使用，但由于802.11a使用了 5GHz的公用頻譜，所以與其馀兩者不可兼容。目前來說，由 于低成本的緣故，802.11b標準最為普及。雖然 802.11a及802.11g的最高傳輸速度皆為 54 Mbps，但由于前者使用的 5GHz頻譜目前