Mechatronics 版 (精华区)

发信人: compotator (tired), 信区: Mechatronics
标  题: 智能家电和信息家电的Internet连接
发信站: 哈工大紫丁香 (2002年05月05日19:14:05 星期天), 站内信件

单片机已经是无处不在，特别是智能家电和信息家电，更是人们日常生活离不开的。它
们有没有必要接入Internet网？这正是当前先行者们热衷的话题。但是，毕竟各有各的
想法。作为单片机生产厂家，已经在积极探讨上网的途径。
单片机发展了20多年，从4位、8位、16位，到现在，业已能够生产32 /64位高档的单片
机。高档的单片机，无论从它们的速度和片上功能来说，足可支持直接上网，如最新式
的手机和数码相机。当然，它们的价格都不菲。
问题出在那些铺天盖地、深入日常生活的智能家用电器和小型携带的信息家电，潜入于
它们的单片机多是8位和16位的，甚至依然还大量存在着4位机。就这些家电的主要功能
而言，4/8/16位是够用的，如果仅仅是为要上Internet网，而硬要改用32位机，首先在
价格上是用户所不能接受的。电脑芯片的市场情况证明了这一点： PC机的CPU产量20年
来仅是单片机的1%；16位单片机尽管单价高于8位机，但是每年的销售额却只占8位机的
2~3分之一；32位机每年的产量增长总是最快，但是绝对产量依然是8位单片机持续遥遥
领先。所以，单片机上Internet网一定要兼顾高档机和以8位机为中心的一般单片机上网
的可行方案。
下面先探讨一下单片机接入Internet网的必要性究竟有多大，然后再讨论上网的可能方
案。
上Internet的必要性有多大？
这里主要谈智能家电和信息家电。目前，实际上人们正处于探讨和挖掘阶段，如果一些
设想能够得到大众的认同，就会兴起；认同的人越来越多，甚至会转化为生活方式；认
同的人越来越少，就会自行消失。在家用方面，最早听说的是微波炉见料自动找出具体
烹饪指南，并控温、控时，直到美味菜肴完成。也就是说，超级市场买来的速冻包装菜
料，包装印有品名代码及查询网址，微波炉读入后，随即上网下载本品的具体加工数据
进入微波炉单片机的存储器，供单片机自动控制微波炉加工完成。其实，我看一般的菜
就不必了，只要不用去法国大菜馆，上网微波炉就能做出那里饭馆的特色菜，我情愿花
这样的上网费和去买这样的微波炉来用。同样，对于上网洗衣机，能够不用我去洗染店
就能如洗染店工作流程一样，帮我洗丝绸、毛料和简单的染，我情愿花上网费去买这样
的洗衣机来用，因为我现在自己干这些事干不好。再有，对于上网空调，能够不用等坏
了再费神找修理，而能定期自动完成预防性维修，甚至进行性能更新，并留下纪录，那
么我情愿花上网费去买这样的空调来用。还有，上网电视机、上网收录机，能够不用花
费太多就能马上看到、听到世界主要城市当时上演的视听节目，我情愿花上网费去并购
买这样的电视机、收录机来用。别看现在说来象是“痴人说梦”，也许不用多久竟然“
梦想成真”。那时，我们的生活质量有谁能说不是上了一个层次呢！
上网的可能方案
台式机惯常的上网做法可以借鉴，例如，在计算机串行通信口或USB口上接入Modem（调
制解调器）凭借电话线，通过电信局安装于Internet网内的服务器进网；或者在计算机
上安装Ethernet网卡经局域网进网。台式机的上网，无论哪种方案都少不了直接或间接
来自Internet网，接到台式机的导线、电缆、或光纤。每个家庭都有不少智能家电，光
是蜘蛛网式的拉线就够烦人的了，更何况信息家电多是手持式的随人或随车船移动的，
任何连线都是不可行的。所以无线接入就倍受青睐。下面从有线到无线介绍高档和一般
单片机的Internet接入方案。
32位嵌入式计算机
32位嵌入式计算机（即高档单片机）因其本机性能和速度足够，采用设备本身功能和网
上Web浏览器功能一片到位的集成方案，并追求体型小巧，电池供电，满足携带的方便。
这类产品上网软件多模仿台式机的相关软件加以模块化，用时根据需要选用。就模块而
言，它们一般有：e-Mail模块、Web Browser模块、HTML Parser、HTTP、PPP、 SMTP、
UDP、POP、FTP、ICTP、TCP/IP等以及一些辅助模块。辅助模块有：嵌入式Java模块、加
密模块（SSL）、音频/视频模块等等。Access Systems America公司为富士通微电子公
司研制了一个名为NetFront的Web浏览器，用在富士通32位RISC结构的MB91101单片机上
。NetFront所占内存小到仅有220kB。
8 /16位单片机
针对8 /16位单片机接入Internet网的方案，已有许多尝试。
Phar Lap 公司把正常Web服务器软件中的智能部分和网络部分，尽量移出存储器不足的
单片机，放在处于Internet网中的所谓胖客户机上，那里的存储器很大，使用时，通过
远程调用，使用以DDL形式放在那里的库函数，从而把服务器软件减到25kB，称为Micro
 Web Server；与此同时，再将网络部分精简到二百多kB，使两项之和不足300 kB，可以
放进中等存储规模的单片机上。
Agent System公司创建了独特的EmWeb服务器。它在HTML文本中嵌入C语言程序，以便对
实时数据进行访问，又为HTML增加了特殊标记，使网中客户机的Web页上能够显示动态数
据，并且能与用户的应用程序接口。再将C语言库中有关Internet网的TCP/IP以及HTML、
XML等其它高层协议都合并到EmWeb服务器中，将总容量紧缩到了25 kB。
它的更大的特色还在于做了一个硬件ASIC的状态机，由它支持对HTML的多用户、多任务
的同时访问。由于状态机独立于操作系统，所以EmWeb工作时不需要操作系统的支持。但
是，为了客户的多种方便，又提供了与常用的一些著名RTOS的接口。
EmWeb已作为固件固化到上述ASIC中，方便于以一个模块的形式向智能家电、信息家电以
及工业控制中去推广应用。EmWeb在开发时，需要复合功能的开发平台。平台上应有可供
选用的标准Web工具，如Microsoft的FrontPage，MacroMedia的Dreamweaver等等；平台
还应同时支持C、Java、JavaScript的编译和支持GIF、HTML等文件格式。现用的平台人
机对话用Windows或UNIX的图形界面。
EMIT技术 从网络角度来看，最正宗的方案当属EmWare公司的EMIT技术（Embedded Micr
o Internetworking Technology），它走的是异构网的典型解决方案。为适应单片机的
环境，服务器部分刻意地减少到很小的1kB，简化到仅只保留HTML标记，其它全部移到I
nternet网中的胖客户机上；网络协议部分则放弃使用代码较长的TCP/IP等协议，换用单
片机环境使用的、十分轻型的网络协议，这个1kB服务器软件名之曰emMicro，是一个很
关键的、任何一个单片机都足以放下的微型嵌入式服务器。
emMicro有两部分：emTag对应于HTML标记；emNet对应于网络协议，二合一为emMicro。
轻型的网络协议支持在本端构筑小网，如单片机常用的RS232网、RS385网等等。如果不
接入Internet网，它们便是孤立的网；为要和Internet网进行网际联结，则须增加网关
，进行网际协议的互换。
网关可以单独设置，或结合具体条件与胖客户机结合，或独立存在或是其它。这个网关
名之曰emGateway。emGateway的Internet端还留有与另一端Web设备（单片机）可对话的
接口。如果需要，接口也可在用户的应用程序中使用。接口的典型使用方法仍是Web网页
，因网页可以在任一种浏览器下工作，灵活适应于全球网各个地域的多种计算机环境。

emMicro 中的emTag，将对应的HTML标记映射为浏览器中Java applets程序里的对象或J
PEG/GIF里的对象。这些对象名曰emObjects。Web网页的HTML能识别emTag并将它置换成
映射的对象，从而按需要以数字、图形、文本或可滑动的控制把手、操作开关、按钮、
LED等形式表现出来。网关上还可安装有DAS（Device Access Service，设备访问服务）
实用程序，由它识别、访问和监控各个挂网的设备，起集散器的作用。
上述一整套技术就是EMIT。这项技术受到许多单片机生产厂家的重视，并组织了嵌入In
ternet者联盟——ETI（Embedded The Internet Consortium），共同关心此项技术的发
展。
WAP无线通信技术
WAP（Wireless Application Protocol，无限应用协议）是1997年6月由爱立信、诺基亚
、Motorola 、UnwiredPlannet公司组织的WAP论坛所发起， 旨在定义一个立足于移动电
话本身的直接进网的标准。它首先为移动电话网服务，其次利用移动电话既有的无线信
道将传统的语音服务扩展到Internet网现存的数据服务，使当前世界两大热点——Inte
rnet网和移动电话网，得到互相支持和补充。
WAP无线通信技术规范应是一个开放的全球处处可使用的统一标准。1999年12月，WAP论
坛公布了WAP规范1.2版。WAP的硬、软件配置，在体系结构上，基本仿效www（World-Wi
de Web），也使用Server/Browser结构。但是由于移动电话网与Internet网，不仅协议
栈不同，就连物理传输层的介质也有根本的不同，一个是空气一个是导线。为此，必须
在两网之间增加网关，除去进行协议的转换之外，还要附带因物理传输介质不同导致码
流含义不同进行的翻译。
WAP规范，从体系结构到协议栈，几乎是平行于Internet规范的无线手机网的翻版，不同
的仅是WAP网一侧，由手机等设备扮演Web Browser的角色。由于手机并不精通如何扮演
Web Browser，所以有关Browser的全盘工作都委托名为WAE（Wireless Application En
vironment，无线应用环境）用户代理的软件来完成。 由于WAP网侧用的是无线码流，代
理向Internet侧的Server发出的Browser请求，实际上是编码的Browser请求，需要经网
关的解码和协议的转换，变成Internet网Browser的请求，才发向Web Server；至于Web
 Server返回的应答，则反是。WAP规范的协议栈中，每一层都可以为其上层、或其他业
务、或是应用程序通过预先定义好的接口来调用。也就是说，外部引用可以经接口直接
访问到协议栈中的会话层、事务层、安全层、乃至链路层。
WAP规范考虑了无线通信固有的弱点，如带宽窄、时延长、连接的可靠性差等等，以及手
机、手持计算设备的速度有限和资源相对不足等，在协议制定上，作了适当安排和优化
。
WAP规范的另一特色是，在协议栈的底层，安排了一个透明的承载层，它使得WAP协议栈
可以与任何现有的和未来出现的移动通信网相接口，从而把移动通信网接入Internet网
。比如现有的TDMA、CDMA、GSM、GPRS、CDPD、CSD 、USSD、SMS等移动通信网都可以经
过透明的承载层接入Internet网，担当Web Browser的角色。承载层还可为承载的通信系
统实现诸如短信息、电路交换数据、分组数据业务等，承载层还可根据吞吐量、错误率
和时延等来提供不同级别的服务。
WAP技术给手机和手持计算设备附加了Internet技术所能提供的功能，具体来说，可分三
个方面：
* 实时的公用服务。
* 个人信息服务。
* 商务服务。
WAP技术的优势和市场潜力将在最近几年内爆出。
IEEE802.11规范
IEEE802.11规定了无线网互联的技术规范，它源自Ethernet，但工作在ISM频段的2.4Gh
z。IEEE802.11只规定了开放的无线系统的互联参考模型中的物理层和媒体访问控制层（
MAC Layer）。它支持较高的数据传输率：1~11Mbps 。它只支持数据通信，且数据设备
一定要加装无线网卡，成本较高，网卡约200美元，网桥约300美元，估计以后每年会有
30%的价格递减。
HomeRF网技术
HomeRF网是一种无线局域网，专为家庭用户设计。也工作在ISM频段的2.4Ghz，传输距离
较长，可达150米，可用于语音电话、视频点播、远程教育等领域，将来有可能变成继x
DSL Cable（线缆）之后，可选的宽带网络传输规范。成本较高，且技术未公开，有碍进
一步发展。
Bluetooth无线通信技术
Bluetooth无线通信技术（Bluetooth Wireless Communication Technology）是廉价、
短程、射频通信接口，广泛用于移动设备。Bluetooth技术由Bluetooth特别兴趣小组（
BGI小组，Bluetooth Special Interest Group）开发，是无需专利许可的开放式业界规
范。
1998年5月 ，BGI小组有五家创始公司：爱立信、诺基亚、IBM、Intel和东芝。1999年7
月，正式公布Bluetooth技术标准1.0版。Bluetooth选用的基带频率为2.4GHz附近，处于
全球各地可用、无需注册、公开、免费的ISM（Industrial，Science and Medicine）频
段。不同国家和地区则据情又具体规定各自的可用频段，北美和欧洲可供使用频段有79
个，法国、西班牙、日本只有23个，每个频段间隔均为1MHz。
采用Bluetooth TDD（时分双工）方式的全双向数据传输，调制方式为GFSK，调制指数0
.28~0.35。发射功率分为三级：100mW（20dBm）， 1mW（0dBm）。通信距离：1mW（0dB
m）时为10米；100mW（20dBm）时提高到100米；但功率提高到2.5mW（4dBm）以上时，就
必须采用功率限制装置，按实际通信距离传送适当的无线功率。
Bluetooth采用时分多址（TDMA）的分包传输技术；数据限在最长为625μs的间隙内发送
；基带资料组的发送速率为1Mbps，跳频速率为每秒1600次或每秒3200次。
Bluetooth支持两类链路，即SCO（同步面向连接）链路，和ACL（异步无连接）链路。S
CO包用预定时隙传送，主传语音，速率64kbps；ACL用任意时隙传送，主传数据，速率对
不对称接线为721kbps，对称接线432.6kbps。
Bluetooth技术支持点-点、点-多点无线连接。它们是构成Bluetooth无线网的基础。Bl
uetooth无线网的基本网是由8台设备构成的微微网（Piconet），网中任何时候只允许有
一个主叫设备，其余均为从设备。主叫设备用它的时钟和跳频序列来同步各个从设备。

建立微微网之前，各设备处于待机状态，每隔1.28秒（此为唤醒周期）监听一次消息，
设备一旦被唤醒，就在预先设定的32个跳频（大多数国家这样设定）频率上监听信息，
主设备负责联网的初始化工作，它用寻呼消息（Page Message）的方式为有地址的设备
建立连接。未知地址的设备，如公用传真机，则用查询消息（Inquiry Message）建立连
接。主设备在16个跳频上发送一串相同的寻呼消息给从设备，如果没能受到应答，再改
用另外16个跳频发送相同的寻呼消息。
主设备到从设备的最大时延为2个唤醒周期，平均时延为0.5个唤醒周期。一个主设备最
多只能建立7个连接，建立了连接的从设备叫做活动从设备，未建立连接的从设备为休眠
设备（Parked Unit），只保持同步，不参加数据传送。无数据传送的活动从设备，为了
节电，可以主动申请或由主设备置为保持模式（Hold Mode）。保持模式下内部定时器仍
在工作，一旦退出保持模式立即可以参与数据传送。还有一种比保持模式更省电的监听
模式（Sniff Mode），它的监听间隔是通过编程被适当地加大。将各个独立的微微网的
主设备再点-点、点-多点无线相连构成散弹网（Scatternet）。
开发Bluetooth的目的，是想要提供一个全球可用的短距无线通信网的标准。根据IEEE8
02，每个Bluetooth设备都应有一个48位的Bluetooth设备地址码（BD-ADDR）在通过鉴别
、加密等安全审查后，构筑一个可以互相信赖的群组，保护无线连接的不受侵扰。
Bluetooth设备的硬件部分由无线射频（RF）单元、基带（Baseband）单元、和链路管理
（Link Manager）单元构成。无线射频单元按照ISM频段要求，在2.402~2.480GHz之间安
排79个带宽为1MHz的频点，跳频速率，发射功率、距离等应达到要求。基带单元负责跳
频及数据/信息帧的传输。链路管理单元负责SCO/ ACL链路管理、检错纠错、物理层的认
证和加密。
软件有多层次的、包括关于无线网特有的协议栈，如果要与Internet网相连，则还要吸
收现成的HTTP、PPP、 SMTP、UDP、POP、FTP、ICTP、TCP/IP等有关协议。在软件协议栈
和Bluetooth硬件之间还有一层主机控制接口（HCI）层。本层以上的协议层要在主机上
运行，本层以下的由Bluetooth硬件完成。通过HCI层，硬件与软件进行透明地交互。Bl
uetooth技术中，将协议进行不同的组合，可完成如下一些典型的应用模型：探知网中可
用服务及其特性、交互通信、无绳电话、传真、耳机使用、文件传输、拨号联网、局域
网接入等。
Bluetooth技术的成功关键在于成本。2000年 6月公布的第一代Bluetooth模块的成本为
20美元，开发商奋斗目标是降到5美元以下。
日立公司将其16位H8S系列的2214单片机，与Silicon Wave公司为实现Bluetooth技术微
微网的硬件部分及底层协议栈相结合的Odessey芯片组相配套，实现了点-点、点-多点无
线连接的所谓的个人域网（Personal-area Network，PAN）。其中，Silicon Wave公司
的品牌芯片组，还有SiW1501、SiW1601。SiW1501是一块7X7㎜封装的无线射频Modem芯片
，其上集成了Bluetooth无线射频收发器、2.4GHz合成器用于收/发、和Modem功能等。S
ilicon Wave使用的是带有AD/DA的直接转换式的无线射频结构，因为使用完全数字接口
，所以整个系统得到简化。SiW1501可以独立使用，也可与链路控制芯片SiW1601结合使
用。SiW1601与SiW1501可以直接接口使用。SiW1601完成数据处理、数据分组、检错/纠
错、电源控制等功能。至于日立的16位的H8S系列的2214单片机，其存储器是经配置形成
的，片上有128kB FLASH和12kB RAM；可在系统编程；片上UART是高速接口，将来还准备
增加USB接口。
红外无线通信技术（IrDA标准）
红外线是一种波长介于微波与可见光之间的电磁辐射，最早用在自动控制中，作为非接
触开关使用，利用它简单开合的逻辑能力。用于传输数据信息始于1991年，由于各厂家
使用自己的传输协议进行收发，导致不同厂家的系统之间不能通信，影响共同业务的发
展。因而，成立了红外数据协会（IrDA，The Infra-red Data Association），几乎各
个著名的半导体厂商都是会员。他们共同制定了IrDA标准V1.0~V1.2。
红外通信技术属于无线通信范畴，它将数据或信息进行编码，用红外脉冲的“有”与“
无”向外发送，对端收到后再进行解码恢复。红外线受器件物理条件的限制，发射具有
方向性。IrDA标准规定有效接受角度为30o（即发、收连线左右各15o内有效）。因红外
线只能直射不能绕行，所以收发的直线空间内不可有障碍物。但，阻断的光路一旦恢复
，系统能够自动重新连接。受到接收角度的限制，IrDA只能进行点-点的通信。
IrDA的传送速率有两种；低速红外（SIR，Slow Infra-red）2400bps~115.2kbps， 传送
距离1米；高速红外（HIR，High Infra-red）1~4Mbps， 传送距离3米。这项技术已用到
IBM PC、IntelliStation、Workpad， 它们之间以及装有IrDA接口的其他设备（如有Ir
DA接口的打印机）之间可进行点-点对话。
当发现有其它IrDA设备时，系统会向你报告，以便选择某项传输应用，然后就可以经红
外无线发送及接收数据。譬如文件的发送还是接受。Calibre公司生产了目前见到的最小
IrDA收发器模块CHX1200，体积6.8x2.8x2.2（㎜），用于移动计算或通信产品中。模块
工作电压2.7~3.6V， 工作电流95μA， 传送速率115.2kbps， 传送距离>2 0㎝。 Line
ar Technology公司生产的廉价IrDA接收芯片LT1328， 只需外接4只电容和一只红外接收
管，如TEMIC的接收管BPV22NF。LT1328使用单一5V工作电压，静态电流，2mA；脉宽1.6
ms的脉冲为“0”，无脉冲为“1”；传输率可在SIR， HIR规定的高低速率之间切换，速
率115.kbps时传输距离1米。
900MHz简单通信技术
900MHz简单通信技术实现的是与红外IrDA同样的功能，但它可改善传送方向性方面的限
制，同时可以传到远一些的距离。Micrel Semicinductor公司生产公司生产QwikRadio系
列、900MHz的 RF（无线电频率）接收器芯片MICRF003。900MHz也是全球可用、无需注册
的、公开、免费的ISM频段之内。MICRF003只需外接2只电容和一只7.12MHz的晶体，就可
无线输入，然后直接输出数据；数据传输率为2400bps，数据传输率方式为OOK（ON-OFF
 keyed，开关键控）；单一工作5V电压，电流4mA；芯片价格1.8美元。
结论
智能家电和信息家电接入Internet网方案尽管很多，但是这一领域取胜的关键还在于价
格。一旦有所突破，商机无可限量。为此，许多单片机厂家也在积极进行单片机内核的
模块化，以其快速灵活地适应市场变化而能够快速低投产，改进单片机开发平台，扩充
Internet网络软件库等等。

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