嵌入式WiFi是当前无线网络应用的一个热点本文介绍IEEE802

1、嵌入式 WiFi 技术是当前无线网络应用的一个热点。本文介绍 IEEE802.11b 的基本技术， 给出一种在 嵌入式环境中的 WiFi 通信设计方案；通过一个移动监护系统的具体实现，说 明方案的有效性。关键词 IEEE802.11b 嵌入式 WiFi TCP/IP 移动监护目前， IEEE802.11 无线局域网标准在语音通信、无线办公等领域广泛应用，但主要还 是局限在 PC 机、笔记本电脑等通用平台的无线通信。无线局域网在信息家电、工业控 制、移动手持设备等嵌入式环境中的应用需求日益增多。如何在嵌入式系统中整合 WLAN 宽带通信，成为嵌入式系统应用中的一个热点。1 IEEE802.11b

2、 无线局域网IEEE802.11 系列包括 IEEE802.11 、 IEEE802.11a 、IEEE802.1lb 、IEEE802.1lg 四个标 准。现阶段 IEEE802.11b 的产品比较多。本文主要针对 IEEE802 1lb 标准，介绍嵌入式 WiFi 的实现。IEEE802.11b 标准是在 IEEE802.11 的基础上发展起来的，工作在 2.4 GHz 频段，采用 CCK 调制技术，最高传输率能够达到 11 Mbps ，具有部署方便、通信可靠、抗干扰能力 强、成本低、灵活性好、移动性强、高吞吐量等特点。它使得无线用户可以得到以太网级 的网络性能、速率和可用性，并且可以无缝

3、地将多种 LAN 技术集成起来，形成一种能够最 大限度地满足用户需求的网络。 WiFi 是 Wireless Fidelity 的缩写，专指 IEEE802.11b 无线 标准。在介绍 IEEE802.11b 的工作模式之前，首先介绍几个基本的概念。1.1 IEEE802.11b 基本概念STA 是指接入无线媒介的部分，常被称为网络适配器或者网络接口卡。 STA 可以是移动 的，也可以是固定的。每个 STA 都支持鉴权 (authentication> ，取消鉴权 (deauthenticatio n> ，加密和数据传输等。基本服务集 BSS(Basic Service Set&g

4、t; 是 IEEES02.11b局域网的基本构成单元，基本服务集中可以包含多个STA。BSS基本服务集都有一个覆盖范围。在该覆盖范围内基本服务集的成员 STA 可以保持相互通信，每个 BSS 有一个基本 服务集识别码 BSSID 。独立的基本服务集 IBSS(Independent BSS> 是最基本的 IEEE802.11b 局域网类型，一 个最小的 IEEE802.11b 局域网可以仅仅包含两个 STA 。在这种模式下， STA 能够直接通 信。因为这种类型的 IEEES02.11b 局域网通常在需要的时候才安排，所以这种网络工作模 式通常被称为 ad hoc( 拉丁语，可译为 “自

5、组网 ”>模式。站点 (STA> 与基本服务集 (BSS> 之 间的相互关系是动态的， STA 可以自由地开机、关机、进入或离开 BSS 覆盖范围。DSS(Distribution System Service> ，用于连接多个 BSS 。因为物理层覆盖范围的限制 决定了所能支持的 STA 与 STA 之间的直接通信距离。为了解决这个问题，引入 DS(Distri bution System> ，它可以把多个 BSS 构成一个扩展的网络。AP 是 Access Point 简称，一般翻译为 “无线访问节点 ”或 “桥接器 ”。主要在媒介访问控制 层 MAC 中扮演

6、无线工作站及有线局域网络的桥梁。ESS(Extended Service Set> ， DS 和多个 BSS 允许 IEEE802.11 构成一个任意大小和复 杂的无线网络。 IEEE802.11b 把这种网络称为扩展服务集网络。同样， ESS 也有一个标识 的名称，即 ESSID 。1.2 IEEE802.11b 的工作模式IEEE 802 1lb 有两种工作模式： Ad-hoe 和 Infra structure 模式。 IEEE 标准以独立的 基本服务集 (IBSS> 来定义 Ad-hoc 模式工作的客户端集合，以基本服务集 (BSS> 定义以 Infr astruct

7、ure 模式工作的客户端集合。在 Ad-hoc 模式中，客户端不能直接和网络外其他的客户端通信。 Ad-hoc 模式的设计目 的是使在同一个频谱覆盖范围内的客户间能够互相通信。如果一个Ad hoc 网络模式中的客户想要和该网络外的客户通信，则该网络中必须有一个客户做网关并执行路由功能。而在 Infrastructure 模式中，每一个客户将其通信报文发向 AP.AP 转发所有的通信报 文。这些报文可以是发往以太网的，也可以是发往无线网络的。这是一种整合以太网和无 线网络架构的应用模式。无线访问节点负责频段管理及漫游等指挥工作。一个 AP 最多可 连接 1024 个站点。2 嵌入式 WiFi 的

8、设计嵌入式 WiFi 的结构与标准 PC OS 平台上的实现有所不同。要在普通的微处理器微 控制器上实现 WiFi 通信，其硬件结构、软件层次都必须进行裁减。下面以 Prism MAC 为 例说明嵌入式 WiFi 的软、硬件设计。2 1 嵌入式 WiFi 的硬件设计嵌入式环境中 WiFi 的硬件接口如图 1 所示。与标准平台相比，中间没有PCMCIA 桥。图 1 是嵌入式环境中的 PC2MCIA 接口的网卡与总线开放 MCU 的连接。Prism MACMCU图1嵌入式WiFi的硬件接口因为Prism MAC 包括Memory space 和I/O memory两个空间，所以需要两个片选通过或门

9、控制读写空间的选择。PCMCIA封装的Prism MAC 有26根地址线，驱动 Prism MAC仅仅需要地址线 A0A9，其他地址线全部接地。对于总线不开放的处理器，可以使用 I/O 口线模拟的方式进行读写。2.2嵌入式WiFi的软件设计在WinCE、Linux等操作系统环境下，可以使用厂家提供的设备驱动来使用WiFi网卡。这种系统一般对硬件资源（如CPU性能、存储器容量等 有较高的要求。对于许多嵌入式应用，因为硬件资源的限制，很多系统都在简单OS（如uC/OS等或无OS的环境下运行，这时就需要对整个软件协议作适当的裁减。图2是嵌入式 WiFi的软件结构。图2中，TCP / IP协议的实现在

10、许多文章中已经有较多的讲述。这里主要以Prism MAC为例，介绍无限网络驱动，即嵌入式WiFi的驱动。Prism MAC 提供给用户一组接口寄存器，通过这些寄存器和Prism MAC进行通信。这些寄存器位于 Attribute Memory2 空间中，可以使用 AttribLIte Memory 地址直接访问。表 1列出了 PRISM MAC 的常用寄存器及其定义。表1 Prism MAC常用寄存器名称寄存器定义说明CommandWC_REG_CMND命令寄存器用于写命令EvStatWCREG_EVSTAT事件狀态寄存器确定某事件发生IntEnWC_REGINTEN中斷使能寄存器EvAckW

11、C_REG_EVACK事件确认寄存器通題PRISMMAC某事件得到确认RxFIDWC_REG_RXF1D接收数据的内存缓冲区句柄 (巩D)的存放寄存器、可以访问 Prism MAC的数据缓冲的FIDAllocFIDW(LREG_ALLOC：_FID分配到的存储器缓冲的FTD寄存器为了读写这些寄存器，定义了两个函数：unsigned int getReg(unsigned int reg>和voidMAC。常用的命令有selReg( un sig ned int reg ,usnigned int val> 。 Prism MAC 驱动就是向命令寄存器发命令来操作分配buffer、查

12、询网卡状态、初始化网卡、读数据、写数据等。应用接口UDPTCP1P 及 ICMPARP无线网络驱动图2嵌入式WiFi软件结构Prism MAC 驱动程序需要为上层提供 MAC的读写函数和一些控制函数，实现的函数原 型如下：void ini t_mac(void>void reset_mac(void>WORD wc_write(WORD*buff ，WORD len>WORDwc_read(WORD*buff , WORDmaxlenBOOL get_wla n( voidreset_mac(void用于在系统启动或者系统需要复位时，复位Prism MAC，同时对驱动使用的变

13、量进行初始化。inh_mac(void函数完成初始化网络控制器和固件，同时向网卡控 制器申请使用的 buffer，保存需要用到的 RID。wc_write(W0RD*burf ，W0RD len函数把 buff中的len个字节写入到 MAC的发送缓冲区，然后写发送命令到网卡的命令寄存器发送 数据，函数返回实际发送的数据长度。wc_read(WORD*buff ，WoRD maxlen函数接收输入数据。返回实际收到的数据长度，对上层协议来讲，调用wc_read以后，可以对buff中的数据做协议分析。对于TCP/IP来讲，实际上取出的可能是IP、ARP等类型的报文。get_wlan(void通过访

14、问EvStat寄存器判断是否有数据被接收，返回判断结果。若有，则把 PrismMAC数据帧收入到共享数据区中。本函数只是把PrismMAC的数据帧首部读出，相当于是以太网帧的首部。读出的数据格式为目的地址 源地址帧类型6个八位组6个八位组2个八位组上层协议调用get_wlan以后，如果返回值是 TRUE，就可以访问目的地址、源地址、 帧类型等变量，以判断是否处理收到的数据。如果是需要接收的数据，可以调用wc read读取数据。3嵌入式 WiFi在医疗监护中的应用嵌入式WiFi在许多领域有着广泛的应用。这里介绍一个嵌入式WiFi的具体实现一一移动监护系统。该监护系统用于医院病人监护，采用嵌入式W

15、iFi技术，可在移动环境下，对被测对象进行数字分组、实时监测。3.1硬件结构移动监护系统由服务器和多个移动监护器组成。服务器端包括1台PC或者笔记本电脑、1个无线AP和1个报警器，硬件结构和连接方式都比较简单，在此不再说明。移动监护器的硬件结构框图如图3所示。MSP430F148加速度传感器 ADXL202一ADC压力传感器ADCMPX2300DTGP10JTAGTimer工作指示GPIO无线网卡图3移动监护器硬件框图图3中，移动监护器的硬件结构包括电源模块、压力传感器模块、加速度传感器模块和无线网卡模块。移动监护器使用 Ti的超低功耗微控制器 MSP430F148作为CPU。加速度传感器模块

16、使 用AD公司的加速度传感器 ADXL202，用于运动加速度测试，或重力加速度的测量，分析 倾斜度，即用于病人跌倒测试。压力传感器使用Motorola医疗专用的MPX2300DT，具有良好的低电压工作特性和线性输出，用于脉搏测量。电源使用3 . 6V电池供电，经过简单电压变换即可满足移动监护器电源要求。无线网卡采用基于IntersilPrism2 芯片集的PCMCIA网卡。它是一款IEEE802 . 11b兼容网络适 配器。3. 2软件结构ad-hoc模式下，移动监护器和服务器间的距离很短。为了增大监护范围，移动监护系统 工作在Infrastructure模式，服务器端的 AP和移动监护器都相

17、当于一个STA，移动监护器与服务器可以在不同的 BSS中。移动监护器、AP所在的BSS共同构成一个ESS，使用 DSS通信。服务器端软件模块主要用于从网络接收到的数据中分离出斜度、移动监护器配置信息、脉搏信息，并根据信息报警，对移动监护器进行控制。移动监护器的软件模块如图 4所示。移动监护器主要完成加速度 （斜度数据的采集、脉搏信号的采集、数据的收发、传感器的启停控制。其软件可划分为两个层次：应用层和驱 动层。阴影部分为硬件驱动层，驱动层以上为应用层。数据处理与系统控制无线数据接收与1发送斜度采集脉搏采集UDPTCP加速度传感器 驱动压力传感器TP 及 ICMPARP无线网络骡动图4移动监护器

18、软件模块移动监护系统因为采用嵌入式 WiFi技术，支持数字分组，可以根据需要对被测对象分 组检测，同时进行实时数据传输；保证了监护的可靠性与准确性，在实际使用中有很好的 效果。随著流动电话、手提电脑及个人数码助理<PDA ）等个人流动装置vmobile devices ）的普及，使用无线网络的用户正在日益增加。作为一般用家，我们如何能够好好利用这些技 术来改善我们的日常生活？以下将为其中一种无线网络技术一Wi-Fi，作出一些简单的探讨：什么是 “ W-Fi ” vWireless Fidelity ?所谓Wi-Fi，其实就是IEEE 802.11b的别称，是由一个名为无线以太网相容联盟”

19、 <Wireless Ethernet Compatibility Allia nee, WECA ）的组织所发布的业界术语，中文译为无线相容认证”。它是一种短程无线传输技术，能够在数百英尺范围内支持互联网接入的无线电信号。随著技术的发展，以及 IEEE 802.11a及IEEE 802.11g等标准的出现，现在IEEE 802.11 这个标准已被统称作 Wi-Fi。从应用层面来说，要使用 Wi-Fi，用户首先要有 Wi-Fi兼容的用户端装置。Wi-Fi是一种帮助用户访问电子邮件、Web和流式媒体的赋能技术。它为用户提供了无线的宽带互联网访问。同时，它也是在家里、办公室或在旅途中上网的快

20、速、便捷的途径。能够访问 Wi-Fi网络的地方被称为热点。Wi-Fi或802.11b在2.4Ghz频段工作，所支持的速度最高达11Mbps。另外还有两种802.11空间的协议，包括（a和（g。它们也是公开使用 的，但802.11b在世界上最为常用。Wi-Fi热点是通过在互联网连接上安装访问点来创建的。这个访问点将无线信号通过短程进行传输-一般覆盖300英尺。当一台支持 Wi-Fi的设备 例如Pocket PC）遇到一个热 点时，这个设备可以用无线方式连接到那个网络。大部分热点都位于供大众访问的地方，例如机场、咖啡店、旅馆、书店以及校园等等。许多家庭和办公室也拥有Wi-Fi网络。虽然有些热点是免

21、费的，但是大部分稳定的公共Wi-Fi网络是由私人互联网服务提供商（ISP提供的，因此会在用户连接到互联网时收取一定费用。幕后技术Wi-Fi访问点Internet 连接热点场所（rj）-艸啡店机场酒唐电孑邮件、 Int ernet v 数字媒借Wi-Fi联盟Wi-Fi联盟Wi-Fi Allianee ）在Wi-Fi的发展上一直担当著主导的角色，上文所提到的无线乙太网相容联盟”简称WECA，成立于1999年8月），也就是该联盟的前身。Wi-Fi联盟是一个非牟利的组织，会员包括有很多著名的无线产品生产商及无线服务供应商，现时有超过200个会员，其主要任务包括：把Wi-Fi技术推广至家庭用户，SOHO用户及企业市场测试及验证Wi-Fi产品的互通性802.11a、802.11b及802.11g的比较采用不同标准的无线网络，会使用不同的频谱，所支援的最高传输速度也会不同，更 不保证兼容。所以用户在选购用户端接收装置时，亦应注意到该装置和相连之无线网络在 传输规格上的兼容性。项目规