嵌入式系统中的无线技术 zigbee,bluetooth,wifi,红外协议分析

网络工程作业阶段性成果及下一步研究计划报告

题目：嵌入式系统中的无线技术 zigbee,bluetooth,wifi,红外协议分析

组长：李天祺 组员：李天祺

报告日期：2010年10月3日

一．研究内容概述：

1. 浅谈选题：

本组的研究题目是嵌入式系统中的无线技术zigbee,bluetooth,wifi,红外协议分析。这个题目对我来说既熟悉又陌生，因为嵌入式系统中的无线技术在生活中可以说处处皆是。就从人人皆知的蓝牙来说，已经成为现代手机的必备功能，而手机实际上就是一个嵌入式系统。

虽然嵌入式系统中的无线技术十分贴近我们的生活，但我对这方面的技术和原理还完全谈不上了解，仅仅驻留在了使用层面上，所以我希望在这次选题研究过程中能有收获。

2. 题目分析：要研究嵌入式系统中的无线技术首先就要了解这一方面的知识，所以对于该题目研究我想先从认识了解嵌入式系统中的无线技术开始。通过我的了解和认识，在之后的时间我将对一种或几种技术的协议进行深入了解及研究。

二．本阶段学习内容及成果：

1. 认识无线技术：

无线电：指在自由空间（包括空气和真空）传播的电磁波，是其中的一个有限频带，上限频率在300GHz，下限频率较不统一, 在各种射频规范书, 常见的有3KHz~300GHz（ITU－国际电信联盟规定），9KHz~300GHz，10KHz~300GHz。

IEEE 802.11：是当前无线局域网（Wireless Local Area Network，WLAN）的标准。它采用2GHz或5GHz频段，数据传输速率为11 Mbps或54 Mbps。

注：以上信息源于互联网

2. 认识及比对几种无线通信技术：

蓝牙：蓝牙（Bluetooth）是一种支持设备短距离通信（一般10m内）的无线电技术。能在包括移动电话、PDA、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间进行无线信息交换。蓝牙采用分散式网络结构以及快跳频和短包技术，支持点对点及点对多点通信，工作在全球通用的2.4GHz ISM（即工业、科学、医学）频段。其数据速率为1Mbps。采用时分双工传输方案实现全双工传输。

蓝牙技术优势

Bluetooth 技术在 2.4 GHz 波段运行，该波段是一种无需申请许可证的工业、科技、医学 (ISM) 无线电波段。所以，使用 Bluetooth 技术不需要支付任何费用。但必须向手机提供商注册使用 GSM 或 CDMA，除了设备费用外，您不需要为使用 Bluetooth 技术再支付任何费用。

Bluetooth 技术应用范围十分广泛，低功耗，小体积以及低成本的芯片解决方案使得 Bluetooth 技术甚至可以应用于极微小的设备中。

Wi-Fi（wai fai）：全称Wireless Fidelity，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”（Wireless Ethernet Compatibility Alliance, 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。

WIFI突出优势：

其一，无线电波的覆盖范围广，基于蓝牙技术的电波覆盖范围非常小，半径大约只有50英尺左右，而Wi-Fi的半径则可达300英尺左右。

其二，虽然由Wi-Fi技术传输的无线通信质量不是很好，数据安全性能比蓝牙差一些，传输质量也有待改进，但传输速度非常快，可以达到54mbps。

其三，厂商进入该领域的门槛比较低。厂商只要在机场、车站、咖啡店、图书馆等人员较密集的地方设置“热点”，并通过高速线路将因特网接入上述场所。这样，由于“热点”所发射出的电波可以达到距接入点半径数十米至100米的地方，用户只要将支持无线LAN的笔记本电脑或PDA拿到该区域内，即可高速接入因特网。

红外：红外传输是一种点对点的传输方式，无线，不能离的太远，要对准方向，且中间不能有障碍物也就是不能穿墙而过，几乎无法控制信息传输的进度。红外线通信技术适合于低成本、跨平台、点对点高速数据连接,尤其是嵌入式系统。

优点：红外接口可以省去下载或其他信息交流所发生的费用;由于需要对接才能传输信息，安全性较强; 

缺点：通讯距离短，通讯过程中不能移动，遇障碍物通讯中断；红外通讯技术的主要目的是取代线缆连接进行无线数据传输，功能单一，扩展性差。

Zigbee：Zigbee是IEEE 802.15.4协议的代名词。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。简而言之，ZigBee就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。

Zigbee自身的技术优势

低功耗。在低耗电待机模式下,2 节5 号干电池可支持1个节点工作6～24个月,甚至更长。这是Zigbee的突出优势。相比较, 蓝牙能工作数周、WiFi可工作数小时。

低成本。通过大幅简化协议(不到蓝牙的1/10) ,降低了对通信控制器的要求,按预测分析,以8051的8位微控制器测算,全功能的主节点需要32KB代码,子功能节点少至4KB代码,而且Zigbee免协议专利费。

低速率。Zigbee工作在20～250 kbps的较低速率,分别提供250 kbps(2.4GHz)、40kbps (915 MHz)和20kbps(868 MHz) 的原始数据吞吐率,满足低速率传输数据的应用需求。

近距离。传输范围一般介于10～100 m 之间,在增加RF 发射功率后,亦可增加到1～3 km。这指的是相邻间的距离。如果通过路由和节点间通信的接力,传输距离将可以更远。

短时延。Zigbee 的响应速度较快,一般从睡眠转入工作状态只需15 ms ,节点连接进入网络只需30 ms ,进一步节省了电能。相比较,蓝牙需要3～10 s、WiFi 需要3 s。

高安全。Zigbee 提供了三级安全模式。

注：以上信息源于互联网及相关资料

3. 认识嵌入式：

嵌入式一般可以分为四类：嵌入式微处理器MPU、嵌入式微控制器MCU、嵌入式DSP处理器、嵌入式片上系统SOC。

嵌入式微处理器MPU：由通用计算机cpu演变而来，价格及性能都较高，因去除冗余功能，所以是以最低功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求；

嵌入式微控制器MCU：典型代表是单片机，体积小，从而功耗成本底，可靠性较高，性价比高，应用十分广泛；

嵌入式DSP处理器：专门用于信号处理方面的处理器，在数字滤波、频谱分析上应用广泛；

嵌入式片上系统SOC：最求产品系统最大包容的集成器件，成功实现了软硬件无缝结合直接在处理器片内嵌入操作系统的代码模块。

4. 其他参考资料：

无线通信及网络（第二版） William Stallings著

嵌入式系统设计与实例开发 王田苗、魏洪兴 著

三．本阶段研究面临问题及解决方案：

1. 认识及了解题目

问题：网上资料所讲内容涉及面太大，书上内容过于专业，多是从无线电通信原理开始讲，抽象且难于理解，协议的源代码不好找；

解决方法：尝试从一个具体的基于单片机的蓝牙模块入手学习。

2. 相关资料搜集

问题：网上有大量有关无线通信和嵌入式的资料，筛选难度大；而对于两方面相结合的资料则较少；

解决方法：图书馆借阅资料，查阅相关嵌入式无线通信模块手册。

3. 缺乏实践经验

问题：不知道协议代码是什么语言写的，编译环境是什么；

解决方案：查阅资料。

四．本阶段研究总结：

本阶段仅仅是初步的了解了几种无限通信技术和一些嵌入式知识，但是对题目整体的内容及研究方向没有一个明确的认识，但对问题所涉及的各个方面已有一定的了解。问题最终会落实在阅读协议代码上，但就目前知识，还需要做一定的铺垫才能进入读协议代码的阶段。嵌入式方面，我对8051单片机略知一二，或许可以从这方面入手，将抽象概念实践一下。

五．下阶段研究计划

下一周内大概要完成以下几点：

1.了解蓝牙核心协议及该协议下的四部分协议（基带、链路管理、逻辑链路控制与适配、服务发现）；

2.查找相关蓝牙协议代码并开始阅读；

3.了解蓝牙在单片机上的相关应用；

最后，希望老师能提供些资料，可以节省搜集筛选资料所耗费的大量时间。