面向Wi-Fi客户机的低端微控制器

Wi-Fi这种可以让各类装置与互联网、WLAN相连的无线网络连接技术，在过去几年中作为一种互联网接入技术已经变得越来越重要。Wi-Fi现在可以让移动工作者和旅行者在任何能找到接入点的地方都能够连接到这一全球性的网络上。

Wi-Fi网络利用了由IEEE802.11a、b、g所定义的无线技术，以提供快速、可靠的无线网络连接。它是一种小型化、紧凑的移动客户机装置，也是一种工业、办公室和家庭无线自动化技术，这种技术可以广泛使用具有Wi－Fi能力的8位微控制器来作为一种节约成本和降低功耗的替代方案。

 WLAN可以按端到端(专设模式)或者客户机/服务器(基础架构或者BSS模式)的配置形式建立。本文将讨论客户机/服务器型的WLAN实现。

客户机/服务器基础架构

客户机/服务器 WLAN架构由两端组成：一个接入点和一个客户站(client station)(见图1)。接下来的讨论将对每一端及相应的技术作出定义。

图1  客户机/服务器 WLAN架构 

接入点(AP)—无线接入点(AP)可以担当无线客户机和WLAN或者互联网之间的桥梁的角色。AP需要功能强大的硬件，以便完成处理和分发。AP必须完成一个无线接口到另一个无线接口的桥接，或在一个包含多个站、AP和集成的LAN的ESS中桥接到一个有线的接口。它还必须与附近其他的AP进行通信，对信道交换进行管理，以避免AP间的干扰。 

AP所需要的能力只有一个32位的高速处理器才能提供。但是，低端的、8位的微处理器在Wi-Fi模式的客户站部分也可以发挥重要的作用。

客户站—客户站装置的类型从小的手持式一直到膝上机、PC和带有Wi－Fi能力的车辆。客户站是WLAN数据网络的末端，因此也无需桥接。类似的，它也无需为信道交换或者其他通信管理功能而操心。

因为Wi－Fi网络的客户站部分具有内在的简单性，因此它是8位技术的一种理想应用对象。基于成熟和廉价的8位处理器，如Z80，是一种巧妙的解决方案。此类的处理器建立在经过增强的Z80内核之上，可以高达50MHz的速度运行。这些处理器可以让小的客户站应用具备嵌入式的、访问互联网的能力，同时维持性能和吞吐量方面的目标，在这些小的客户站应用中，低功耗、成本经济性和设计的简单与紧凑性，都是关键要素。紧凑的客户站可以在车载导航系统、便携式娱乐装置、工业、办公和家庭自动化控制器以及消费类产品等应用中找到自己的归宿。基于8位处理器的设计能满足通信处理的需求的话，则此类应用是理想的目标。

如今的8位微处理器和处理机具有价格低廉的优势，但它们的功能也足以完成复杂的任务。这些装置目前被用于、而且一段时间以来一直就被用于数据的网络传输和通信应用，它们服务于那些需要具备无线连接能力的应用也有一段时间了。

无线自动化

考虑一个完全自动化的建筑，在这幢建筑中，空调、烟雾报警器、安全警报和其他高级系统的部署都依赖微控制器来完成。在一个典型的应用中，管理员或者工程师可以在一个Wi-Fi无线所覆盖的区域或者热点上利用具备Wi-Fi能力的膝上机来对各种设置进行控制与监测。有待控制和监管的装置都通过挂在一个I2C的总线上的或者连接到GPIO上的不同的接口来连接到微控制器上。

这样的一个系统可以是单线程或者多线程的应用，具体则取决于项目要求和系统的复杂性。有些最起码的硬件要求包括：

一个带8位微控制器的定制的板卡，必须具有串行和GPIO接口以及定时器(要求最少有64~128k的片上闪存，正如EZ80Acclaim系列控制器那样，以便烧入图像)

一个板上的Wi-Fi芯片组或者一个与WLAN板卡对接的PCMCIA接口。

其他功能特色，如I2C/SPI总线支持，则取决于具体的要求。

软件方面的要求包括：
 
一个瘦型TCP/IP软件套装；
 
一个无线接口驱动；

控制具体装置的驱动；

一个在套装之上运行的应用，对于某些应用来说，最好是一个HTTP服务器；
 
基于实时操作系统的技术，以便支持多任务操作。

图2示出了带有微控制器的空调机的各种部件。该空调机的温度传感器和控制器通过GPIO与微控制器相接口。其驱动可以通过这些GPIO端口读取数字温度传感器的信息或者将信息写入传感器，用户可以通过一个HTTP服务器调用该驱动，完成温度信息的获取和设定。

图2  带微控制器的空调机结构 

一般情况下，建筑物的经理或者工程师如果希望监测建筑物的温度或者改变建筑物的任何一部分的温度的话，就会打开他们的膝上计算机，启动一个HTTP浏览器程序，然后连接到一个特定的控制服务器上，以便获取和设定信息。这个HTTP浏览器程序可以是一种定制化的客户机，具体则取决于设计、复杂性和其他要求。

一个请求通过AP发到服务器。而服务器检测出需要查询当前温度的请求后，会调用相应的程序来从装置读取温度，准备好一个Web页，将温度信息放在网页上，并将其通过Wi-Fi接口送回客户机。

位于控制器之上的HTTP服务器必须能够提供静态和动态生成的Web网页(以便显示出受控的器件的最新的状态)。静态的网页保存在ROM或者闪存中，同时常结构(Constant-Strucfured)的缓冲器保存着文件名、大小和对应的缓冲区。无需通过文件系统来管理这些文件。

如果配置并不能在Web页中使用很大的jpg和gif文件，而且如果使用瘦的协议软件套装的话，整个图像的空间占用可以被限制为小于64kb。微控制器的片上的闪存或者ROM可以烧入大到128kb的文件。

类似的概念也可以应用到家庭自动化方面：从住宅内或者任何Wi-Fi热点以无线的方式控制具备Wi-Fi能力的冰箱、微波炉、洗衣机、电子门锁系统或者任意数量的Wi-Fi使能的装置。

具有Wi-Fi能力的车辆

图2所示的结构设计只需经过一两下改动就可以在多个位置上应用，具体则取决于待控制的装置以及应用场合。例如，一个用于车辆导航的类似系统将需要一些I/O装置，如触摸屏图形LCD显示器和一个读写的驱动。这有助于建立协议应用的客户机部分，例如一个定制化的浏览器和远程登录客户机。

借助车上系统实现的车辆相互之间的通信能力，对8位微控制器来说是一个绝好的客户站应用分区。具有Wi-Fi能力的微控制器可以用于保安和远程报警。如果汽车的烟雾探测器和保安系统连接到微控制器，则当发生任何问题时，具有Wi-Fi能力的轿车可以发送一个email消息来吸引车主的及时注意。

配备有如此简单的系统的车辆也可以互相感知到对方，能够激活接近报警系统来提醒驾驶员，从而改善道路行驶的安全性。

相同的车上系统也可以被用来获取稠密的城区和郊区通勤走廊上最新的交通信息，帮助驾驶员选择备用路线，并减轻交通拥堵(智能交通系统)。

消费市场上的Wi-Fi

使用Wi－Fi家用网关实现的无线家庭自动化是8位控制器的另一种理想的应用。例如，微波炉、冰箱和洗衣机可以从住宅内部以及热点处进行无线控制。

随着商人们寻找吸引客户的新方法，具有Wi-Fi能力的个人电子产品的消费类市场上的应用正在扩展。举例来说，一个Wi-Fi使能的个人电子装置可以用在消费类电子商店内，替换那些用在客户希望购买的物品上的代货标签(pull ticket)。只需使用一个简单的装置，顾客就可以订购所需要的一个物品，通过一个无线支付系统为其付款，然后继续购物，同时所购买的物品实时从库存中被提取出来。无线电子支付系统为8位客户站提供了机会。恰当的Wi－Fi和电子数据交换技术就位之后，移动的Wi－Fi客户站就可以起到无线借记卡或者信用卡的作用，用于电子通行费征收、免下车(drive-through)窗口支付，以及加油站的交易管理，这里列举的还仅仅是其中的一些罢了。

富有创造力的设计工程师们的头脑里也已经开始浮现消费类娱乐市场上的种种可能性。例如，不妨想象一下，为便携式MP3播放器配备用廉价的8位处理器构成的Wi-Fi收发机。添加这种能力来处理无现金交易的话，则消费者可以走入任何零售音乐市场中，选中音乐，将其下载并以一次简单方便的过程来付款。如此的无缝交易格外具有吸引力，因为利用8位元件提供如此的连接能力所需的开销很低。

对旅行者来说，低成本的、8位的处理器可以被用来生成一个小的Wi-Fi使能的数字日记本，它可以从一个具有Wi-Fi能力的售货机上下载道路地图和交通信息等信息。此类装置甚至可以旅行组织所采用，如美国的AAA，使得它们为自己的成员提供增值服务。

结语

Wi-Fi正在迅速成长为一项成熟技术。随着它达到成熟阶段，而且随着标准和系统的稳定，Wi-Fi客户站对于用经过验证而且低价的8位处理器来建构的紧凑装置的吸引力正越来越强。8位处理器的成本经济性和低功耗特性为中、小规模的制造商创造了更易进入的市场切入点，这最终将为Wi-Fi消费者带来更大的多样性和更丰富的选项。