基于低功耗A R M的物聯(lián)網(wǎng)Wi-F i接入方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李 禎，陳廣飛，崔立鵬

基于低功耗A R M的物聯(lián)網(wǎng)Wi-F i接入方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李 禎，陳廣飛，崔立鵬

目的：設(shè)計(jì)一種低功耗物聯(lián)網(wǎng)Wi-Fi接入方案，便于傳感器網(wǎng)絡(luò)接入互聯(lián)網(wǎng)。方法：采用低功耗ARM作為主控芯片，驅(qū)動(dòng)Marvell 88W8686網(wǎng)卡芯片，并移植LWIP（輕量型TCP/IP）協(xié)議，共同實(shí)現(xiàn)Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的加網(wǎng)、建立TCP連接、發(fā)送數(shù)據(jù)等一系列工作。結(jié)果：經(jīng)測(cè)試，本系統(tǒng)可快速連接Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)，最大發(fā)送電流在170 mA以內(nèi)，靈敏度為-85 dBm。結(jié)論：該系統(tǒng)具有功耗低、速度快、支持多協(xié)議等優(yōu)點(diǎn)，非常適合應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)以及傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)方案中，具有廣闊的發(fā)展空間。

物聯(lián)網(wǎng)；ARM；Wi-Fi

0 引言

電子信息技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，以及互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信技術(shù)的問(wèn)世以前所未有的方式改變著人類的生活[1]。與此同時(shí)，我們不僅僅滿足于人與人之間的通信，更希望能夠在物品與物品之間、人與物品之間，甚至人與現(xiàn)實(shí)環(huán)境之間實(shí)現(xiàn)高效的信息交互。

物聯(lián)網(wǎng)概念的提出為滿足人類的新要求帶來(lái)了希望。概括來(lái)說(shuō)，物聯(lián)網(wǎng)是信息技術(shù)與物理環(huán)境的高度融合。物聯(lián)網(wǎng)是將物品信息通過(guò)傳感器網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)接，進(jìn)行信息交換，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)，是信息化在人類社會(huì)綜合應(yīng)用達(dá)到的更高境界。

傳感器網(wǎng)絡(luò)是物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，由很多傳感器節(jié)點(diǎn)組成。這些節(jié)點(diǎn)具有數(shù)據(jù)采集、處理、無(wú)線通信和自組織的能力，協(xié)作完成大規(guī)模復(fù)雜的監(jiān)測(cè)任務(wù)，其組成包括傳感器、微處理器、通信模塊以及電源管理模塊。網(wǎng)絡(luò)中通常只有少量的sink節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)發(fā)布命令和收集數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)與互聯(lián)網(wǎng)的通信[2]。在工作過(guò)程中，傳感器節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)短距離的無(wú)線通信技術(shù)將信息直接傳送至Internet，也可先傳送至sink節(jié)點(diǎn)，匯總后再發(fā)送給Internet，方案視具體應(yīng)用情況而定。

在多種短距離的無(wú)線通信方式中，藍(lán)牙（Blue tooth）、ZigBee都具有低成本、低功耗的優(yōu)點(diǎn)，但傳輸距離近、速率低使得其應(yīng)用范圍受限。隨著低功耗Wi-Fi技術(shù)的發(fā)展以及業(yè)界與IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)的普遍認(rèn)可，基于Wi-Fi的傳感器網(wǎng)絡(luò)接入Internet方案越發(fā)受到人們的青睞。IEEE 802.11已經(jīng)成為事實(shí)上的局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，與TCP/IP協(xié)議完美結(jié)合，一些網(wǎng)絡(luò)管理工具都在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)，相應(yīng)的知識(shí)體系被建立并完善，IT技術(shù)人員也已經(jīng)很熟悉管理Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)，使其在無(wú)線智能終端上得到廣泛應(yīng)用。傳感器網(wǎng)絡(luò)采用Wi-Fi接入技術(shù)，還可節(jié)省開(kāi)發(fā)需兼容私有協(xié)議網(wǎng)關(guān)的大量投入，非常有利于物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用發(fā)展[3]。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本方案采用STM32作為系統(tǒng)微控制器，將傳感器網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)整合，一方面，通過(guò)SPI口傳送數(shù)據(jù)；另一方面，驅(qū)動(dòng)Wi-Fi芯片下載固件程序，并使其完成初始化、掃描、加網(wǎng)、建立連接和發(fā)送數(shù)據(jù)等一系列操作。數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)接收軟件，可進(jìn)一步將數(shù)據(jù)整合并發(fā)送至Internet，實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)接入。其系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成

1.1 STM32介紹

STM32系列是為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的ARM Cortex-M3內(nèi)核，按性能分成2個(gè)不同的系列——STM32F103“增強(qiáng)型”系列和STM32F101“基本型”系列。考慮到移植協(xié)議棧需要較大的存儲(chǔ)空間，本方案采用 “增強(qiáng)型”STM32F103RE，它具有72 MHz主頻、512 KB Flash以及64 KB SRAM。

1.2 Marvell 88W8686芯片介紹

88W8686是Marvell公司針對(duì)移動(dòng)電話、PDA、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)等移動(dòng)應(yīng)用推出的一款低成本、低功耗、高集成度的Wi-Fi SoC芯片。它的物理層采用一個(gè)802.11a/b/g基帶，可實(shí)現(xiàn)多種調(diào)制技術(shù)，如DSSS、OFDM、DBPSK、DQPSK、CCK和QAM等，并且可在2.4和5 GHz雙頻無(wú)線收發(fā)，兼容性強(qiáng)。MAC層定義了2種介質(zhì)訪問(wèn)控制方式，即基本訪問(wèn)機(jī)制和集中控制訪問(wèn)機(jī)制。本方案中采用基本訪問(wèn)機(jī)制中的載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)/沖突避免（CSMA/CA）來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線工作站點(diǎn)和接入點(diǎn)之間的媒介共享。同時(shí)，該芯片還提供了電源管理和數(shù)據(jù)加密功能。以上所有的功能模塊由其內(nèi)部自帶的ARM處理器來(lái)管理協(xié)調(diào)。

2 Wi-Fi接入方案驅(qū)動(dòng)程序的實(shí)現(xiàn)

88W8686的驅(qū)動(dòng)程序框架如圖2所示。這里的主機(jī)驅(qū)動(dòng)（host driver）負(fù)責(zé)與 88W8686內(nèi)的固件（firmware）進(jìn)行通信。其中firmware是Wi-Fi SoC芯片中運(yùn)行的一段程序，系統(tǒng)上電啟動(dòng)之后，處理器將其下載到Wi-Fi芯片中，之后該firmware即可運(yùn)行在SoC內(nèi)，基于SoC內(nèi)部的ARM CPU、MAC和基帶模塊、射頻模塊以及硬件接口等實(shí)現(xiàn)硬件接口控制、數(shù)據(jù)服務(wù)、802.11 MAC層管理、硬件控制等功能。host driver與firmware之間有數(shù)據(jù)通道與命令通道2個(gè)通道。數(shù)據(jù)通道用來(lái)傳輸要發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)，命令通道用來(lái)傳輸控制命令。host driver將標(biāo)準(zhǔn)802.3幀發(fā)送給 SoC內(nèi)的WLAN firmware，WLAN firmware將其處理為802.11幀之后通過(guò)無(wú)線發(fā)送出去；WLAN firmware接收到802.11幀之后，將其轉(zhuǎn)化為802.3幀，然后通過(guò)數(shù)據(jù)通道發(fā)送給host driver。

2.1 硬件接口驅(qū)動(dòng)

本方案中，控制器與Wi-Fi芯片通過(guò)SPI口通信。具體連接方法如圖3所示。

這里采用的GSPI口為SPI接口的增強(qiáng)版，其接口分別為 SPI_CLK、SPI_ SDI、SPI_SCSn、SPI_ SDO、SPI_SINTn。與標(biāo)準(zhǔn)SPI相比，增加了一個(gè)中斷信號(hào)線，可使其與STM32上的一個(gè)設(shè)置為輸入的GPIO管腳相連，通過(guò)外部中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)具體功能。

圖2 驅(qū)動(dòng)程序分層結(jié)構(gòu)

圖3 STM32與Marvell 88W8686硬件接口

2.2 固件下載

系統(tǒng)上電后只能進(jìn)行一些寄存器的讀寫操作。想要實(shí)現(xiàn)Wi-Fi芯片的功能，需要先下載helper，然后helper再與host一同工作，將88W8686的固件下載至芯片內(nèi)，最后檢查固件的運(yùn)行狀態(tài)，若固件的運(yùn)行狀態(tài)良好才開(kāi)始進(jìn)行其他初始化操作。這里給出使用SPI接口下載固件的步驟[4]，如圖4所示。

2.3 網(wǎng)卡初始化

在驅(qū)動(dòng)代碼中構(gòu)建lbs_private結(jié)構(gòu)體，其中包括網(wǎng)卡設(shè)備的全部信息。在主程序中建立newpower_Wi-Fi_iface結(jié)構(gòu)體，這里定義了對(duì)網(wǎng)卡設(shè)備進(jìn)行

操作的具體函數(shù)。

固件下載成功后，通過(guò)調(diào)用scan_work（）函數(shù)掃描Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)，并將結(jié)果存放至priv-＞network數(shù)據(jù)域中，返回并打印存放于exist_ap_list中的掃描結(jié)果名單。之后調(diào)用assoc_ap（）函數(shù)向firmware發(fā)送身份驗(yàn)證信息以及與指定AP的關(guān)聯(lián)命令，這其中包括事先定義好的ssid與密碼。

圖4 固件下載及啟動(dòng)流程

2.4 收發(fā)命令與數(shù)據(jù)

命令收發(fā)通過(guò)control path來(lái)完成，host驅(qū)動(dòng)和88W8686固件之間的交互采用請(qǐng)求-應(yīng)答模式。STM32發(fā)出命令CMD_XXX，88W8686收到命令后進(jìn)行處理，返回命令結(jié)果CMD_RES_XXX。命令交互采用串行結(jié)構(gòu)，主機(jī)驅(qū)動(dòng)必須等到接收到當(dāng)前請(qǐng)求命令的響應(yīng)后， 才能發(fā)送下一個(gè)命令[5]（CMD_CODE_DNLD命令除外，該命令不需要返回命令響應(yīng)），如圖5所示。

圖5 命令交互模式

88W8686的命令可實(shí)現(xiàn)固件重啟與初始化、基帶/MAC/射頻控制、狀態(tài)信息、掃描、關(guān)聯(lián)、認(rèn)證、電源管理等功能。

數(shù)據(jù)收發(fā)通過(guò)data path來(lái)完成。每個(gè)通過(guò)接口傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包都必須添加一個(gè)包描述符（packet descriptor），數(shù)據(jù)包的幀格式如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)包幀結(jié)構(gòu)

2.5 完整加網(wǎng)流程

以加入一個(gè)典型的Infrastructure網(wǎng)絡(luò)并進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)為例，host驅(qū)動(dòng)的工作流程如下：

（1）首先使用CMD_CODE_DNLD命令下載固件至88W8686，設(shè)置固件為基礎(chǔ)模式（Infrastructure模式）；

（2）等待固件下載完成并啟動(dòng)；

（3）使用CMD_802_11_SCAN命令，搜索當(dāng)前環(huán)境中的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)；

（4）使用CMD_802_11_AUTHENTICATE命令，設(shè)置固件為開(kāi)放認(rèn)證模式；

（5）使用CMD_802_11_ASSOCIATE命令，與AP建立關(guān)聯(lián)。

至此，終端即與AP建立起連接，可進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)，如圖7所示。

圖7 通信流程示意圖

3 LWIP協(xié)議移植

LWIP（light weight IP）是瑞士計(jì)算機(jī)科學(xué)院（Swedish Institute of Computer Science）的Adam Dunkels等開(kāi)發(fā)的TCP/IP協(xié)議棧。該協(xié)議棧適用于相對(duì)PC而言資源較少的嵌入式系統(tǒng)，且代碼開(kāi)源，無(wú)論是否有操作系統(tǒng)的支持均可運(yùn)行。

LWIP通過(guò)內(nèi)存共享的方式實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層與底層協(xié)議之間的通信，從而避免了內(nèi)存復(fù)制產(chǎn)生的性能損失。因此，它只需要不超過(guò)100 KB的RAM和40 KB左右的ROM就可以運(yùn)行，這使LWIP協(xié)議棧能夠在低端嵌入式系統(tǒng)中使用。

LWIP的源碼和詳細(xì)文檔可從其官方網(wǎng)站獲得。在本項(xiàng)目中，采用LWIP的穩(wěn)定版本LWIP v1.4.0。

LWIP的移植包括數(shù)據(jù)類型及定義、lib_arch中的一些庫(kù)函數(shù)、網(wǎng)絡(luò)接口層的移植等[6]。

3.1 數(shù)據(jù)類型及定義

在/src/include/lwip目錄下，一些頭文件包含了

有關(guān)編譯器或處理器結(jié)構(gòu)的定義。在這里，需要將所有的定義與STM32相匹配。首先，在數(shù)據(jù)類型以及長(zhǎng)度方面，分別定義了u8_t為無(wú)符號(hào)8位數(shù)據(jù)，s8_t為有符號(hào)8位數(shù)據(jù)，16位和32位定義與此類似。其次，在字節(jié)序的轉(zhuǎn)換方面，#define PACK_STRUCT_ FIELD（x）定義了小端模式。另外，C語(yǔ)言的結(jié)構(gòu)體默認(rèn)為4字節(jié)對(duì)齊，但LWIP在處理數(shù)據(jù)包時(shí)是根據(jù)不同數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度來(lái)讀取的，因此，在定義結(jié)構(gòu)體時(shí)，一定要使用_packed關(guān)鍵字，讓編譯器放棄字節(jié)對(duì)齊。例如宏定義 #define PACK_STRUCT_BEGIN _packet就采用了這種方法。

3.2 庫(kù)函數(shù)

LWIP用到了一些外部庫(kù)函數(shù)，這些函數(shù)通常與用戶使用的處理器或編譯器有關(guān)，因此，需自行編寫。修改數(shù)據(jù)大小端的函數(shù)為：

u16_t htons（u16_t n）；//16位數(shù)據(jù)高低字節(jié)交換u16_tntohs（u16_t n）；

u32_t htonl（u32_t n）；//32位數(shù)據(jù)大小端對(duì)調(diào)u32_tntohl（u32_t n）；

對(duì)字符串的操作定義函數(shù)包括：

char*strncpy（char*s1，const char*s2，size_t n）；//將s1的前n位拷貝至s2

intstrncmp（const char*s1，const char*s2，intlen）；//字符串s1與s2比較

intstrlen（const char*str）；//計(jì)算字符串長(zhǎng)度

void_membitcpybl（void*dest，const void*src，intdestoffset，intsrcoffset，size_tnbits）；//用于小端模式以字節(jié)為單位的內(nèi)存數(shù)據(jù)塊之間的互相拷貝

這些函數(shù)可參考標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)。

3.3 網(wǎng)絡(luò)接口層移植

LWIP向上提供應(yīng)用層接口，向下提供與硬件相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)接口，與網(wǎng)卡的驅(qū)動(dòng)程序相關(guān)聯(lián)。在驅(qū)動(dòng)中需要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接口的收、發(fā)、初始化以及中斷服務(wù)程序。

LWIP通過(guò)netif結(jié)構(gòu)體來(lái)描述硬件網(wǎng)絡(luò)接口，其中包含了對(duì)接口的屬性變量以及收發(fā)函數(shù)的定義。所有的網(wǎng)絡(luò)接口都保存在一個(gè)全局鏈表中，并通過(guò)結(jié)構(gòu)體中的next指針連接。上層協(xié)議通過(guò)調(diào)用netif結(jié)構(gòu)體中的方法netif→input（）及netif→output（）進(jìn)行以太網(wǎng)packet的收、發(fā)等操作。

對(duì)網(wǎng)絡(luò)接口的移植主要就是以下幾個(gè)函數(shù)：err_t（*input）（structpbuf*p，structnetif*inp）；//該函數(shù)被驅(qū)動(dòng)調(diào)用，傳遞數(shù)據(jù)包給TCP/IP棧

err_t（*output）（structnetif*netif，structpbuf*p，structip_addr*ipaddr）；//該函數(shù)被IP模塊調(diào)用，向以太網(wǎng)上發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包，函數(shù)要先通過(guò)IP地址獲得解決硬件地址，然后發(fā)包

err_t（*linkoutput）（structnetif*netif，structpbuf *p）；//該函數(shù)提供直接發(fā)送數(shù)據(jù)包的接口。

4 討論

經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，本系統(tǒng)可順利完成掃描加網(wǎng)等功能，并通過(guò)路由器與Internet連接，最大發(fā)送電流在170 mA以內(nèi)，靈敏度為-85 dBm。將Wi-Fi技術(shù)加入傳感器節(jié)點(diǎn)，使得傳感器網(wǎng)絡(luò)與Internet的連接更加簡(jiǎn)單易行，也為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供了更加廣闊的平臺(tái)。在醫(yī)用物聯(lián)網(wǎng)中，通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、Wi-Fi、Internet、數(shù)據(jù)庫(kù)等技術(shù)，提供生理參數(shù)感知與監(jiān)測(cè)、健康管理與慢病管理、緊急醫(yī)療救助、移動(dòng)醫(yī)護(hù)服務(wù)、醫(yī)用資源管理、遠(yuǎn)程手術(shù)、電子健康檔案、區(qū)域健康監(jiān)測(cè)與一體化等服務(wù)[7-8]。

在智能家居系統(tǒng)中，可為電視、冰箱等家用電器、煙霧報(bào)警器、電燈等擴(kuò)展Wi-Fi功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)其遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)控制；或結(jié)合醫(yī)用物聯(lián)網(wǎng)，為家庭健康終端擴(kuò)展Wi-Fi功能，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程家庭保健。

Wi-Fi技術(shù)除了在終端上使用外，還可以作為物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，與ZigBee、藍(lán)牙、RFID或其他短距離的無(wú)線通信技術(shù)結(jié)合起來(lái)，以網(wǎng)關(guān)的形式實(shí)現(xiàn)這些通信技術(shù)的Internet接入。同時(shí)它可提供如TCP/IP、HTTP、WebServer等高層應(yīng)用和圖形用戶界面，用來(lái)進(jìn)行整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的添加、刪除、狀態(tài)查詢、參數(shù)配置等管理和控制。

物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)發(fā)展日趨成熟?；赪i-Fi技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)可以充分利用現(xiàn)有的已普及的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)資源，特別是電信運(yùn)營(yíng)商大量部署的“無(wú)線城市”網(wǎng)。與3G網(wǎng)絡(luò)無(wú)縫對(duì)接來(lái)部署和實(shí)施，將大大節(jié)約網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的投入。Wi-Fi技術(shù)的普及性、標(biāo)準(zhǔn)化程度高，以及便于安裝管理等一系列優(yōu)點(diǎn)，決定了其將在物聯(lián)網(wǎng)中得到更廣泛的應(yīng)用。

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（收稿：2013-04-26 修回：2013-07-15）

Design and Implementation of Wi-Fi Access Solution with Internet of Things Based on Low Power ARM

LI Zhen,CHEN Guang-fei,CUI Li-peng
(General Hospital of the PLA,Beijing 100853,China)

Objective To design a low-powerWi-Fiaccesssolutionwith internetof things to connectsensorsnetwork to Internet. Methods Low-power ARM main controller,Marvell88W8686 network chip and light TCP/IPwere involved in the solution for Wi-Fiaccess,establishing TCP connection,data sending and etc.Results Wi-Finetwork could be accessed to Internet rapidly,with themaximum currentnotmore than 170 mA and sensitivity of-85 dBm.Conclusion The solution results in low-power,high-speed and multi-protocol-compatibleWi-Fiaccess,and thus isworth applying to internet of things gateway and sensor node.[Chinese Medical Equipment Journal，2014，35（3）：52-55]

internet of things;ARM;Wi-Fi

R318；TP393.02

A

1003-8868（2014）03-0052-04

10.7687/J.ISSN1003-8868.2014.03.052

解放軍總醫(yī)院臨床科研扶持基金（2012FC-ZHCG-005）

李 禎（1988—），女，碩士研究生，研究方向?yàn)獒t(yī)療物聯(lián)網(wǎng)，E-mail：lizhen_301@163.com。

100853北京，解放軍總醫(yī)院（李 禎，陳廣飛，崔立鵬）