嵌入式網際網路

嵌入式網際網路是將千千萬萬的設備或設備組成的網路連線到網際網路的世界中，可以使用接入設備上的嵌入式網路瀏覽器或網路應用程式 ，並可對遠在千里的設備進行控制和觀測。

基本介紹

• 中文名：嵌入式英特網
• 外文名：Embedded Internet
• 特點：高效、可靠
• 時代：2000年以後
• 關鍵字：嵌入式系統、EMIT
• 套用領域：計算機技術

興起

自從1976年Intel公司的MCS-48系列單片機問世以來，嵌入式系統得到了廣泛的套用。在工業控制領域中，嵌入式系統的典型套用是：嵌入式系統作為下位機進行數據採集和控制，PC機作為上位機完成各種管理功能。由於單獨的嵌入式系統功能有限，而且嵌入式系統的控制現場往往遠離數據處理現場，所以人們開始利用各種局部匯流排技術如 CAN、RS-232、RS-485等，將多個嵌入式系統組成區域網路，並且實現嵌入式系統的遠程訪問與控制。

為了加大PC機與嵌入式系統的通信距離，一種方法是採用電流環技術或者使用長線收發器，提高串列數據信號的強度，增加串列數據的傳輸距離。這種方法的缺點是通信距離有限、布線困難 。另一種方法是使嵌入式系統和PC機均通過MODEM接入網路 (專線網、公共電話網或無線網)，二者通過撥號連線進行信息傳輸。這種方法的缺點是抗干擾能力差、傳輸速率不高。現在，嵌入式系統的遠程訪問和控制逐漸滲透到各個領域，如遙控家電、遠程實驗、產品的遠程管理、診斷和升級等，並且要求具有更高的可靠性、安全性以及更長的通信距離和更大的控制範圍，以上兩種方法不能滿足這些要求。現在人們將目光投向了網際網路，網際網路是世界上最大的計算機網際網，具有豐富的信息資源，它幾乎覆蓋全球，使世界各地的人們方便地進行通信。如果能使嵌入式系統置身於網際網路，那么人們將會更加方便地對嵌入式系統進行遠程訪問與控制，甚至，嵌入式系統之間也可以進行對等通信 。 所以人們開始尋求嵌入式系統與網際網路的連線方法，於是嵌入式網際網路技術誕生了。嵌入式網際網路 技術是近幾年發展起來的，目前，許多公司都努力推出自己的嵌入式網際網路解決方案和產品。例如， 美國iReady公司提出了完整的稱作“Internet Tuner”的新一代非PC智慧型設備網際網路連線方案，支持這種 技術的有Seiko、Sony和Sharp等國際著名公司。

嵌入式英特網的實現

嵌入式系統接入網際網路的方法總的來說有兩種 ，其一是使嵌入式系統完全具備網路功能，直接與網際網路相連。其二是使嵌入式系統通過網關間接與網際網路相連，網關充當嵌入式系統與網際網路的橋樑，網關通常是PC機或者高性能嵌入式網路伺服器(高性能嵌入式網路伺服器本身也是一種採用 了嵌入式網際網路技術的嵌入式設備)。

嵌入式系統直接接入網際網路

這種方法的實質是在嵌入式系統中實現TCP/IP協定和其它相關的套用層協定如 HTFP、FrP和 SMTP等，使其可以在網際網路上傳送、接收IP包。下面介紹幾種在嵌入式系統中實現網路協定的方法。

1、在單片機程式中實現網路協定

選擇支持軟體固化TCP/IP協定的微控制器 (MCU)，用乙太網控制器實現網路接口 (如圖所示)可以使嵌入式系統接入網際網路。系統可採用 16位或8位的MCU 。乙太網控制晶片具有物理介質上的串列數據收發功能和MAC層的控制功能，實現了CSMA/CD協定。其他協定如 TCP/IP、HTTP、FTP等由 MCU 程式存儲空間的代碼實現 。由於協定占用了一定資源，所以要求提供大容量的程式存儲空間。在實際開發過程中可以根據具體的套用需求簡化 TCP/IP 協定，只提供一個 TCP/IP協定的一個子集即可。這種方法的優點是硬體成本低廉；缺點是軟體設計複雜、開發難度大、開發周期長、對開發者的要求較高。

2、採用具有網路協定棧的嵌入式實時作業系統

現在越來越多的高性能嵌入式系統採用嵌入式實時作業系統 (RTOS，Real Time Operation System)，嵌入式 RTOS功能強大，多數支持 TCP/IP等網路協定，如 VxWorks、pSOS和 Windows CE 等。VxWorks網路協定棧是一個與 BSD4．4兼容的實時 TCP/IP協定棧，支持 IP 、ICMP、IGMP、UDP、 TCP和 SNTP等協定以及 IP multicast、CIDR 和RFC-1323等最新網際網路協定，並且提供套接字型檔。 pSOS系統包含了 TCP/IP管理部件pNA+、用戶可 以調用 pNA+中豐富的函式，訪問網路接口，操作套接字進行高級 TCP/IP網路編程 。Windows CE也提供了 TCP/IP協定棧，支持 Winsock和 IRSock網路編程 。採用具有網路協定棧的嵌入式 RTOS外加網路接口可以使嵌入式系統直接接入網際網路。這種方法的優點是：系統功能強大，而且開發者不必自己實現 TCP/IP協定。缺點是：開發成本高，嵌入式RTOS價格昂貴，對MCU的性能要求較高，通常要求採用高檔的 32位甚至64位的MCU，此外還要求開發者必須熟悉 RTOS和 TCP/IP協定。

3、採用網路晶片

網路晶片硬體固化了網路協定棧並且提供網路接口，是一個獨立於MCU的專用晶片，它通過標準的 I/O接 口與大多數 MCU相連。網路晶片負責在網際網路上傳送、接收IP包。網路晶片的製造商一般提供相應的軟體包，開發者可以調用 函式進行網路編程，使嵌入式系統在網際網路上傳送和接收數據。這種方法的優點是開發者不必考慮網路晶片的工作細節，只需編寫應用程式和網路晶片的接口程式即可；缺點是網路晶片並不支持所有的MCU，而且價格比較貴，一般在乾元以上。

嵌入式系統通過網關間接接入網際網路

這種方法的基本思路是：由網關實現各種複雜的網路協定，負責在網際網路上傳送 、接收 IP包，網 關與嵌入式系統之間採用輕量級協定進行通信 。下面介紹幾種有代表性的方法 。

1、EMIT方法

EMIT是美國 emWare公司提出的8位和16位 MCU 接入網際網路的技術 。EMIT技術主要由emMicro，emGateway和網路瀏覽器 3部分組成 (如圖所示)。emMicro是嵌入在設備中的很小的網路伺服器 ，它占用的套用存儲空間為1到8kByte，這取決於 MCU、程式語言和開發工具的選擇以及設計目標的差異。 EmGateway實現 了TCP/IP等網際網路協定，可以運行在 PC機或高性能嵌入式伺服器中。emGateway可以與多個 emMicro進行通信，採用的協定有 emNet、RS一485、RS一232、CAN或無線通信協定等，其中 emNet是 emWare公司提出的鏈路層協定。EmGateway可以完成各種複雜的工作，如身份驗證、處理多用戶請求和數據加密等。網路瀏覽器是用戶對設備進行遠程訪問和控制的平台。用戶通過瀏覽器向網關發出請求，然後由網關直接對設備進行狀態查詢或參數設定等操作。emWare 公司還推出了 EMIT 3．0軟體包，提供了預先創建 的 java對象 (稱作 emObject)，使開發者可以創建 基於 Java Applet的圖形用戶接 口。Java Applet嵌入Web頁面 ，在瀏覽器中運行 ，負責與 emGateway 進行實時通信 。EMIT 3．0還包含了 emMicro代碼 (一些彙編和C原始碼 )，使開發者可以把emMicro 嵌入設備中。EMIT方法藉助 PC機強大的功能，降低了MCU性能的要求，減少了嵌入式系統軟體的開發難度，但同時也增加了網關設計以及網關與瀏覽器通信的額外開銷，而且也要求開發者熟悉 MCU的體系結構並具有一定的固件 (firmware)開發 驗 。

2、Web晶片 (Webchip)方法

P&S DataCom 公司提出的WebChip方法原理與EMIT方法相似，只是將嵌入設備中的網路伺服器 (emMicro)由晶片硬體完成。 Webchip是一個獨立於MCU的專用網路接 口晶片，它通過SPI接 口與各種 MCU 相連。Webchip與 MCU 之間採用 MCUnet協定進行通信，通常只需簡單的若干條指令就可實現互動。Webchip通過 MCUap協定與網關通信，支持 RS一232、RS一485、USB或 Modem等 物理接 口。這種方法對 MCU 的要求不高，支持 8位或 4位的 MCU。開發者不需了解 TCP/lP協定和相關接口，只需編寫晶片接口程式，但是同EMIT方法一樣也必須實現網關的設計以及瀏覽器與網關之間的通信。

3、Lonnetworks方法

1992年，Echelon公司提出了Lonnetworks技術， 基本思想是：將嵌入式設備以及PC機組成一個控制網 (Control Networking)，所謂控制網就是把各種智慧型設備連線在一起，提供一個經濟、可靠，根據控制需要最佳化的靈活的連網平台。控制網中的各個設備通過Lontalk協定進行對等通信。Lontalk協定是LonNetworks設備彼此通信的底層協定，支持許多通信媒體 ，如雙絞線、光纖、同軸電纜和紅外線等。Lontalk協定固化在Lonnetworks設備中的神經元晶片中。Echelon公司利用i．LON1000網際網路伺服器實現了控制網與網際網路的連線，i．LON1000內置Web伺服器 ，具有一個IP位址，同時與控制網和網際網路相連 (如圖所示)，允許用戶通過Web瀏覽器對控制網中各個設備進行狀態查詢、設備校準和故障檢測等。這種方法實質也是一種基於網關的嵌入式網際網路方法，網際網路伺服器充當了控制網與 網際網路的網關 ，各種設備在控制網中通過專用的傳 輸層協定進行通信。由於控制網沒有普及，相關技術還不夠完善，所以用這種方法將嵌入式系統接入網際網路實現複雜，成本較高。

基於網關的方法優點是：可以使低性能的嵌入式系統接入網際網路，可 以在網關上完成各種複雜的處理，提高整個系統的安全性和可靠性 ，而且一個網關可以連線多個嵌入式設備，不必為每一個嵌入 式設備實現 TCP/IP協定和分配 IP位址。缺點是： 整個系統變得龐大，採用集中式控制模式，設備仍處於從屬地位 ，很難實現設備的對等的通信。此外， MCU乾差萬別，沒有惟一的輕量級協定和通用的接口適合所有的嵌入式系統，所 以每個設備開發商只能開發適合自己的套用。