嵌入式网络

嵌入式Internet技术及其应用

中国单片机公共实验室(BOL)
北京塔斯金(Tasking)软件技术有限公司
吕京建 肖海桥

    单片机或微控制器(MCU )已经在家庭和工业的各个领域得到了应用，通称嵌入式系
统，因为计算机芯片 是嵌入在有关的设备中的，没有自己独立的外壳。 目前大多数嵌
入式系统还处于单独应用的阶段，以MCU为 核心，与一些监测、伺服、指示设备配合实
现一定的功能。在一些工业和汽车应用中，为了实现多个MCU之间的信息交流，利用CAN、
RS-232、RS-485等总线将MCU组网，但这种网络的有效半径比较有限，有关的通 信协议
也比较少，并且一般是孤立于Internet以外的。Internet现已成为社会重要的基础信息
设施之一，是信息流通的重要渠道，如果嵌入式系统能够连接到Internet上面，则可以
方便、低廉地将信息传送到几乎世界上的任何一个地方。
    将嵌入式系统与Internet结合起来的想法其实很早以前就有了，主要的困难在于，
Internet 上面的各 种通信协议对于计算机存储器、运算速度等的要求比较高，而嵌入
式系统中除部分32位处理器以外，大量存在的是8位和16位MCU，支持TCP/IP等Internet
协议将占用大量系统资源，或根本不可能。本文将以嵌入式微控制器Internet技术(EMIT)
及其在中国的技术开发中心BOL/TASKING 公司的解决方案为基础，描述如何实现嵌入式
设备的Internet网络化。
一、嵌入式Internet的应用
　  嵌入式Internet技术具有广阔的应用前景，其应用领域可以包括：
1.智能公路
    交通管理、车辆导航、流量控制、信息监测与汽车服务；
2.植物工厂
    特种植物工场，如实现野生名贵药材的远程监控培养和种植，无土栽培技术应用，
智能种子工程等；
3.虚拟现实(VR)机器人
    交通警察、门卫、家用机器人等；
4.信息家电
    冰箱、空调等的网络化；
5.工业制冷
    冷库、中央空调、超级市场冰柜；
6.VR库房
    粮库、油库、食品库等；
7.VR精品店
    客户可以在Internet上实时地看到存货状况；
8.VR家政系统
    水、电、煤气表的自动抄表，安全防火、防盗系统；
9.工业自动化
    目前已经有大量的8、16、32 位嵌入式微控制器在应用中，网络化是提高生产效率
和产品质量、减少人力资源的主要途径，如制药工业过程控制、电力系统、电网安全、
电网设备监测、石油化工系统；
10.POS网络及电子商务
    公共交通无接触智能卡(Contactless Smartcard, CSC)发行系统，公共电话卡发行
系统，自动售货机；
11.环境工程与自然
    水文资料实时监测，防洪体系及水土质量监测、堤坝安全，地震监测网，实时气象
信息网，水源和空气污染监测。

二、嵌入式Internet的原理

    如前面所述，在8位和16位MCU上实现Internet通信协议是比较困难的，如果将现有
嵌入式系统中的MCU 都更换成32位或64位的高性能处理器，从经济性和现实性上来说都
不太可能。EMIT从另一个角度出发，对 这个问题进行了很好的处理，其系统结构如图1
所示。
    EMIT采用桌面计算机或高性能的嵌入式处理器作为网关，称为emGateway， 上面支
持TCP/IP协议并运行http服务程序，形成一个用户可以通过网络浏览器进行远程访问的
服务器。emGateway通过RS-232、RS-485、CAN、红外、射频等轻量级总线与多个嵌入式
设备联系起来，每个嵌入式设备的应用程序中包含一个独立的通信任务，称为emMicro，
监测嵌入式设备中预先定义的各个变量，并将结果反馈到emGateway中；同时emMicro还
可以解释emGateway的命令，修改设备中的变量，或进行某种控制。
    增加到嵌入式系统中的emMicro代码长度一般在1-8 KBytes左右，不会影响MCU的正
常运作。这样仅通 过增加了一个emGateway网关，就解决了嵌入式设备上Internet的问
题；网关还可以同时管理多个嵌入式设备，从而提高嵌入式网络的结构化、智能化、浏
览信息资源的归一化，并具有迄今为止其它解决方案无可 比拟的性能价格比优势。
    除桌面计算机和嵌入式处理器以外，emGateway还可以作为ISP服务器中的一个任务
运行，仅用软件实现。

三、嵌入式Internet的开发

    EMIT技术包括一套嵌入式Internet的开发工具，其中包括多个部件，均以Embedded
Microcontroller的字头缩写emXxxx命名各个部件，以便于记忆，如emGateway称为嵌入
式微控制器网关。EMIT技术在中国通过BOL/Tasking软件公司发行。EMIT开发平台包括：
   1.emMicro
     是目前唯一的适合于小型电子设备的微型网络服务器。emMicro驻留在嵌入式设备
     中，是emGateway和嵌入式设备系统软件之间的通信服务模块。emMicro 占用的字
     节可以小到1KBytes，和emGateway一起，为8位和16位嵌入式设备提供网络服务器
     功能。
    2.emGateway
     是EMIT分布式网络平台的关键。它是轻量级设备网络(如 RS-232，RS-485，CAN，
     RF等)和大型高性能网络(如Intranets，Internet)之间的桥梁，emGateway提供
     emMicro中没有包括的网络服务功能，并且可以与多种用户界面相连接，如网络浏
     览器、数据库、应用程序等。emGateway可以驻留在PC、单板机、ISP 服务器或32
     位以上的嵌入式处理器上。
    3.EMIT Access Library
      是一个可以在通用高级语言(C, C++, Java, Visual Basic, 等)下调用的库函数，
      实现从一个通用程序(如网络浏览器)或用户程序中访问和监测设备。EMIT Access
      Library 能够将嵌入式设备中的数据输出到一个大的数据库或客户应用程序中。
      EMIT Access Library 中包含按钮、表头等各种指示、控制控件，供开发人员选
      用。
    4.emLink
     在emGateway中为每个外部嵌入式设备提供通信管理功能，以保持网络连接，支持
     最常见的物理层协议(RS232, RS485, RF, etc.)的数据链路功能。emLink Toolkit
     允许开发者修改通信链路以适应特殊的网络物理层连接。
    5.emObjects
     是预先建立的Java对象，能够实现从标准网络浏览器中访问和控制嵌入式设备。

    EMIT的图形化开发界面非常简单直接，并具有多种预先制作好的控件，供用户在
emGateway主页中选用。在嵌入式中增加emMicro通信任务时，并不需要大量改变原有代
码，原来的代码是用C 语言还是汇编语言编写并不会影响嵌入式设备的网络化开发，这
样不但是新设备，而且现有的很多嵌入式设备也可以通过简单的改造实现网络化信息交
流与控制。
    嵌入式Internet与MCU技术密切相关，需要多方面的协作，因此包括Siemens/Infineon
Philips和Motorola在内的数十个公司联合成立了“嵌入式Internet联盟(ETI)”，共同
推动这一市场。可以预言，嵌入式设备与Internet的结合代表着嵌入式系统和网络技术
的真正未来。

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其实你不懂我的心