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网络通讯技术在嵌入式系统中的应用

一、嵌入式系统的由来

  1.1 嵌入式系统的概念:
  嵌入式系统是以应用为中心,以现代计算机技术为基础,能够根据用户需求(功能、可靠性、成本、体积、功耗、环境等)灵活裁剪软硬件模块的专用计算机系统。
  1.2 嵌入式系统发展的三个阶段:
   第一阶段:19世纪70年代,随着8位、16位微处理器的诞生,以这些微处理器为核心所构成的系统广泛地应用于仪器仪表、医疗设备、机器人、家用电器等领域。
   第二阶段:随着微电子工艺水平的提高,集成电路制造商开始把嵌入式计算机应用中所需要的微处理器、I/O接口、A/D转换器、D/A转换器、串行接口,以及RAM、ROM等部件全部集成到一个VLSI中,从而制造出面向I/O设计的微控制器,即俗称的单片机。
   第三阶段:以芯片技术和网络通信技术为标志。微电子技术发展迅速,SOC(片上系统)使嵌入式系统越来越小、但是功能越来越强。与网络通信技术的结合形成了我们今天熟知的物联网。

二、网络通讯技术在嵌入式系统中的应用

  2.1 终端处理能力强的情况 (以手机通讯应用场景为例):
手机通讯应用场景
  总结:手机这类高性能终端设备具有处理能力强大的SOC、基带芯片;因此,有更多的通讯方式可以选择,可以运行更复杂的网络通讯协议。
  2.2 终端处理能力弱的情况 (以智能水卡应用场景为例):
智能水卡应用场景
  总结:终端刷卡机由于功耗、成本、算力限制,不具备直接使用以太网的能力,因此需要通过网关进行通讯协议转换,从而实现与云端服务器进行数据交换。

三、嵌入式领域的通讯方式

嵌入式领域的通讯方式

四、网络通讯协议栈

网络通讯协议栈
  总结:任何一个通信协议都会分出若干层次结构,各自负责不同的功能,数据信息进行层层封装之后通过物理介质发送出去。这里面会涉及到具体的物理传输介质选取、信号的编码、寻址等一系列问题。

五、LPWAN(Low-Power Wide-Area Network,低功率广域网) 场景下的物联网通讯

  5.1 应用领域:

智慧表计: 电表、水表、煤气表、热量表等;
智能交通:共享单车、交通锥桶、路况监测、智能停车等;
物流行业:冷链物流、智能集装箱锁、贵重物品跟踪、快递物流等;
智慧城市:智能井盖、智能充电桩、智能路灯、智能垃圾桶广告牌监管、文物保护等;
智能家居、穿戴式应用、农业、电网 。。。。。

  5.2 关键特性:
关键特性

六、NB-IoT (Narrow Band Internet of Things,窄带物联网) 解决方案

  6.1 NB-IoT 的概念:
  NB-IoT是一种全新的基于蜂窝网络的窄带物联网技术,是3GPP组织2017定义的国际标准,可在全球范围内广泛部署,聚焦于低功耗广域网,基于授权频段运营,可直接部署于LTE网络(复用已有基站)具备较低的部署成本和平滑升级能力。
  NB-IoT聚焦于低功耗广覆盖(LPWA)物联网(IoT)市场,是一种可在全球范围内广泛应用的新兴技术。具有覆盖广、连接多、速率快、成本低、功耗低、架构优等特点。NB-IoT使用License频段,可采取带内、保护带或独立载波等三种部署方式,与现有网络共存。
  6.2 系统架构图:
NB-IOT系统架构

七、总结

  嵌入式领域的通讯传输问题一直都是关注的重点,也是在做相关项目中必须要考虑的问题,对于短距离通讯,在较早就有了很好的解决方案,如蓝牙技术、NFC、ZigBee等。 但低功耗远距离通讯一直是嵌入式通讯领域的一个痛点,好在这几年,随着通讯技术的发展,NB-IoT、lora等技术的提出,才逐渐解决这一问题。数据传输问题的解决,将会极大地促进嵌入式系统的发展,期待万物互联的智慧世界早日到来。

文章作者: IT之旅
文章链接: https://www.meijindong.top/posts/2679122656.html
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