系統(tǒng)橫向發(fā)展：嵌入式使能技術(shù)及其在智能電能和醫(yī)療保健領(lǐng)域的應(yīng)用

　　摘要

　　雖然某些研究人員起初對互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)用于傳感器網(wǎng)絡(luò)持有懷疑的態(tài)度，但是拋棄某些組織獨有或非開放標(biāo)準(zhǔn)的解決方案，轉(zhuǎn)而接受互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議已成為今天嵌入式技術(shù)領(lǐng)域的大趨勢。此外，在縱向系統(tǒng)內(nèi)，傳感器只用于特定應(yīng)用領(lǐng)域；而在橫向系統(tǒng)內(nèi)，一個應(yīng)用可使用多個設(shè)備，反之，多個應(yīng)用可使用同一個設(shè)備，為降低成本，縮短上市時間，系統(tǒng)需要從縱向向橫向轉(zhuǎn)變。智能網(wǎng)關(guān)是實現(xiàn)這個長期轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵系統(tǒng)組件，因為它可以連接不同的鏈路層技術(shù)（e.g. 802.15.4， BT， PLC， etc…），能夠?qū)⒕W(wǎng)絡(luò)設(shè)備集成至面向服務(wù)的架構(gòu)。我們將以智能能源和醫(yī)療保健領(lǐng)域為例介紹實現(xiàn)這個構(gòu)想的解決方案。

　　雖然某些研究人員起初對互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)用于傳感器網(wǎng)絡(luò)持有懷疑的態(tài)度，但是拋棄某些組織獨有或非開放標(biāo)準(zhǔn)的解決方案，轉(zhuǎn)而接受互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議已成為今天嵌入式技術(shù)領(lǐng)域的大趨勢。事實上，隨著最近32位微控制器的性能提升和高度優(yōu)化的協(xié)議棧軟件的出現(xiàn)，在智能物體上增加IP連接已經(jīng)可行。事實上，這些IP協(xié)議棧的典型要求很低，運行輕量級操作系統(tǒng)且有8KB可用RAM空間的微控制器即可滿足這些需求。廣泛部署基于IP的智能物體網(wǎng)絡(luò)，為越來越多的應(yīng)用服務(wù)，這在幾年前似乎還很難想象，而今天已變得可行。

　　此外，在縱向系統(tǒng)內(nèi)，傳感器只用于特定應(yīng)用領(lǐng)域；而在橫向系統(tǒng)內(nèi)，一個應(yīng)用可使用多個設(shè)備，反之，多個應(yīng)用可使用同一個設(shè)備，為降低成本，縮短上市時間，系統(tǒng)需要從縱向向橫向轉(zhuǎn)變。按照我們的觀點，系統(tǒng)從縱向向橫向轉(zhuǎn)變是一個長期過程，實現(xiàn)這個過程需要幾個重要使能技術(shù)，互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議是其中之一。互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議可以構(gòu)建一個統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，使應(yīng)用服務(wù)器無需翻譯協(xié)議即可連接設(shè)備。此外，通過在最小的設(shè)備內(nèi)部署基于IPv6的架構(gòu)，可以利用最先進(jìn)的頂層協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)。限制性應(yīng)用協(xié)議（CoAP）就是其中一個，按照這個協(xié)議可以開發(fā)輕量級的嵌入式網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，這些服務(wù)可以曝露設(shè)備資源（如傳感器），準(zhǔn)許來自不同領(lǐng)域的業(yè)務(wù)邏輯訪問這些資源。從這個意義上講，IPv6協(xié)議和智能物體所用的相關(guān)頂層技術(shù)可幫助系統(tǒng)向橫向轉(zhuǎn)化。

　　現(xiàn)在我們看一個采用上文提到的開放技術(shù)替代專有解決方案的應(yīng)用領(lǐng)域：新出臺的智能能源規(guī)范第2版（SEP 2.0）。該規(guī)范規(guī)定了一個輸電和用電管理協(xié)議，并通過定義新的增值服務(wù)，給電力公司和用電戶帶來好處。最新的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IPv6）棧的應(yīng)用可提高不同廠商及其物理層接口之間的互動性。意法半導(dǎo)體領(lǐng)跑該領(lǐng)域的研發(fā)競賽，推動高效節(jié)能產(chǎn)品上市。內(nèi)置802.15.4接口的STM32W微控制器支持SEP 2.0的很多先進(jìn)功能，例如，預(yù)付費服務(wù)、負(fù)載響應(yīng)和能源需求管理。這是一款高代碼密度微控制器，片上存儲器容量提高到256KB，基于ARM? Cortex?-M3處理器內(nèi)核，可用于開發(fā)兼容SEP 2.0標(biāo)準(zhǔn)的智能電網(wǎng)應(yīng)用。

　　從長遠(yuǎn)看，醫(yī)療保健是另一個很可能走上述路線的應(yīng)用領(lǐng)域。在這個領(lǐng)域，穿戴式醫(yī)療設(shè)備在監(jiān)測病癥和提前診斷方面具有很大的優(yōu)勢。遠(yuǎn)程健康監(jiān)視系統(tǒng)是由各種設(shè)備組成，其中包括傳感器和人體網(wǎng)關(guān)。傳感器可監(jiān)測生命體征參數(shù)，例如，心電圖（ECG）、心率、身體活動、血壓和體重等等，在這里就不一一列舉了。人體網(wǎng)關(guān)是一個穿戴式設(shè)備，用于采集并發(fā)送傳感器數(shù)據(jù)到遠(yuǎn)程應(yīng)用服務(wù)器。從連接角度看，傳感器與人體網(wǎng)關(guān)通信采用了不同的鏈路層技術(shù)，例如，Bluetooth/Bluetooth LE、 IEEE 802.15.4等。6LoWPAN標(biāo)準(zhǔn)適配層使 802.15.4和 Bluetooth LE通信可以使用IPv6 協(xié)議。意法半導(dǎo)體為生化相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域提供先進(jìn)的傳感器和連接解決方案。

　　網(wǎng)關(guān)是另一項重要的橫向集成使能技術(shù)。作為系統(tǒng)組件，網(wǎng)關(guān)位于設(shè)備區(qū)域網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)之間，承擔(dān)兩項重要任務(wù)：將不同的鏈路層技術(shù)連接在一起，準(zhǔn)許網(wǎng)絡(luò)設(shè)備集成到面向服務(wù)的架構(gòu)（SOA）。關(guān)于第一項任務(wù)，值得一提的是，目前鏈路層技術(shù)市場呈現(xiàn)諸侯分割的局面，不同的應(yīng)用和法規(guī)要求造成各種解決方案并存。至于第二項任務(wù)，將不同網(wǎng)絡(luò)（人體/個人區(qū)域/局域/）內(nèi)的設(shè)備集成到面向服務(wù)的架構(gòu)內(nèi)有很多好處，例如，通過明確定義的接口，基于互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用可以使用遠(yuǎn)程服務(wù)。因此，在分布式應(yīng)用中的傳感器/執(zhí)行器控制和數(shù)據(jù)交換因互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的使用而變得更容易，網(wǎng)關(guān)可整合和補(bǔ)充從多個節(jié)點采集的數(shù)據(jù)。除上面提到的兩項任務(wù)外，網(wǎng)關(guān)還有其它功能。例如，從數(shù)據(jù)安全角度看，網(wǎng)關(guān)可防止外部攻擊傳感器節(jié)點，執(zhí)行訪問權(quán)限控制。此外，網(wǎng)關(guān)的高速數(shù)據(jù)緩存功能還有助于延長傳感器電池的使用壽命。

　　圖1給出了從應(yīng)用到設(shè)備的總體架構(gòu)。

　　圖1 – 總體系統(tǒng)架構(gòu)

　　意法半導(dǎo)體為這個低成本高能效網(wǎng)關(guān)提供很多元器件，特別是網(wǎng)關(guān)的核心系統(tǒng)級芯片和用于與設(shè)備區(qū)域網(wǎng)互動的各種連接器件。