嵌入式世界專欄─嵌入式系統於3G數據通訊的應用與演進

現今行動上網的時代，人手一支智慧型手機，隨時都可以上網，尤其隨著蘋果電腦的iPhone和iPad的陸續普及，讓廣域數據通訊成為一股不可抵擋的潮流。至於非行動裝置的電腦，傳統上都是使用寬頻(broadband)上網，或是光纖、cable modem、ADSL或是Ethernet。但是由於數據通訊的持續便利化，介於帶有電池的裝置與傳統使用市電的電腦之間的許多數位化設備，亦有與雲端及後台通訊的需求，於是，3G數據通訊產品應運而生。

有別於大眾對於手機上網或平板電腦上網的印象，工業等級的3G通訊裝置大多僅有數據傳輸的功能，由於不會有人想要拿著「不像電話的裝置」講電話，所以此類裝置並不帶有語音的人機介面。另外，在工業設備裡，3G通訊裝置負擔的是M2M的訊息溝通，因此3G的數據轉換器並不需要有聲音輸出/輸入的元件，或是0至9，撥出或掛斷等按鈕。反倒是對於裝置本身系統軟硬體的穩定度要求，高過於一般消費性產品。由此，嵌入式系統就是一個開發此類產品的不二路徑。

數據轉換器的產品，原本即存在於工業應用市場，以一般RS232(serial port)轉換成Ethernet，並在其上增加TCP/IP或是ATM等通訊協定的轉換器而言，是許多系統整合商最常使用的轉換器。其他的各種通訊協定，如MODbus、Zigbee、CAN...等通訊協定，也都有單獨的產品。

3G數據轉換器的演進，原本是從GSM時代的modem衍生而來，由於2G時代的Data flow最多僅達到9,600bps，所以一般2G的數據傳輸，通常都以RS232當作傳輸的標準。當人們對於數據傳輸的需求增加，從原本單純的數字資料交換，提升到傳輸照片或是連續的影像(例如，路口的監視器)，2G通訊速度明顯無法負荷。於是3G/3.5G/3.75G 的通訊(HSDPA/HSUPA/WCDMA/CDMA2000等)應運而生。

但是當數據傳輸的速度高於9,600bps時，原本以RS232為基礎的傳輸標準已經不敷使用，需要以更高速的USB介面取代。而USB介面的裝置，在系統應用商(System Integrator)的角度，並不見得好用，最主要是由於USB的傳輸雙端，需要有較RS232複雜的機制。所以，Host端的系統，必須撰寫驅動程式(如果是一般標準的作業系統如Windows、Linux等)。設備提供商這邊，都需要提供driver讓系統工程師安裝在作業系統上使用。但是，如果遇到Host端的系統也是Embedded System(如WinCE、Embedded XP、Embedded Linux等)，問題就更多了─Porting的軟體課題，常常讓系統整合業者面臨深不可測的開發風險，常常是porting的軟體工程開始進行之後，才知道driver porting不上去，有可能是需要更底層的source code，也有可能是自己的library要小改或重寫一部分，接下來遇到的就是，通訊原本即非本行，為了解決問題，卻需要花大量時間和精力去研究這些通訊協定。總之，專案決定開始後，勢必要結案，但經常是發生專案延誤，或是porting出來的效能比原先預估的差。更傷腦筋的，則是花了長時間開發，最後卻還是宣告失敗。

藉由長年開發無線網路及2G/3G無線通訊領域，及在車載工規電腦的領域所累積的經驗，台灣音普達(BOINTEC TAIWAN)於2011年8月發表了工業等級的3G數據轉換器，其最主要的優點，就是省略標案系統整合業者，或是產品系統整合業者這邊對於3G通訊的需求。以提供標準的Ethernet網路介面，讓工程師能在開發整個專案時，將3G廣域通訊當成是主系統的一個子部分，輕鬆地整合至原先的設備內。以BOINTEC Cellular Converter MR521來說，提供了標準的乙太網路接頭，讓大多數的工業電腦或主機板，以10/100的網路與3G廣域通訊接軌，並且提供以網頁為管理基礎的系統設定(Web-based configuration management)。系統工程師與軟體整合工程師不再需要為了3G通訊，而要翻遍兩三百頁的AT Command，讀熟了之後，再開始撰寫通訊介面的程式。也不需要因為Host本身是Embedded System，而受制於通訊模組廠商，source code不能release或是release不夠，而到處打電話求救，或是上網狂找Open Source。 MR521 並且保留了RS232介面，使沒有Ethernet的設備，也能應用RS232進行2G/3G網路資料傳輸。

至於3G 轉換為USB的解決方案，BOINTEC也提供了標準的內置式模組產品MPE501QA1。對於Driver porting的問題，則以內部原先編好的AT-Command讓USB以標準NDIS方式呈現在上位層，將MPE501QA1模擬成1個網路介面。如此一來，將大幅縮減系統工程師的驅動程式開發時程。此外， MPE501QA1為一內建式模組，外型體積配合標準的2.5吋內建式硬碟，固定螺絲孔位亦完全符合2.5吋硬碟機構孔位，可以輕易的置放於工業型的電腦裝置中。MPE501-QA1並設計有remote SIM card socket，可將SIM卡插槽設計於電腦機構外側，使用者不需要將電腦外殼拆解換置SIM卡。MPE501QA1並且結合了GPS全球定位系統，以標準的NMEA protocol做衛星定位。此一GPS裝置，一樣也是用USB模擬成序列埠(serial port)，所以對於Driver porting的負擔，也將大幅減少。除此之外，MPE501QA1另外並有Wi-Fi介面，可以將Host裝置模擬成Wi-Fi client或是Wi-Fi Access Point。

[嵌入式世界專欄每週二刊載]