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手機大翻新：以智慧型手機介面應用控制嵌入式系統
( 2007年5月1日)
作者：Warren Webb, 技術編輯, EDN雜誌
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<p>隨著智慧型手機的熱賣，設計者將自己的目光投向內建的可編程繪圖、越來越強的處理性能及通信選項，以替換或增強最具挑戰性和最昂貴的嵌入式系統部件：使用者介面。經過正確的設定，在可攜式的智慧型手機上點選幾下，你就能連接到並管理任何的嵌入式元件。如果再加進一些特別的軟體，一款智慧型手機可以複製出專利產品的外觀和感覺，而且只要付出少數的開發費用和時間，就可以具備一種類似客製化嵌入式硬體介面的使用者體驗。 </p>
<p>智慧型手機作為嵌入式元件控制器可以有許多應用，如工業控制器、門禁控制產品、醫療儀器、保全系統、環境控制，甚至家居自動化元件。例如，MP4 Solutions提供的Airstrip OB 智慧型手機應用，可以讓產科醫生在遠端利用General Electric的Centricity Perinatal資訊系統存取到胎兒的即時心跳曲線，以及獲得宮縮(maternal-contraction)的模式(圖1)。智慧型手機的即時顯示可以消除護士轉述時所可能發生的錯誤，同時也可增加醫生對病患檢查的頻率。Airstrip OB可以讓多名醫生存取多名病患的狀況，同時還能確保健康保險流通與責任法案(Health Insurance Portability and Accountability Act，HIPPA)所要求的隱私權保護。醫生每年支付300美元，或每月30美元以取得Airstrip OB的授權。 </p>
<p>智慧型手機或聚合型行動元件(converged-mobile-device)技術能在口袋大小的外形尺寸中，組合PDA、多媒體記錄器和播放器、數位通信，以及網際網路接入等功能。同時，這些元件也能完成電話呼叫功能。智慧型手機已將可攜式PDA驅逐出市場，因其有更高的處理能力，能完成很多以前只有筆記型電腦才能做到的任務。IDC報告說，2006年第二季，全球聚合型行動元件的出貨量達到創紀錄的193萬台。IDC將聚合型行動元件定義為擁有高級作業系統的手機，如BlackBerry、Linux、Palm、Symbian或Windows Mobile。 </p>
<p><strong>彈性的手機 </strong><br>
智慧型手機為嵌入式系統設計者提供了很多優於客製化硬體的優點。除了明顯的價格與體積優勢以外，智慧型手機還擁有設計上的彈性。一款智慧型手機可以控制多台嵌入式元件，反之，多個授權使用者可以控制一台嵌入式元件。根據嵌入式系統和手機的能力，使用者在交換資料時，可以利用像紅外線或藍芽等這類短距離傳輸技術；中距離的802.11網路；或長距離的行動系統。但智慧型手機的使用也帶來了許多問題。例如，對安全與隱私權的考量，使軟體大幅複雜化。另外，每個使用者都需要有一台包含應用軟體和資料服務的智慧型手機。智慧型手機有各種體積、螢幕尺寸、處理器速度和作業系統。這些不同選項可以讓使用者能夠根據自己的需求作出恰當的選擇，但卻為嵌入式系統設計者帶來了整合與互通性的問題。最後，在多數的大型企業中，資訊技術部門都要指定手機策略與選擇營運商。 </p>
<p>大多數的智慧型手機是在分碼多重擷取(code-division-multiple-access，CDMA)或全球行動通訊系統(Global System for Mobile communications ，GSM)的蜂窩網路上工作。用CDMA時，傳輸信號的頻率會根據一個已定義的碼(defined code)作跳躍，只有遵循相同頻率組的接收機才可以探測到它。CDMA可以使多個射頻來共用相同的頻道。GSM是最常見的行動標準：200多個國家中的20億人正在使用它。大多數行動技術都有朝第三代發展的規劃，以擴充大頻寬系統應用的資料速率。具體例子有GSM增強型數據傳輸(Enhanced Data Rates for GSM Evolution，EDGE)和演進資料最佳化(EVolution Data Optimized，EV-DO)。 </p>
<p>有很許多方法可以經由現有的通信鏈結實現智慧型手機與嵌入式元件介接。基本的設計挑戰是將通信軟、硬體整合到嵌入式元件當中，並可能要為手機開發一種客製化的應用。一種常用的方法是為嵌入式元件增加網站伺服器(Web-server)功能，使它具有網際網路的連接能力。如果嵌入產品有多餘的處理能力和一個通信埠，則設計者可以直接在韌體中增加網站伺服器軟體。例如，採用支援嵌入式元件和應用、小型且為開放原始碼的AppWeb網站伺服器。該軟體有GNU開放原始碼授權，並且有支援它的開發者社群。它提供標準的動態網頁建立環境。讀者可以從<a href="http://www.appwebserver.org/">www.appWebserver.org</a>下載免費的AppWeb軟體，以及全部原始碼。 </p>
<p>為了對擴充能力有限的產品進行翻新改造，可以選擇放入式(drop-in)的網站伺服器模組，它的一端是連接到嵌入式元件的串列介面，另一端則是乙太網路埠。網站伺服器擁有連網軟體，讓設計者可以將精力集中在嵌入式系統應用上。NetMedia公司30美元的SitePlayer模組和Lantronix 50美元的Xport嵌入式乙太網路元件伺服器都是這種附加式網站伺服器的範例。每一台元件都能建立採用標準超文件標示語言(HyperText Markup Language，HTML)編寫工具所開發的與智慧型手機相容之網頁，並直接下載到內建的快閃記憶體裡。然後可以與元件通信，並從任何標準瀏覽器或智慧型手機瀏覽器控制元件。 </p>
<p><strong>短距離鏈結 </strong><br>
短距離無線鏈結也能為嵌入式元件的控制與監控提供所需的連接，如紅外線、藍芽和Wi-Fi。大多數的智慧型手機都提供內建的藍芽收發器，可以無線連接到鄰近的元件進行同步，如耳機、全球定位系統(global-positioning-system，GPS)模組、其他的智慧型手機和PC。有了一台整合藍芽收發器的嵌入式元件(用於客製化智慧型手機應用)，就可以為短距離互動應用建立一個使用者介面。透過紅外線也可以建立類似的通信鏈結，但比較難以掌握彼此間的對準，完全視感測器的位置而定。雖然Wi-Fi收發器能提供一個較長距離的連接，但智慧型手機營運商不願意提供這種功能，因為網際網路協定語音(voice-over-Internet Protocol，VoIP)連接會使他們損失按分鐘計算的收費。 </p>
<p>儘管透過智慧型手機瀏覽器就可以簡單地選擇網站伺服器位址，從而發展出嵌入使用者介面，但透過軟體的修改，可以創造出更客製化的外觀和感覺，並簡化流程。多數智慧型手機供應商都提供開發工具，鼓勵第三方供應商開發附加軟體，增加手機銷售量或提高每分鐘收費額。儘管嵌入式元件通常有很多軟體供應商，以及自己的客製化軟體，但智慧型手機軟體的來源非常有限。主要的手機平台作業系統無非是嵌入式Linux、Symbian、Windows Mobile、Palm，以及Research in Motion。 </p>
<p>許多手機製造商都擁有和支持Symbian，包括諾基亞、愛立信(Ericsson)、索尼和三星在內，Symbian擁有最大的智慧型手機市場占有率。Symbian OS包括一個即時、多線程、先發的(pre-emptive)內核，並支援大多數電話、訊息發送和多媒體協定。Symbian開發者的目標是資源有限的手持式元件，因而極其重視記憶體和功率的保護。Symbian網站上提供一套完整的開發工具，包括付費的版本和免費的版本。 </p>
<p>Palm作業系統開發工具比任何其他智慧型手機軟體供應商都要成熟，但該公司已分裂，從而在開發人員中造成混亂。PalmOne是Palm獨立出來的硬體業務，PalmSource最近由Access收購，負責維護Palm作業系統，以及與第三方開發者的工作。應用開發人員可以選擇C、C++、Visual Basic或Java編程語言，再加上Freescale CodeWarrior或Eclipse整合開發環境。在PalmSource網站上可以找到開發工具、文件和教學內容。 </p>
<p>Linux是成長最快的智慧型手機作業系統，它可以提供開放原始碼給開發者，免除了授權限制，還有免費的開發工具以及龐大的支持社群。為了支援它快速的成長，摩托羅拉一位發言人近日宣佈，該公司今後兩年內出貨的手機中，一半以上將採用Linux。Evans Data集團報告說，2005年售出的智慧型手機中，幾乎有四分之一是採用Linux作業系統的。但是，Linux也有一些問題。批評者表示，Linux智慧型手機平台有著分裂和互通性問題，因為開發者群體可以很方便地修改自己的代碼。Linux話機標準聯盟(Linux Phone Standards Forum，LiPS)與開放原始碼開發實驗室(Open Source Development Lab，OSDL)最近聯手定義了一些標準，準備將Linux轉為隨插即用的手機平台。 </p>
<p><strong>Windows蓄勢待發 </strong><br>
為了支持用於Pocket PC和智慧型手機的最新作業系統Windows Mobile 5，微軟公司更新了自己的工具結構，將Visual Studio 2005當作主要的整合開發環境，用以建立所有的Windows行動應用。開發者可以選擇C++、C#和Visual Basic語言，以及用於行動元件的一組擴充應用編程介面。Visual Studio 2005亦提供元件模擬器(device emulator)，可以直接在PC工作站上模擬應用軟體的運行。你可以在Windows Mobile開發者中心找到微軟的工具、教學內容和應用範例。 </p>
<p>由於我剛取得了一台基於Windows Mobile 5平台的最新型Motorola Q智慧型手機，我決定用它來建立一個基本的使用者介面，以用來監控和控制一個簡單的嵌入式元件。Motorola Q擁有一個320×240像素的顯示螢幕、一個完整的QWERTY鍵盤、支援EV-DO、整合有藍芽、揚聲器、一個130萬像素的相機，以及大量多媒體功能。透過內建的網頁瀏覽器和e-mail功能，Q擁有了嵌入使用者介面所必需的全部通訊功能。 </p>
<p>我的第一個任務是為在Q上建立客製化應用尋找必要的開發工具。我從微軟的開發人員網站著手，下載了智慧型手機軟體發展工具(software developer's kit，SDK)和一個90天試用期的Visual Studio 2005。但我發現總下載體積接近3 Gbytes，於是勉強付13美元讓微軟郵寄DVD給我，並且作好了長期等待的準備。出乎意料之外的是，只過了兩天，我就在郵箱中發現了微軟寄來的包裹。安裝很順利，數小時內我就能開始測試一些應用的例子了。然後我轉到摩托羅拉的開發人員網站上，在那裡發現了Q開發者指南，以及將該公司的客製化模擬器映射安裝到Visual Studio 2005中的說明。 </p>
<p>現在，我就擁有了一個Motorola Q的完整開發環境，下面還需要一個嵌入式系統，以用來控制。幸好我手邊有一個用於SitePlayer網頁伺服器的開發工具組，它可以模擬一台基本的嵌入式元件。100美元的工具組中包括有LED和開關的主機板、溫度感測器和SitePlayer模組(圖2)。工具組中還擁有軟體範例和一組繪圖旋鈕(graphical knob)、開關、及LED的庫，以及幫助網頁開發的其他使用者介面工具。我把它用串列方式連接到我的筆記型電腦上，再透過一個乙太網路鏈結進入我的家庭網路，我就可以與SitePlayer預裝的網頁互動了。我可以用標準的瀏覽器點選進入SitePlayer出廠設定的IP位址，用開發工具組控制兩支LED，並讀出兩個開關的狀態。 </p>
<p><strong>網路瀏覽 </strong><br>
為了建立下載到SitePlayer的網頁，我需要HTML編輯工具，用於修改NetMedia提供的代碼範例。在Google上快速搜索後，我找到並下載了免費的Nvu(new view，新視角)網頁編輯系統。Nvu 可以完成WYSIWYG式的網頁編輯，與HTML結構無關，它的功能類似於微軟的 FrontPage和Adobe的Dreamweaver。經過短暫的學習過程，我就能完成裝入頁面範例，保持硬體連接等工作，並且建立出適用於智慧型手機小型繪圖顯示器的所有新網頁。開放原始碼的Nvu系統採用Mozilla的公共授權。 </p>
<p>過程的最後一步是建立Motorola Q專用的智慧型手機應用，當我啟動應用時，它將跳過一般的網頁位址導航步驟，直接顯示SitePlayer的使用者介面頁。開始時，我考慮到這些工具和功能都內建在Visual Studio和Windows Mobile 5的緊湊框架內，因此預計要有一個很長的學習曲線。但是，看了一些微軟開發人員網站上的線上教學課程後，我發現自己的應用很簡單，只需要一行代碼就能識別SitePlayer的URL。安裝好智慧型手機SDK後，我可以拖拽自己的控制項(WebBrowser)到被模擬的顯示上，增加自己的代碼，建立機器碼，並且直接從Visual Studio編程環境中將結果應用到Motorola Q模擬器上(圖3)。當然，也許事情並不是這麼簡單。我在識別元件控制、將模擬器連接到自己網路，以及為320×240像素顯示器作網頁時都遭遇到一些問題。 </p>
<p>儘管應用要比我原先想像的簡單，我可以選擇相對應的鏈結並點選智慧型手機模擬器中五段開關的中心，使應用中的LED亮起來或熄滅(圖4)。而雖然不是即時的，但系統還可以顯示開關設定。我編寫的應用需要作一個頁面刷新，才能讀出當前的開關狀態，這種方式銷售人員可能難以接受。雖然我的應用軟體中有瑕疵，但智慧型手機使用者介面的概念對於降低嵌入式系統計畫成本、縮短開發週期仍有很大的潛在機會。 </p>
<p>參考資料 <br>
Access: <a href="http://www.access.co.jp/english">www.access.co.jp/english</a> <br>
Adobe: <a href="http://www.adobe.com/">www.adobe.com</a><br>
AppWeb: www.appWebserver.org <br>
Eclipse: <a href="http://www.eclipse.org/">www.eclipse.org</a> <br>
Ericsson: <a href="http://www.ericsson.com/">www.ericsson.com</a> <br>
Freescale Semiconductor: www.freescale.com <br>
General Electric: <a href="http://www.gehealthcare.com/">www.gehealthcare.com</a><br>
IDC: www.idc.com Lantronix: www.lantronix.com <br>
Linux Phone Standards Forum: <a href="http://www.lipsforum.org/">www.lipsforum.org</a> <br>
Microsoft Corp: www.microsoft.com Motorola: www.motorola.com <br>
MP4 Solutions: <a href="http://www.airstripob.com/">www.airstripob.com</a> <br>
NetMedia Inc: <a href="http://www.netmedia.com/">www.netmedia.com</a> <br>
Nokia: www.nokia.com <br>
Nvu: <a href="http://www.nvu.com/">www.nvu.com</a> <br>
Open Source Development Labs: <a href="http://www.osdl.org/">www.osdl.org</a><br>
PalmOne: www.palmone.com <br>
PalmSource: www.palmsource.com <br>
Research in Motion: www.rim.net Samsung: www.samsung.com <br>
Sony: <a href="http://www.sony.com/">www.sony.com</a> <br>
Symbian: www.symbian.com </p>
<p>提示 <br>
現成的智慧型手機可以代替某些嵌入式設計使用者介面的一部分，可大幅減少開發工作。 </p>
<p>雖然高速行動資料傳輸是一種基準，但設計者也可以為智慧型手機介面選擇短距離的藍芽和 802.11 網路。 </p>
<p>低成本網頁伺服器模組為元件製造商提供了一種簡單的方法，可以將嵌入式元件升級成具備與智慧型手機的相容性。 </p>
<p>大多數手機供應商提供整合式開發工具，簡化了對智慧型手機使用者介面設計的客製化編程要求。 </p>
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<p>Click here for Figures:</p>
<p><a href="../cmsimages/0705pg19_f1.jpg" target="_blank">Figure 1 </a>, <a href="../cmsimages/0705pg19_f2.jpg">Figure 2 </a>,<a href="../cmsimages/0705pg20_f3.jpg" target="_blank"> Figure 3 </a>,<a href="../cmsimages/0705pg21_f4.jpg" target="_blank"> Figure 4</a></p>
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