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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 具有平臺(tái)無關(guān)性的智能SD卡
- 小類：
- 信息技術(shù)
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡(jiǎn)介：
- 本作品提出一種具有平臺(tái)無關(guān)性的智能SD卡，簡(jiǎn)稱為i-SD。i-SD由以下三部分組成：1、FPGA，包括軟核，SD控制器，擴(kuò)展硬件控制器和存儲(chǔ)器控制器；2、擴(kuò)展硬件；3、存儲(chǔ)介質(zhì)。 i-SD的接口與普通的SD卡完全一致，任意具有SD卡槽的移動(dòng)終端都可以無阻礙的使用i-SD，實(shí)現(xiàn)了新技術(shù)的平滑過渡。 i-SD具有無線通信功能，是一種新型的移動(dòng)網(wǎng)關(guān)，它是不同傳感網(wǎng)之間的網(wǎng)關(guān)；是異構(gòu)網(wǎng)（蜂窩網(wǎng)，傳感網(wǎng)和骨干互聯(lián)網(wǎng)）之間的網(wǎng)關(guān)；是物理世界和數(shù)字世界的網(wǎng)關(guān)，使“Internet of Things”成為可能。 i-SD卡具有硬件平臺(tái)無關(guān)性。i-SD將平臺(tái)對(duì)文件系統(tǒng)的操作轉(zhuǎn)換為對(duì)射頻芯片的操作，并將對(duì)射頻芯片的操作映射到文件系統(tǒng)中，由于任意硬件平臺(tái)均可實(shí)現(xiàn)對(duì)i-SD上文件的讀寫，這樣就可以保證i-SD在不同硬件平臺(tái)下都可以通用的進(jìn)行操作。 i-SD具有軟件平臺(tái)性無關(guān)性。軟件平臺(tái)無關(guān)利用平臺(tái)無關(guān)的Java、Python等跨平臺(tái)語言實(shí)現(xiàn)。由于i-SD和主機(jī)的數(shù)據(jù)交互只通過上層的文件系統(tǒng)操作，同時(shí)此類平臺(tái)無關(guān)的語言又提供了文件操作API，因此可以實(shí)現(xiàn)平臺(tái)無關(guān)。
- 詳細(xì)介紹：
- 當(dāng)前，各種新興技術(shù)飛速發(fā)展，隨之涌現(xiàn)出大量的新應(yīng)用，新功能。如：手機(jī)拍照，手機(jī)無線上網(wǎng)，GPS，WIFI等等，這些新技術(shù)新應(yīng)用的發(fā)展呈爆炸性趨勢(shì)。與此同時(shí)，為了享受到這些新應(yīng)用，用戶不得不頻繁的更換手機(jī)。統(tǒng)計(jì)表明，在兩年內(nèi)更換手機(jī)的人數(shù)超過了總?cè)藬?shù)的50%。這樣不但是對(duì)經(jīng)濟(jì)的浪費(fèi)，也會(huì)造成大量的電子垃圾。另一方面，移動(dòng)設(shè)備難以擴(kuò)展也成為一個(gè)大問題。處理器多樣性和操作系統(tǒng)多樣性共同導(dǎo)致了移動(dòng)終端的平臺(tái)多樣性，導(dǎo)致研發(fā)人員很難開發(fā)出通用于各種平臺(tái)的通用擴(kuò)展設(shè)備，來滿足用戶日益增長(zhǎng)的新需求。 針對(duì)這樣的狀況，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種具有平臺(tái)無關(guān)性的智能SD卡，簡(jiǎn)稱i-SD。除了代表智能（intelligent）之外，i-SD的i還具有四方面的含義： ? independence，代表i-SD最重要的特性：平臺(tái)無關(guān)性，這個(gè)特性很好地解決了移動(dòng)終端難以擴(kuò)展的問題； ? interface，既代表i-SD可以成為新功能與原有移動(dòng)終端結(jié)合的接口，也代表i-SD是用戶與外部世界進(jìn)行溝通的窗口，充分解決了新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，用戶頻繁更換移動(dòng)終端的問題； ? insert-and-play，代表i-SD具有即插即用性，不需要再借助任何額外的驅(qū)動(dòng)程序； ? information，代表i-SD是一個(gè)信息中心，它可以將外界的信息搜集融合之后實(shí)時(shí)呈現(xiàn)給用戶。 i-SD有以下五個(gè)特點(diǎn)。 （1）i-SD的接口與普通的SD卡完全一致，任意具有SD卡槽的移動(dòng)終端都可以無阻礙的使用i-SD，實(shí)現(xiàn)了新技術(shù)的平滑過渡。 （2）i-SD具有普通SD卡的存儲(chǔ)功能，在不需要用到i-SD新技術(shù)的情況下，用戶完全可以將i-SD當(dāng)做普通的SD卡使用。 （3）i-SD具有無線通信功能，插入i-SD的移動(dòng)設(shè)備相當(dāng)于添加了特殊的通信模塊，可以與其他插入i-SD的移動(dòng)設(shè)備組成個(gè)域網(wǎng)或小型無線局域網(wǎng)，也可以實(shí)時(shí)地與本地?zé)o線通信節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互。 （4）i-SD具有硬件平臺(tái)無關(guān)性。i-SD將平臺(tái)對(duì)文件系統(tǒng)的操作轉(zhuǎn)換為對(duì)射頻芯片的操作，并將對(duì)射頻芯片的操作映射到文件系統(tǒng)中，由于任意硬件平臺(tái)均可實(shí)現(xiàn)對(duì)i-SD上文件的讀寫，這樣就可以保證i-SD在不同硬件平臺(tái)下都可以通用的使用。 （5）i-SD具有軟件平臺(tái)無關(guān)性。軟件平臺(tái)無關(guān)性利用平臺(tái)無關(guān)的Java、Python等跨平臺(tái)語言實(shí)現(xiàn)。由于i-SD和主機(jī)的數(shù)據(jù)交互只通過上層的文件系統(tǒng)操作，同時(shí)此類平臺(tái)無關(guān)的語言又提供了文件操作API，因此可以實(shí)現(xiàn)軟件平臺(tái)無關(guān)性。 i-SD在硬件上由以下三部分組成。 ●FPGA。包括稱為ZtCore的軟核，SD通信接口，射頻芯片通信接口以及Nand flash通信接口。FPGA作為i-SD的核心部件，主要用于協(xié)調(diào)主機(jī)與射頻芯片、存儲(chǔ)介質(zhì)之間的通信。 ●射頻芯片。射頻芯片ZigBee幫助i-SD接入無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，作為終端和WSN數(shù)據(jù)交互的橋梁。 ●存儲(chǔ)介質(zhì)。存儲(chǔ)介質(zhì)Nand Flash用來保存用于i-SD與主機(jī)Host進(jìn)行交互的文件系統(tǒng)，以及存儲(chǔ)用戶的個(gè)人數(shù)據(jù)。 ZtCore(Zero-waste Tiny Core)是由參賽隊(duì)員設(shè)計(jì)的針對(duì)FPGA的4bit指令集MISC(Minimum Instruction Set Computer，最小指令集計(jì)算機(jī))CPU軟核，采用類Forth虛擬機(jī)的ML0(Multiple-stack, Large-stack-buffer, 0-operand-addressing)棧式架構(gòu)，兩級(jí)流水線，具有零執(zhí)行時(shí)間浪費(fèi)、零代碼空間浪費(fèi)以及低資源占用的特點(diǎn)。ZtCore主要實(shí)現(xiàn)ZigBee協(xié)議棧、協(xié)調(diào)主機(jī)與射頻芯片、存儲(chǔ)介質(zhì)之間的通信等功能。 我們?yōu)閕-SD提供了豐富的第三方開發(fā)工具，極大的方便了i-SD的開發(fā)和應(yīng)用過程。這些第三方開發(fā)工具包括： （1）ZtCore的Forth語言工具鏈。工具鏈可將利用Forth語言編寫的源程序編譯、鏈接為ZtCore的機(jī)器指令。 （2）ZtProg。ZtProg是由參賽隊(duì)員設(shè)計(jì)的用于i-SD的FPGA下載、調(diào)試，ZtCore程序下載、調(diào)試的編程調(diào)試器，具有零額外輔助設(shè)備以及小巧的特點(diǎn)。 i-SD的典型應(yīng)用場(chǎng)景包括： （1）無線聊天工具：裝有i-SD的移動(dòng)終端之間可以通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行聊天，借此打發(fā)無聊的時(shí)間。需要特殊說明的是，這種應(yīng)用場(chǎng)景看似沒有太大用途，卻是其他應(yīng)用場(chǎng)景的基礎(chǔ)，因?yàn)樗鼘?shí)現(xiàn)了i-SD最基本的功能-----數(shù)據(jù)的跨平臺(tái)無線收發(fā)。因此，這個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景實(shí)際上是一個(gè)測(cè)試性的應(yīng)用場(chǎng)景，實(shí)際用途并不是很大。 （2）自助導(dǎo)游系統(tǒng)：我們可以在景點(diǎn)處安裝具有導(dǎo)游信息的發(fā)送節(jié)點(diǎn)，這樣在移動(dòng)終端插入i-SD后，移動(dòng)終端與景點(diǎn)自動(dòng)形成一個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，這樣用戶就可以利用移動(dòng)終端實(shí)時(shí)接收景點(diǎn)的導(dǎo)游信息了，為用戶實(shí)現(xiàn)自助旅游提供了可能性。 （3）電子菜單：當(dāng)用戶進(jìn)入餐廳進(jìn)行點(diǎn)菜時(shí)，可以將i-SD插入用戶的移動(dòng)終端設(shè)備，這樣用戶就可以在自己的移動(dòng)終端上進(jìn)行點(diǎn)菜，點(diǎn)菜的信息會(huì)自動(dòng)傳輸?shù)椒?wù)臺(tái)，為用戶點(diǎn)菜提供了廣闊的靈活性和便捷性。 （4）天氣信息接收系統(tǒng)：我們可以在校園的部分地點(diǎn)放置天氣情況觀測(cè)節(jié)點(diǎn)，這樣當(dāng)用戶攜帶了添加i-SD的移動(dòng)終端，并進(jìn)入無線接收范圍后，就可以收到這些觀測(cè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的天氣信息，這樣對(duì)于用戶方便及時(shí)的了解校園天氣狀況，做好及時(shí)應(yīng)對(duì)很有幫助。 標(biāo)準(zhǔn)SD卡規(guī)格的i-SD已經(jīng)制作完成并調(diào)試成功，經(jīng)過測(cè)試，可以在計(jì)算機(jī)以及PDA上實(shí)現(xiàn)相互之間的數(shù)據(jù)收發(fā)，初步驗(yàn)證了硬件平臺(tái)的無關(guān)性。而且在測(cè)試過程中分別在Windows XP操作系統(tǒng)，Windows Vista操作系統(tǒng)和Linux系統(tǒng)上進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，都收到了滿意的效果，驗(yàn)證了軟件平臺(tái)的無關(guān)性。通信環(huán)境為有障礙有干擾的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，通信距離為10米左右。 為了更好的適應(yīng)不同移動(dòng)終端接口的需求，i-SD的小型化進(jìn)程一直沒有停止。我們希望最終能夠做出標(biāo)準(zhǔn)，Mini以及Micro三種規(guī)格的i-SD，這樣就可以覆蓋具有SD卡槽的所有移動(dòng)終端。目前，Mini i-SD v1已經(jīng)制作完成并調(diào)試成功，收到了與標(biāo)準(zhǔn)i-SD同樣良好的效果。Mini i-SD v2已經(jīng)制作完成，正在調(diào)試過程中。Micro i-SD正在制作中。 i-SD所用到的平臺(tái)無關(guān)性方法已經(jīng)申請(qǐng)了美國(guó)專利，相關(guān)的工作已經(jīng)撰寫成數(shù)篇學(xué)術(shù)論文并投稿，其中兩篇已發(fā)表。
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作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 研究目的和發(fā)明思路 當(dāng)前，各種新興技術(shù)飛速發(fā)展，隨之涌現(xiàn)出大量的新應(yīng)用，新功能。與此同時(shí)，為了享用這些新應(yīng)用，用戶不得不頻繁的更換移動(dòng)終端，這樣不但是對(duì)經(jīng)濟(jì)的浪費(fèi)，同時(shí)也會(huì)造成大量電子垃圾。 以手機(jī)、PDA、數(shù)碼相機(jī)為代表的移動(dòng)設(shè)備所使用的處理器和操作系統(tǒng)具有多樣性。平臺(tái)多樣性導(dǎo)致的一個(gè)直接后果是一種擴(kuò)展硬件難以在所有平臺(tái)上使用，進(jìn)而導(dǎo)致移動(dòng)設(shè)備難以進(jìn)行通用的硬件擴(kuò)展。 針對(duì)以上兩個(gè)問題，本作品提出一種具有平臺(tái)無關(guān)性的智能SD卡，簡(jiǎn)稱i-SD。i-SD卡由以下三部分組成：1、FPGA，包括軟核，SD控制器，擴(kuò)展硬件控制器和存儲(chǔ)器控制器；2、擴(kuò)展硬件；3、存儲(chǔ)介質(zhì)。 本作品提出一種具有平臺(tái)無關(guān)性的硬件擴(kuò)展方法。以解決當(dāng)前移動(dòng)設(shè)備平臺(tái)多樣性所帶來的難以實(shí)現(xiàn)通用擴(kuò)展的難題。此方法將擴(kuò)展硬件相對(duì)于主機(jī)模擬為普通存儲(chǔ)卡，將主機(jī)對(duì)i-SD卡和主機(jī)之間的交互由文件讀寫來完成，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)無關(guān)。 創(chuàng)新點(diǎn)和技術(shù)關(guān)鍵 i-SD卡的接口與普通SD卡完全一致；i-SD卡具有無線通信功能；i-SD卡是一種新型的移動(dòng)網(wǎng)關(guān)；i-SD卡具有硬件平臺(tái)無關(guān)性；i-SD卡具有軟件平臺(tái)無關(guān)性 技術(shù)指標(biāo) i-SD工作時(shí)鐘：25M； i-SD正常工作電壓2.7-3.6V，最大工作電流：30-40mA； SD接口數(shù)據(jù)速率：100Mbps；射頻通信數(shù)據(jù)速率：128Kbps； 射頻有效通信距離：室內(nèi)20m，空曠地帶50m； 界面響應(yīng)延時(shí)：100ms。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 現(xiàn)有的基于SD接口的硬件擴(kuò)展方法主要有以下兩種。 SDIO是利用SDIO協(xié)議規(guī)范來進(jìn)行硬件擴(kuò)展。由于SDIO協(xié)議對(duì)主機(jī)平臺(tái)的依賴性，致使目前一種SDIO擴(kuò)展卡通常只支持一種或一個(gè)系列的數(shù)字產(chǎn)品。同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)某一特殊用途，必須根據(jù)不同的平臺(tái)需要編寫不同的驅(qū)動(dòng)程序。與SDIO的擴(kuò)展方法不同，i-SD是通過將擴(kuò)展硬件模擬為一張普通SD存儲(chǔ)卡，將主機(jī)和擴(kuò)展硬件之間的文件操作轉(zhuǎn)化為雙方數(shù)據(jù)操作來實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)無關(guān)特性。 將SD接口配置為GPIO，主機(jī)和擴(kuò)展設(shè)備通過SPI串行協(xié)議來進(jìn)行數(shù)據(jù)交互也是一種常用的硬件擴(kuò)展方法。這種方法需要獲取主機(jī)的詳細(xì)信息才能編寫相關(guān)驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用程序；但由于公司對(duì)于資料的保密，第三方開發(fā)者很難展開開發(fā)，也很難開發(fā)出通用的擴(kuò)展硬件。另外，SPI的數(shù)據(jù)速率也比較低。i-SD忽略了主機(jī)操作SD接口的底層細(xì)節(jié)，只關(guān)注上層的文件操作；因此不需要任何主機(jī)相關(guān)的細(xì)節(jié)信息。其次，主機(jī)和擴(kuò)展設(shè)備之間以文件讀寫的方式交互，即SD模式，可達(dá)到50Mbps。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 2009年5月，本校第26屆“挑戰(zhàn)杯”學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技競(jìng)賽一等獎(jiǎng)
作品所處階段
- 本作品已經(jīng)過一次小批量量產(chǎn)，即將完成最后的調(diào)試和檢驗(yàn)工作，將進(jìn)行大批量量產(chǎn)。
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無
作品可展示的形式
- 實(shí)物、產(chǎn)品；現(xiàn)場(chǎng)演示；圖片；錄像；樣品
使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 使用說明 將i-SD通過SD卡槽插入移動(dòng)終端中，便會(huì)顯示為一張SD存儲(chǔ)卡。通過文件瀏覽器打開后，卡內(nèi)有一個(gè)平臺(tái)無關(guān)的Python應(yīng)用程序。運(yùn)行此程序，便會(huì)出現(xiàn)用戶界面。用戶通過界面便可以時(shí)時(shí)訪問附近網(wǎng)絡(luò)信息；或者定制感興趣的信息，接收界面通知。 技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì) 本參賽作品的技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于其平臺(tái)無關(guān)性。i-SD所提出的硬件擴(kuò)展方法沒有拘泥于傳統(tǒng)硬件擴(kuò)展的模式，忽略了硬件之間交互的底層細(xì)節(jié)，充分利用普通SD存儲(chǔ)卡已被所有帶有SD卡槽的設(shè)備所兼容這一事實(shí)，將主機(jī)和擴(kuò)展硬件之間的文件操作轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)技術(shù)。 適用范圍和發(fā)明思路 i-SD適用于所有帶有SD卡槽的電子設(shè)備，推廣前景十分光明。它的創(chuàng)新性在于沒有先有技術(shù)、替代方案、類似產(chǎn)品能實(shí)現(xiàn)其功能；即本作品在目前是獨(dú)一無二的。項(xiàng)目組現(xiàn)在也正和很多公司洽談項(xiàng)目的產(chǎn)品、產(chǎn)業(yè)化，希望能夠?qū)⑺龀僧a(chǎn)品推入市場(chǎng)。本參賽項(xiàng)目已獲得Nokia贊助，擬為2010年世博會(huì)提供服務(wù)。
同類課題研究水平概述
- 將i-SD的擴(kuò)展硬件配置為射頻通信芯片時(shí)，i-SD便成為一種基于SD接口的無線傳感網(wǎng)網(wǎng)關(guān)?；赟D接口的無線傳感網(wǎng)網(wǎng)關(guān)是指利用SD卡槽擴(kuò)展的無線傳感網(wǎng)接入裝置，以下簡(jiǎn)稱SD網(wǎng)關(guān)。SD網(wǎng)關(guān)不僅可以作為傳感網(wǎng)研究者的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，同時(shí)還可以作為消費(fèi)者時(shí)時(shí)便捷接入傳感網(wǎng)的工具?，F(xiàn)有SD網(wǎng)關(guān)主要通過以下兩種方法來和主機(jī)進(jìn)行雙向交互。一種是通過標(biāo)準(zhǔn)SDIO協(xié)議來實(shí)現(xiàn)，另一種是將SD接口配置為GPIO，主機(jī)以SPI協(xié)議來和SD網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)交互。 C-guys公司的SDIO-ZigBee卡是現(xiàn)有SD網(wǎng)關(guān)中通過SDIO協(xié)議規(guī)范來實(shí)現(xiàn)的代表。此卡上集成了公司自己研發(fā)的SDIO控制芯片，用來進(jìn)行ZigBee和SDIO之間的轉(zhuǎn)換。然而，一方面配有SD卡槽的移動(dòng)設(shè)備并不是全部都支持SDIO規(guī)范，這使得這種基于SDIO的方法具有很大的局限性；另一方面支持SDIO的移動(dòng)設(shè)備有多樣的平臺(tái)，這樣就很難開發(fā)出一種通用的基于SDIO的網(wǎng)關(guān)來支持所有移動(dòng)設(shè)備。C-guys公司在發(fā)布此款SDIO-ZigBee卡時(shí)發(fā)布了卡的相關(guān)驅(qū)動(dòng)，但是目前只支持Windows CE和XP這兩種平臺(tái)，這就難免限制了此卡的應(yīng)用范圍和領(lǐng)域。 將SD接口配置為GPIO的這種方法擺脫了所有與SD相關(guān)的驅(qū)動(dòng)細(xì)節(jié)，只是利用SD接口（機(jī)械卡槽）作為主機(jī)CPU和SD網(wǎng)關(guān)進(jìn)行交互的橋梁。然而，由于這種方法需要主機(jī)處理器和SD網(wǎng)關(guān)的直接數(shù)據(jù)交互，因此實(shí)現(xiàn)這種方法需要獲取主機(jī)處理器的詳細(xì)信息。但如前所述，出于種種因素考慮，有些處理器或操作系統(tǒng)供應(yīng)商只為需求量大的公司提供相關(guān)資料，并需要簽署保密協(xié)議。作為普通的第三方開發(fā)者，很難利用此方法進(jìn)行開發(fā)，同時(shí)也很難開發(fā)出通用的SD網(wǎng)關(guān)。Moteiv 公司生產(chǎn)的Tmote Mini卡是當(dāng)前傳感網(wǎng)研究者在實(shí)驗(yàn)中頻繁使用的一款利用此方法實(shí)現(xiàn)的SD網(wǎng)關(guān)，它結(jié)合了TI公司的微處理器和ZigBee射頻芯片。英特爾也提出一種稱為PSI板的SD網(wǎng)關(guān)，利用它，手機(jī)可以直接利用SPI協(xié)議與板上的微處理器或GPIO設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。 綜上所述，現(xiàn)有SD網(wǎng)關(guān)的兩種與主機(jī)交互方法均無法很好解決平臺(tái)多樣性問題。同時(shí)由于主機(jī)處理器的不詳盡資料，也帶來了難以開發(fā)的難題。本作品提出的平臺(tái)無關(guān)的擴(kuò)展方法，不僅不需要主機(jī)的平臺(tái)信息，而且利用此方法開發(fā)出的SD網(wǎng)關(guān)很好地支持了任意移動(dòng)設(shè)備平臺(tái)，從根本上解決了平臺(tái)多樣性所帶來的問題。
