基本信息
- 项目名称：
- 具有平台无关性的智能SD卡
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本作品提出一种具有平台无关性的智能SD卡，简称为i-SD。i-SD由以下三部分组成：1、FPGA，包括软核，SD控制器，扩展硬件控制器和存储器控制器；2、扩展硬件；3、存储介质。 i-SD的接口与普通的SD卡完全一致，任意具有SD卡槽的移动终端都可以无阻碍的使用i-SD，实现了新技术的平滑过渡。 i-SD具有无线通信功能，是一种新型的移动网关，它是不同传感网之间的网关；是异构网（蜂窝网，传感网和骨干互联网）之间的网关；是物理世界和数字世界的网关，使“Internet of Things”成为可能。 i-SD卡具有硬件平台无关性。i-SD将平台对文件系统的操作转换为对射频芯片的操作，并将对射频芯片的操作映射到文件系统中，由于任意硬件平台均可实现对i-SD上文件的读写，这样就可以保证i-SD在不同硬件平台下都可以通用的进行操作。 i-SD具有软件平台性无关性。软件平台无关利用平台无关的Java、Python等跨平台语言实现。由于i-SD和主机的数据交互只通过上层的文件系统操作，同时此类平台无关的语言又提供了文件操作API，因此可以实现平台无关。
- 详细介绍：
- 当前，各种新兴技术飞速发展，随之涌现出大量的新应用，新功能。如：手机拍照，手机无线上网，GPS，WIFI等等，这些新技术新应用的发展呈爆炸性趋势。与此同时，为了享受到这些新应用，用户不得不频繁的更换手机。统计表明，在两年内更换手机的人数超过了总人数的50%。这样不但是对经济的浪费，也会造成大量的电子垃圾。另一方面，移动设备难以扩展也成为一个大问题。处理器多样性和操作系统多样性共同导致了移动终端的平台多样性，导致研发人员很难开发出通用于各种平台的通用扩展设备，来满足用户日益增长的新需求。 针对这样的状况，我们设计了一种具有平台无关性的智能SD卡，简称i-SD。除了代表智能（intelligent）之外，i-SD的i还具有四方面的含义： independence，代表i-SD最重要的特性：平台无关性，这个特性很好地解决了移动终端难以扩展的问题； interface，既代表i-SD可以成为新功能与原有移动终端结合的接口，也代表i-SD是用户与外部世界进行沟通的窗口，充分解决了新技术不断涌现，用户频繁更换移动终端的问题； insert-and-play，代表i-SD具有即插即用性，不需要再借助任何额外的驱动程序； information，代表i-SD是一个信息中心，它可以将外界的信息搜集融合之后实时呈现给用户。 i-SD有以下五个特点。 （1）i-SD的接口与普通的SD卡完全一致，任意具有SD卡槽的移动终端都可以无阻碍的使用i-SD，实现了新技术的平滑过渡。 （2）i-SD具有普通SD卡的存储功能，在不需要用到i-SD新技术的情况下，用户完全可以将i-SD当做普通的SD卡使用。 （3）i-SD具有无线通信功能，插入i-SD的移动设备相当于添加了特殊的通信模块，可以与其他插入i-SD的移动设备组成个域网或小型无线局域网，也可以实时地与本地无线通信节点进行数据的交互。 （4）i-SD具有硬件平台无关性。i-SD将平台对文件系统的操作转换为对射频芯片的操作，并将对射频芯片的操作映射到文件系统中，由于任意硬件平台均可实现对i-SD上文件的读写，这样就可以保证i-SD在不同硬件平台下都可以通用的使用。 （5）i-SD具有软件平台无关性。软件平台无关性利用平台无关的Java、Python等跨平台语言实现。由于i-SD和主机的数据交互只通过上层的文件系统操作，同时此类平台无关的语言又提供了文件操作API，因此可以实现软件平台无关性。 i-SD在硬件上由以下三部分组成。 ●FPGA。包括称为ZtCore的软核，SD通信接口，射频芯片通信接口以及Nand flash通信接口。FPGA作为i-SD的核心部件，主要用于协调主机与射频芯片、存储介质之间的通信。 ●射频芯片。射频芯片ZigBee帮助i-SD接入无线传感器网络，作为终端和WSN数据交互的桥梁。 ●存储介质。存储介质Nand Flash用来保存用于i-SD与主机Host进行交互的文件系统，以及存储用户的个人数据。 ZtCore(Zero-waste Tiny Core)是由参赛队员设计的针对FPGA的4bit指令集MISC(Minimum Instruction Set Computer，最小指令集计算机)CPU软核，采用类Forth虚拟机的ML0(Multiple-stack, Large-stack-buffer, 0-operand-addressing)栈式架构，两级流水线，具有零执行时间浪费、零代码空间浪费以及低资源占用的特点。ZtCore主要实现ZigBee协议栈、协调主机与射频芯片、存储介质之间的通信等功能。 我们为i-SD提供了丰富的第三方开发工具，极大的方便了i-SD的开发和应用过程。这些第三方开发工具包括： （1）ZtCore的Forth语言工具链。工具链可将利用Forth语言编写的源程序编译、链接为ZtCore的机器指令。 （2）ZtProg。ZtProg是由参赛队员设计的用于i-SD的FPGA下载、调试，ZtCore程序下载、调试的编程调试器，具有零额外辅助设备以及小巧的特点。 i-SD的典型应用场景包括： （1）无线聊天工具：装有i-SD的移动终端之间可以通过ZigBee网络进行聊天，借此打发无聊的时间。需要特殊说明的是，这种应用场景看似没有太大用途，却是其他应用场景的基础，因为它实现了i-SD最基本的功能-----数据的跨平台无线收发。因此，这个应用场景实际上是一个测试性的应用场景，实际用途并不是很大。 （2）自助导游系统：我们可以在景点处安装具有导游信息的发送节点，这样在移动终端插入i-SD后，移动终端与景点自动形成一个无线传感器网络，这样用户就可以利用移动终端实时接收景点的导游信息了，为用户实现自助旅游提供了可能性。 （3）电子菜单：当用户进入餐厅进行点菜时，可以将i-SD插入用户的移动终端设备，这样用户就可以在自己的移动终端上进行点菜，点菜的信息会自动传输到服务台，为用户点菜提供了广阔的灵活性和便捷性。 （4）天气信息接收系统：我们可以在校园的部分地点放置天气情况观测节点，这样当用户携带了添加i-SD的移动终端，并进入无线接收范围后，就可以收到这些观测节点发送的天气信息，这样对于用户方便及时的了解校园天气状况，做好及时应对很有帮助。 标准SD卡规格的i-SD已经制作完成并调试成功，经过测试，可以在计算机以及PDA上实现相互之间的数据收发，初步验证了硬件平台的无关性。而且在测试过程中分别在Windows XP操作系统，Windows Vista操作系统和Linux系统上进行数据通信，都收到了满意的效果，验证了软件平台的无关性。通信环境为有障碍有干扰的实验室环境，通信距离为10米左右。 为了更好的适应不同移动终端接口的需求，i-SD的小型化进程一直没有停止。我们希望最终能够做出标准，Mini以及Micro三种规格的i-SD，这样就可以覆盖具有SD卡槽的所有移动终端。目前，Mini i-SD v1已经制作完成并调试成功，收到了与标准i-SD同样良好的效果。Mini i-SD v2已经制作完成，正在调试过程中。Micro i-SD正在制作中。 i-SD所用到的平台无关性方法已经申请了美国专利，相关的工作已经撰写成数篇学术论文并投稿，其中两篇已发表。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 研究目的和发明思路 当前，各种新兴技术飞速发展，随之涌现出大量的新应用，新功能。与此同时，为了享用这些新应用，用户不得不频繁的更换移动终端，这样不但是对经济的浪费，同时也会造成大量电子垃圾。 以手机、PDA、数码相机为代表的移动设备所使用的处理器和操作系统具有多样性。平台多样性导致的一个直接后果是一种扩展硬件难以在所有平台上使用，进而导致移动设备难以进行通用的硬件扩展。 针对以上两个问题，本作品提出一种具有平台无关性的智能SD卡，简称i-SD。i-SD卡由以下三部分组成：1、FPGA，包括软核，SD控制器，扩展硬件控制器和存储器控制器；2、扩展硬件；3、存储介质。 本作品提出一种具有平台无关性的硬件扩展方法。以解决当前移动设备平台多样性所带来的难以实现通用扩展的难题。此方法将扩展硬件相对于主机模拟为普通存储卡，将主机对i-SD卡和主机之间的交互由文件读写来完成，实现平台无关。 创新点和技术关键 i-SD卡的接口与普通SD卡完全一致；i-SD卡具有无线通信功能；i-SD卡是一种新型的移动网关；i-SD卡具有硬件平台无关性；i-SD卡具有软件平台无关性 技术指标 i-SD工作时钟：25M； i-SD正常工作电压2.7-3.6V，最大工作电流：30-40mA； SD接口数据速率：100Mbps；射频通信数据速率：128Kbps； 射频有效通信距离：室内20m，空旷地带50m； 界面响应延时：100ms。
科学性、先进性
- 现有的基于SD接口的硬件扩展方法主要有以下两种。 SDIO是利用SDIO协议规范来进行硬件扩展。由于SDIO协议对主机平台的依赖性，致使目前一种SDIO扩展卡通常只支持一种或一个系列的数字产品。同时，为实现某一特殊用途，必须根据不同的平台需要编写不同的驱动程序。与SDIO的扩展方法不同，i-SD是通过将扩展硬件模拟为一张普通SD存储卡，将主机和扩展硬件之间的文件操作转化为双方数据操作来实现扩展，实现平台无关特性。 将SD接口配置为GPIO，主机和扩展设备通过SPI串行协议来进行数据交互也是一种常用的硬件扩展方法。这种方法需要获取主机的详细信息才能编写相关驱动和应用程序；但由于公司对于资料的保密，第三方开发者很难展开开发，也很难开发出通用的扩展硬件。另外，SPI的数据速率也比较低。i-SD忽略了主机操作SD接口的底层细节，只关注上层的文件操作；因此不需要任何主机相关的细节信息。其次，主机和扩展设备之间以文件读写的方式交互，即SD模式，可达到50Mbps。
获奖情况及鉴定结果
- 2009年5月，本校第26届“挑战杯”学生课外学术科技竞赛一等奖
作品所处阶段
- 本作品已经过一次小批量量产，即将完成最后的调试和检验工作，将进行大批量量产。
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 实物、产品；现场演示；图片；录像；样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 使用说明 将i-SD通过SD卡槽插入移动终端中，便会显示为一张SD存储卡。通过文件浏览器打开后，卡内有一个平台无关的Python应用程序。运行此程序，便会出现用户界面。用户通过界面便可以时时访问附近网络信息；或者定制感兴趣的信息，接收界面通知。 技术特点和优势 本参赛作品的技术优势在于其平台无关性。i-SD所提出的硬件扩展方法没有拘泥于传统硬件扩展的模式，忽略了硬件之间交互的底层细节，充分利用普通SD存储卡已被所有带有SD卡槽的设备所兼容这一事实，将主机和扩展硬件之间的文件操作转换为数据交互，实现跨平台技术。 适用范围和发明思路 i-SD适用于所有带有SD卡槽的电子设备，推广前景十分光明。它的创新性在于没有先有技术、替代方案、类似产品能实现其功能；即本作品在目前是独一无二的。项目组现在也正和很多公司洽谈项目的产品、产业化，希望能够将它做成产品推入市场。本参赛项目已获得Nokia赞助，拟为2010年世博会提供服务。
同类课题研究水平概述
- 将i-SD的扩展硬件配置为射频通信芯片时，i-SD便成为一种基于SD接口的无线传感网网关。基于SD接口的无线传感网网关是指利用SD卡槽扩展的无线传感网接入装置，以下简称SD网关。SD网关不仅可以作为传感网研究者的实验平台，同时还可以作为消费者时时便捷接入传感网的工具。现有SD网关主要通过以下两种方法来和主机进行双向交互。一种是通过标准SDIO协议来实现，另一种是将SD接口配置为GPIO，主机以SPI协议来和SD网关数据交互。 C-guys公司的SDIO-ZigBee卡是现有SD网关中通过SDIO协议规范来实现的代表。此卡上集成了公司自己研发的SDIO控制芯片，用来进行ZigBee和SDIO之间的转换。然而，一方面配有SD卡槽的移动设备并不是全部都支持SDIO规范，这使得这种基于SDIO的方法具有很大的局限性；另一方面支持SDIO的移动设备有多样的平台，这样就很难开发出一种通用的基于SDIO的网关来支持所有移动设备。C-guys公司在发布此款SDIO-ZigBee卡时发布了卡的相关驱动，但是目前只支持Windows CE和XP这两种平台，这就难免限制了此卡的应用范围和领域。 将SD接口配置为GPIO的这种方法摆脱了所有与SD相关的驱动细节，只是利用SD接口（机械卡槽）作为主机CPU和SD网关进行交互的桥梁。然而，由于这种方法需要主机处理器和SD网关的直接数据交互，因此实现这种方法需要获取主机处理器的详细信息。但如前所述，出于种种因素考虑，有些处理器或操作系统供应商只为需求量大的公司提供相关资料，并需要签署保密协议。作为普通的第三方开发者，很难利用此方法进行开发，同时也很难开发出通用的SD网关。Moteiv 公司生产的Tmote Mini卡是当前传感网研究者在实验中频繁使用的一款利用此方法实现的SD网关，它结合了TI公司的微处理器和ZigBee射频芯片。英特尔也提出一种称为PSI板的SD网关，利用它，手机可以直接利用SPI协议与板上的微处理器或GPIO设备进行数据交互。 综上所述，现有SD网关的两种与主机交互方法均无法很好解决平台多样性问题。同时由于主机处理器的不详尽资料，也带来了难以开发的难题。本作品提出的平台无关的扩展方法，不仅不需要主机的平台信息，而且利用此方法开发出的SD网关很好地支持了任意移动设备平台，从根本上解决了平台多样性所带来的问题。
