面向物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的UART-WIFI網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)*

王希朝 ，張 毅 ，程 鵬 ，馬洪亮 ，吳 斌

（1.重慶郵電大學(xué)，重慶 400065；2.中國(guó)科學(xué)院微電子研究所，北京100029）

物聯(lián)網(wǎng)作為互聯(lián)網(wǎng)的延伸和擴(kuò)展，使得通信的主體不再是人與人之間的通信，還有人與物、物與物之間的通信。隨著物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，各種老式設(shè)備也有了接入網(wǎng)絡(luò)的需求，在工業(yè)控制和通信設(shè)備中，很多是符合RS232標(biāo)準(zhǔn)的串口設(shè)備，通常很難在作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)鋪設(shè)有線網(wǎng)絡(luò)。如何保證在原來設(shè)備不做太大改動(dòng)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)這些設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)，便成了一個(gè)首先需要解決的問題。

面向物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的UART-WIFI網(wǎng)關(guān)，基于目前成熟的WIFI無線傳輸解決方案實(shí)現(xiàn)串口數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)化傳輸。本文設(shè)計(jì)的方案，使得只要具有UART接口的設(shè)備即可接入網(wǎng)絡(luò)，提高了設(shè)備的智能化水平，簡(jiǎn)化了設(shè)備組網(wǎng)流程[1]，具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義和使用價(jià)值。

1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

UART-WIFI網(wǎng)關(guān)在用戶側(cè)留有標(biāo)準(zhǔn)RS232接口，使得設(shè)備只要具有串口就可以接入網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)關(guān)的應(yīng)用場(chǎng)景如圖1所示。

網(wǎng)關(guān)從功能上分為串口數(shù)據(jù)收發(fā)模塊、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收發(fā)模塊和用戶數(shù)據(jù)處理模塊等。依據(jù)數(shù)據(jù)流向，系統(tǒng)模塊組成原理框圖如圖2所示。系統(tǒng)通過串口配置網(wǎng)卡參數(shù)，實(shí)現(xiàn)串口數(shù)據(jù)的無線透明傳輸。

串口數(shù)據(jù)收發(fā)模塊負(fù)責(zé)用戶主機(jī)與網(wǎng)卡之間的數(shù)據(jù)交互；無線網(wǎng)卡模塊負(fù)責(zé)收發(fā)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，進(jìn)行802.11與802.3協(xié)議之間的相互轉(zhuǎn)換并交由操作系統(tǒng)處理；用戶數(shù)據(jù)處理模塊負(fù)責(zé)識(shí)別主機(jī)側(cè)用戶接口數(shù)據(jù)，用于配置網(wǎng)卡參數(shù)或進(jìn)行數(shù)據(jù)透明傳輸。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件原理框圖

硬件系統(tǒng)主要由處理器、無線網(wǎng)卡、標(biāo)準(zhǔn)RS232收發(fā)器模塊、外部存儲(chǔ)器以及系統(tǒng)電源組成。系統(tǒng)硬件原理框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)硬件原理框圖

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及選型

系統(tǒng)原型開發(fā)選用飛思卡爾半導(dǎo)體面向多媒體應(yīng)用的MCIMX27處理器，該處理器采用ARM926-EJS內(nèi)核，工作頻率可達(dá)400 MHz，其內(nèi)建的 MMU功能，能很方便地實(shí)現(xiàn)嵌入式Linux的移植。

系統(tǒng)存儲(chǔ)系統(tǒng)由兩片DDR SDRAM和一片NAND Flash構(gòu)成。處理器內(nèi)嵌的SDIO主控制器提供4 bit模式下最高100 Mb/s的數(shù)據(jù)速率。無線網(wǎng)絡(luò)收發(fā)模塊選用Marvell的WLAN片上系統(tǒng)芯片88W8686設(shè)計(jì)，芯片集成IEEE802.11a/g/b MAC/Baseband/RF等功能模塊，支持典型的WLAN數(shù)據(jù)速率；支持SDIO接口的主機(jī)接口單元（HUI），允許主機(jī)控制器使用SDIO總線協(xié)議與 WLAN設(shè)備進(jìn)行通信。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)軟件整體架構(gòu)

在Linux操作系統(tǒng)下通過對(duì)各個(gè)功能模塊的劃分實(shí)現(xiàn)了對(duì)WLAN的完美支持，圖4所示為L(zhǎng)inux下典型的WLAN層次模型[2]。

硬件層是軟件運(yùn)行的承載體和通信的物理實(shí)現(xiàn)層；固件(Firmware)層向驅(qū)動(dòng)程序屏蔽具體的物理細(xì)節(jié)，提供驅(qū)動(dòng)訪問硬件的接口；驅(qū)動(dòng)程序向WT(Wireless-Tools)或者其他配置工具提供訪問底層的接口；配置程序?qū)酉蛏蠈犹峁┮粋€(gè)統(tǒng)一的Linux用戶接口；用戶使用相關(guān)配置工具來訪問和配置不同的無線網(wǎng)卡。本設(shè)計(jì)軟件整體架構(gòu)參照Linux操作系統(tǒng)下典型的WLAN層次模型來設(shè)計(jì)，系統(tǒng)軟件整體架構(gòu)如圖5所示。

圖4 Linux下典型WLAN層次模型

3.2 Linux操作系統(tǒng)

嵌入式Linux以其內(nèi)核高效穩(wěn)定、網(wǎng)絡(luò)功能強(qiáng)大等特性，成為嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域中的佼佼者[3]。本設(shè)計(jì)選用成熟的Linux-2.6.19.2操作系統(tǒng)內(nèi)核，編譯器使用專用arm-926ejs-linux-gcc交叉編譯器。

3.3 WT工具

Wireless Tools for Linux是一個(gè)Linux命令行工具包，用來設(shè)置支持Linux Wireless Extension的無線設(shè)備。Wireless-Extension(WE)是一組通用的 API，能在用戶空間對(duì)通用Wireless LANs進(jìn)行配置和統(tǒng)計(jì)。

WT(Wireless-Tools)就是用來操作Wireless-Extensions的工具集合，支持所有 Wireless-Extension，它主要包括iwconfig、iwlist和 iwpriv等工具。

3.4 網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)和固件

按照主機(jī)驅(qū)動(dòng)與設(shè)備驅(qū)動(dòng)分離設(shè)計(jì)的思想，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的無線收發(fā)系統(tǒng)軟件包含主機(jī)驅(qū)動(dòng)和WLAN固件兩部分。

WLAN固件主要實(shí)現(xiàn)802.11和802.3協(xié)議幀格式之間的轉(zhuǎn)換。在系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)時(shí)，網(wǎng)卡接收符合標(biāo)準(zhǔn)802.11協(xié)議的數(shù)據(jù)，由WLAN固件轉(zhuǎn)換成符合802.3協(xié)議的幀格式，通過SDIO接口送達(dá)主機(jī)驅(qū)動(dòng)；在發(fā)送串口用戶數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)用層程序?qū)⒎?02.3協(xié)議的數(shù)據(jù)通過SDIO接口發(fā)送到WLAN固件，固件將其轉(zhuǎn)換為802.11協(xié)議數(shù)據(jù)幀，通過無線方式發(fā)往服務(wù)器端。

主機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊主要包含三部分：Ethernet Driver、802.11Extensions和 Hardware Interface Driver。 Ethernet Driver實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)；802.11Extensions擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)以控制WLAN Adapter的狀態(tài)；Hardware Interface Driver即硬件接口驅(qū)動(dòng)控制在主機(jī)側(cè)的硬件接口。

3.5 通信協(xié)議設(shè)計(jì)

通過UART接口在用戶終端設(shè)備與UART-WIFI之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)稱之為用戶接口數(shù)據(jù)，接口數(shù)據(jù)分為控制數(shù)據(jù)和用戶數(shù)據(jù)兩種類型：

(1)控制數(shù)據(jù)

用于用戶終端設(shè)備與UART-WIFI之間的控制信息傳輸,配置模塊的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和系統(tǒng)參數(shù)。

(2)用戶數(shù)據(jù)

模塊用于數(shù)據(jù)透明傳輸時(shí)遵循用戶數(shù)據(jù)幀格式，協(xié)議由用戶自定義。

3.6 系統(tǒng)軟件工作流程設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)中軟件將分為兩個(gè)線程工作，一個(gè)線程接收串口數(shù)據(jù)，用于系統(tǒng)參數(shù)配置或者網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸；另一個(gè)線程用于接收服務(wù)器端信息，并通過串口發(fā)送至主機(jī)端。

系統(tǒng)完成初始化相關(guān)參數(shù)設(shè)置后，創(chuàng)建兩個(gè)線程來使系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)。主要代碼如下：

其中(void*)UartDataProcessFun和(void*)NetDataProcess-Fun是指向在函數(shù)外部定義的兩個(gè)線程處理函數(shù)的指針，線程創(chuàng)建后將同時(shí)開始執(zhí)行。

3.7 系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的多線程同步方法

多線程的引入降低了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度，提高了系統(tǒng)執(zhí)行效率。多線程程序在執(zhí)行時(shí)，除了局部變量外，其他所有變量都將在一個(gè)進(jìn)程中的所有線程之間共享，為了改變程序執(zhí)行時(shí)序，保護(hù)共享資源，需要引入線程同步方法。

Linux提供了多種線程同步的機(jī)制，其中有互斥鎖、信號(hào)量、條件變量等[5]。單獨(dú)使用互斥鎖容易發(fā)生死鎖；信號(hào)量分為簡(jiǎn)單的二進(jìn)制信號(hào)量和計(jì)數(shù)信號(hào)量；條件變量通過允許線程阻塞和等待一個(gè)線程發(fā)送信號(hào)的方式彌補(bǔ)了互斥鎖的不足，常和互斥鎖一起使用。使用時(shí)條件變量用來阻塞一個(gè)線程，條件不滿足時(shí)，線程解開互斥鎖等待條件發(fā)生變化。當(dāng)某個(gè)線程改變了條件變量后，它將通知相應(yīng)的條件變量喚醒一個(gè)或者多個(gè)正被此條件變量阻塞的線程。本設(shè)計(jì)中的線程同步采用互斥鎖加條件變量的方式。使用條件變量需要的頭文件是pthread.h。使用條件變量標(biāo)識(shí)符pthread_cond_t創(chuàng)建一個(gè)靜態(tài)條件變量時(shí)使用PTHREAD_COND_INITIALIZER常量，例如：pthread_cond_t cond=PTHREAD_COND_INITIALIZER。等待條件變量使用到的函數(shù)有：

在上述代碼執(zhí)行過程中，條件變量一旦滿足，線程1立即通知等待該條件變量的線程2，同時(shí)釋放互斥鎖，線程2在捕獲到條件變量滿足的消息便被激活，執(zhí)行相關(guān)操作。

本文設(shè)計(jì)了一款面向物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的UART-WIFI網(wǎng)關(guān)，重點(diǎn)分析了基于Linux操作系統(tǒng)的WLAN軟件架構(gòu)，介紹了Linux下多線程同步的處理方式，重點(diǎn)分析了使用互斥鎖和條件變量進(jìn)行同步的方法。本文設(shè)計(jì)的UART-WIFI網(wǎng)關(guān)具有成本低、易部署的特點(diǎn)。經(jīng)過測(cè)試，證實(shí)該網(wǎng)關(guān)具有良好的穩(wěn)定性和通信性能，可滿足當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的需求，具有很好的使用和推廣價(jià)值。

[1]范煒，徐洪澤.基于TCP/IP協(xié)議的嵌入式多串口網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2008，29(1)：80-82.

[2]高揚(yáng)，石秀民.基于嵌入式平臺(tái)的 WLAN實(shí)現(xiàn)[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，24(1)：103-107.

[3]董志國(guó)，李式巨.嵌入式 Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2006，27（20）：3737-3740.

[4]賈晶鑫，蔣健，宋彬.ARM9工控平臺(tái)上的多串口網(wǎng)關(guān)及視頻采集傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)[J].電子產(chǎn)品世界，2012，19(7)：37-39.

[5]MATTHEW N，STONES R.Linux程序設(shè)計(jì)(第 4版)[M].北京：人民郵電出版社，2010.

[6]MCIMX27 multimedia applications processor reference manual MCIMX27RM Rev.0.2[OL].[2007-09-27].http：//www.freescale.com.