基于Quark微處理器X1000的物聯(lián)網(wǎng)路由器設(shè)計(jì)

張雪梅

(山西職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系，山西太原 030006)

1 Quark微處理器

Quark是Intel在IDF2013上正式推出的全新低功能耗處理器。Quark是至今為止Intel生產(chǎn)的最小芯片，與現(xiàn)有的Intel Atom相比，Quark的尺寸和發(fā)熱量更小，芯片尺寸僅為凌動(dòng)的1/5，而功耗僅為1/10。Quark處理器是一款32位X86架構(gòu)處理器，產(chǎn)品將使用32 nm工藝制造，主要面向各種嵌入式領(lǐng)域，比如，智能手表，智能眼鏡，智能家居、路由器，甚至是一些一次性產(chǎn)品中也可裝備Quark。

首項(xiàng)產(chǎn)品名為Intel Quark SoC X1000。Intel Quark SoCX1000這類產(chǎn)品將為新一代智能連接設(shè)備提供提高集成程度和降低成本的靈活性，并同時(shí)保持Intel架構(gòu)指令集的兼容性，旨在面向?qū)⒌凸暮托〕叽缰糜诟咝阅苤暗膽?yīng)用，將為普適計(jì)算市場(chǎng)和包括汽車、工業(yè)設(shè)備和可穿戴設(shè)備的物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)提供新的解決方案［1］。

2 硬件設(shè)計(jì)

Intel Quark X1000封裝大小為15 mm×15 mm，是一款單線程32位X86架構(gòu)的微處理器，其處理速度為400 MHz，具有512 kB SRAM，內(nèi)存可擴(kuò)展到2 GB，擴(kuò)展溫度范圍為－40～85℃。其具有豐富的外圍接口:2路×1 PCIe端口、2路10/100 MB以太網(wǎng)端口、2路USB2.0主機(jī)端口、1路USB2.0設(shè)備端口、2路UART端口、2路 SPI端口、1路 SD/SDIO/eMMC端口、1路I2C端口、16路GPIO端口。

基于Quark SoCX1000的物聯(lián)網(wǎng)路由器系統(tǒng)硬件架構(gòu)如圖1所示，分別利用PCIe端口擴(kuò)展了2.4 GHz WiFi無線接入和GSM/GPRS/3G無線接入，利用SPI端口擴(kuò)展了2.4 GHz ZigBee無線接入及AD/DA端口，利用I2C端口擴(kuò)展了Infrared接入、利用UART端口擴(kuò)展了433 MHz無線接入。設(shè)計(jì)中在2.4 GHz無線單元中內(nèi)嵌微型IPV6協(xié)議處理單元，實(shí)現(xiàn)多平臺(tái)無線網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備［2］與Internet無縫鏈接。設(shè)計(jì)的物聯(lián)網(wǎng)路由器實(shí)現(xiàn)了紅外設(shè)備、1G以下無線設(shè)備、2.4G無線設(shè)備和GSM/GPRS/3G設(shè)備的接入并與Internet無縫鏈接，滿足物聯(lián)網(wǎng)多平臺(tái)無線設(shè)備［3］接入要求，降低了物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)成本。

圖1 系統(tǒng)硬件架構(gòu)圖

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)軟件架構(gòu)如圖2所示，操作系統(tǒng)選用性能穩(wěn)定的商業(yè)Linux操作系統(tǒng)Windriver Linux，并利用了Windriver公司先進(jìn)的智能開發(fā)平臺(tái)(Intelligent Device Platform，IDP)，最新版本的Windriver IDP提供了啟動(dòng)安全、數(shù)據(jù)安全和應(yīng)用安全等網(wǎng)關(guān)安全特性，支持Lua、Java和OSGi多應(yīng)用平臺(tái)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)在資源受限和全功能設(shè)備環(huán)境下的可移動(dòng)、可升級(jí)、可重用應(yīng)用程序開發(fā)，支持MQTT物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，并且為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中廣泛使用的WiFi、藍(lán)牙、ZigBee和短程無線協(xié)議［4］提供本地支持，支持完善的管理協(xié)議如TR－069和OMA DM。

圖2 系統(tǒng)軟件架構(gòu)圖

基于Windriver IDP開發(fā)了嵌入式微型IPV6協(xié)議棧，IPV6協(xié)議使用一系列固定格式的擴(kuò)展頭部取代了IPV4中可變長(zhǎng)度的選項(xiàng)字段，使路由器可簡(jiǎn)單路過選項(xiàng)而不做任何處理，加快了報(bào)文處理速度，提高了數(shù)據(jù)吞吐量，且支持更多的服務(wù)類型。

3.2 嵌入式微型IPV6協(xié)議棧設(shè)計(jì)

嵌入式IPv6協(xié)議棧［5］采用分層結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，將整個(gè)協(xié)議棧分為4個(gè)層次:事件觸發(fā)接口層、TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層、NIC網(wǎng)絡(luò)接口核心層和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)接口層。如圖3是對(duì)整個(gè)協(xié)議棧的分層描述，在協(xié)議棧的工作過程中使用上層調(diào)用相鄰層的函數(shù)來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。

圖3 協(xié)議棧分層對(duì)象時(shí)序圖

事件觸發(fā)接口層:對(duì)應(yīng)于TCP/IP模型的應(yīng)用層協(xié)議，主要功能是定義網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的格式以及網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。

TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層:對(duì)應(yīng)于TCP/IP模型的傳輸層協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，主要功能是定義數(shù)據(jù)如何傳輸?shù)侥康牡氐?，使用TCP協(xié)議在兩臺(tái)主機(jī)之間建立端到端的連接，保證可靠的傳輸;IP協(xié)議進(jìn)行路由選擇和基于IP的尋址。

NIC網(wǎng)絡(luò)接口核心層:是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口的關(guān)鍵部位，其上層是具體的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，下層是驅(qū)動(dòng)程序，其為上層提供統(tǒng)一的發(fā)送接口，屏蔽各種物理介質(zhì);同時(shí)負(fù)責(zé)將來自下層的包向合適的協(xié)議發(fā)送。

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)接口層是分層結(jié)構(gòu)的最底層，其主要功能是控制具體物理介質(zhì)，從物理介質(zhì)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，并對(duì)物理介質(zhì)進(jìn)行諸如最大數(shù)據(jù)包之類的各種設(shè)置。

結(jié)合對(duì)嵌入式IPv6協(xié)議棧設(shè)計(jì)要求和分層結(jié)構(gòu)的全面分析，將設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)劃分為4個(gè)模塊，如圖4所示。網(wǎng)絡(luò)接口核心模塊為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議提供統(tǒng)一的發(fā)送接口，屏蔽各種各樣的物理介質(zhì)，同時(shí)負(fù)責(zé)把向合適的協(xié)議配送給來自下層的包。事件接口模塊采用事件驅(qū)動(dòng)接口，當(dāng)特定TCP/IP事件發(fā)生時(shí)，將調(diào)用應(yīng)用程序;而當(dāng)應(yīng)用程序產(chǎn)生輸出數(shù)據(jù)時(shí)，也通過此接口發(fā)送出去。

圖4 各功能模塊及其關(guān)系示意圖

SNMP網(wǎng)管模塊負(fù)責(zé)獲取IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的相關(guān)MIB信息。配置最示調(diào)試命令模塊提供用戶配置和調(diào)試的界面，包括配置IP地址、子網(wǎng)掩碼、默認(rèn)網(wǎng)關(guān)和MAC地址等。在程序正常運(yùn)行前，由超級(jí)終端進(jìn)入配置模式，由用戶進(jìn)行配置管理。

3.3 自適應(yīng)頻率捷變?cè)O(shè)計(jì)

IEEE802.11b/g/n標(biāo)準(zhǔn)的工作頻段為2.4 GHz，而工業(yè)上眾多設(shè)備也恰好工作在這一頻段。如果附近有較強(qiáng)的磁場(chǎng)存在，那么無線網(wǎng)絡(luò)將受到影響［6］。頻率捷變［7］是對(duì)抗有源干擾的有效手段，接收機(jī)在某段時(shí)間內(nèi)連續(xù)變化不同的頻點(diǎn)，經(jīng)過分析處理不同頻點(diǎn)所受干擾情況，最終輸出所受干擾最弱的頻點(diǎn)給接收機(jī)，使其工作于此點(diǎn)，達(dá)到有效抗干擾的目的。

圖5 自適應(yīng)頻率捷變?cè)O(shè)計(jì)

4 結(jié)束語

文章基于Intel新一代物聯(lián)網(wǎng)微處理器 Quark X1000硬件平臺(tái)及Windriver Linux嵌入式操作系統(tǒng)及IDP智能設(shè)備平臺(tái)，設(shè)計(jì)的物聯(lián)網(wǎng)路由器具有廣泛的無線接入能力及豐富的硬件接口，除實(shí)現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間的互聯(lián)互通、網(wǎng)關(guān)的高安全性及可管理性之外，嵌入了微型IPV6協(xié)議棧，將幾MB甚至上百M(fèi)B的IPV6協(xié)議精簡(jiǎn)為約200 kB，從而實(shí)現(xiàn)IPV6在低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)的無縫連接。

自適應(yīng)頻率捷變算法的開發(fā)，與具有良好選擇性的射頻信號(hào)結(jié)合，有效防止駐波干擾、調(diào)頻干擾，使設(shè)計(jì)的物聯(lián)網(wǎng)路由器低功耗傳輸模塊在2.4 GHz頻帶內(nèi)穩(wěn)定傳輸，與該頻帶內(nèi)的其他無線模塊良好共存，解決了多無線模塊同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)的相互干擾。

基于Quark微處理器的物聯(lián)網(wǎng)路由器以寬帶或3G為接入載體，與WiFi技術(shù)、傳感器技術(shù)、RF無線傳輸技術(shù)等結(jié)合［8］，可應(yīng)用于智能家居、智能大廈、智慧課堂、安防、智能能源管理、工業(yè)控制、物流等行業(yè)，具有廣泛的應(yīng)用前景。

［1］孫利民，李建中，陳俞.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2005.

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［3］孫其博，劉杰，黎葬，等.物聯(lián)網(wǎng):概念、架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)研究綜述［J］.北京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)，2010:33(3):1－9.

［4］肖芳漢.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧城市建設(shè)［J］.通訊世界，2013(2):5－6.

［5］于旭東.基于默認(rèn)路由器優(yōu)先級(jí)的IPv6路由備份機(jī)制研究［J］.信息安全與技術(shù)，2014(5):94－96.

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