嵌入式系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的設(shè)計

李東澤

摘要

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)是連接傳感網(wǎng)和通信網(wǎng)絡(luò)的一個重要紐帶，嵌入式系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)計在軟件的控制下，能夠?qū)崿F(xiàn)一些不同類型感知系統(tǒng)的正常接入，并用于到各種場合之中。在物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)計中，不僅可以實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)的服務(wù)功能，還能對這些設(shè)備進行統(tǒng)一化的控制和遠程接控，確保它的通信方面的安全。本文從物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的硬件和軟件設(shè)計兩個方面來分析問題，以期為相關(guān)人員提供參考。

【關(guān)鍵詞】嵌入式系統(tǒng) 物聯(lián)網(wǎng) 網(wǎng)關(guān)設(shè)計

物聯(lián)網(wǎng)可以看作是人類社會發(fā)展的必然產(chǎn)物，主要是依靠全球定位系統(tǒng)等傳感設(shè)備來將世界中的任何物體連入到其中，讓人與人之間的交流變得更為簡單。隨著物聯(lián)網(wǎng)的不斷完善，其在我國各個領(lǐng)域都取得了突破性的進展，也讓人們的生活更加智能化。在現(xiàn)有的無線傳感網(wǎng)中，ZigBee憑借著自身特有的優(yōu)勢特點，在傳感網(wǎng)中得到了廣泛的應(yīng)用，為人們的生活和工作提供了方便。

1 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的硬件設(shè)計

1.1 太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)接口

在網(wǎng)關(guān)中的硬件設(shè)施方面，所使用的一般是AC/220V的供電模式，并且電源模塊會產(chǎn)生各種不同的電壓。例如，其中的太網(wǎng)模塊，通過控制器將十六位數(shù)據(jù)總線連接到相應(yīng)的系統(tǒng)中，將控制器中的一條地址總線和控制器連接在一起，并以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的形式，對控制器進行操作。要考慮到物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)會在比較惡劣的環(huán)境下工作，所以更應(yīng)該充分的應(yīng)用內(nèi)部資源。

例如，以AT91SAM9260控制器作為硬件平臺，就需要為其提供足夠多的內(nèi)存空間和應(yīng)用程序。其中主控制器作為系統(tǒng)的核心部件，主要任務(wù)是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、任務(wù)調(diào)度，在太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)接口中，作為OSI模型中連接兩種媒介的重要工具，可以實現(xiàn)主機和物理層之間的數(shù)據(jù)通信。按照標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)化格式進行控制與接收，通過MII好RMII兩種模式進行接收，實現(xiàn)對硬件的優(yōu)化配置。通過DM9161EP芯片，將其作為網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)中的接入口，符合低成本的快速運行，通過可變壓的MII又能準(zhǔn)確的連接到MAC層，這也是現(xiàn)階段最常見的物理層收發(fā)器。根據(jù)實際情況進行編程，以此來改變數(shù)據(jù)的長度，進而滿足相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 ZiBee的S網(wǎng)模塊

ZigBee作為組網(wǎng)模塊中的重要組成部分，能夠解決系統(tǒng)中的重要程序問題，在芯片內(nèi)部添加了一些增強型的內(nèi)核裝飾，在RF上有著非常強大的功能。組網(wǎng)模塊中，協(xié)調(diào)器會通過UART的方式和一些儀器設(shè)備相互連接在一起，當(dāng)收到遠程監(jiān)控所發(fā)來的消息之后，就會通過串口的方式對ZigBee發(fā)送相應(yīng)的指令。最后它的終端節(jié)會將A/D轉(zhuǎn)換模板收集到的數(shù)據(jù)以相反的方式傳遞給遠程監(jiān)控計算機。ZigBee有著極強的兼容性，在感知層主要是承擔(dān)采集數(shù)據(jù)和無線傳送的工作，而在使用層中主要是負責(zé)數(shù)據(jù)的加工處理，并給用戶提供最滿意的服務(wù)。

例如，在協(xié)議轉(zhuǎn)換中，基本功能就是呈現(xiàn)出不同協(xié)議的轉(zhuǎn)換，在收到ZigBee節(jié)點所傳送來的數(shù)據(jù)之后，按照相應(yīng)的規(guī)章制度來剔除掉多余的網(wǎng)絡(luò)層包頭，并對應(yīng)用層的一些數(shù)據(jù)進行合理化的處理。在網(wǎng)管的設(shè)計中需要分析硬件的整體設(shè)計，在設(shè)計的兩個模板中使用了ZigBee的開發(fā)套件，調(diào)節(jié)一些開發(fā)板，這能同時呈現(xiàn)網(wǎng)關(guān)的整體功能。將調(diào)節(jié)器和開發(fā)板連接在一起，根據(jù)設(shè)計方式，將實現(xiàn)的51單片機核以Astack的方式下載，達到降低成本的目的。對于一個完整的硬件系統(tǒng)而言，如果僅僅是電路設(shè)計，這還遠遠不夠，就從微處理器來看，還需要添加一些儲存電路和硬件方面的模板。

2 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計

2.1 ZiBee的應(yīng)用程序

軟件支持層主要是借助軟件的接口在Linux上進行操作，能夠?qū)崿F(xiàn)客戶端和服務(wù)器之間的信息交流。ZigBee應(yīng)用程序的內(nèi)部具有豐富的API，并提供了OSAL的系統(tǒng)框架來實現(xiàn)多層次的處理服務(wù)，這讓整個系統(tǒng)看起來更像是一個小型的框架操作系統(tǒng)，而在應(yīng)用程序中，是需要在一些特定的機制中來執(zhí)行函數(shù)操作的。ZigBee應(yīng)用程序主要是協(xié)調(diào)器程序和終端節(jié)點。

協(xié)調(diào)器作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)的核心點，在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和網(wǎng)絡(luò)管理上具有非常重要的作用，當(dāng)協(xié)調(diào)器初始完成之后，就可以開始相應(yīng)的掃描工作，對能量進行檢查，然后選擇一個合適的通道，通過網(wǎng)絡(luò)來操作程序。當(dāng)系統(tǒng)在運行之后，協(xié)調(diào)器會自動進入到一個查詢的狀態(tài)，根據(jù)處理器的節(jié)點來發(fā)送入網(wǎng)申請，在成功之后就會收到地址。然后對數(shù)據(jù)包進行調(diào)節(jié)，按照協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)來進行封裝。而在終端節(jié)點方面，主要是負責(zé)數(shù)據(jù)的采集，根據(jù)控制命令來執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)。在設(shè)置好軟硬件之后，會有無線局域網(wǎng)，當(dāng)啟動系統(tǒng)程序的時候，接下來的節(jié)點就會實時傳入相關(guān)的數(shù)據(jù)，監(jiān)聽與發(fā)送一些控制數(shù)據(jù)來執(zhí)行相應(yīng)的操作。

2.2 主控模塊設(shè)計

網(wǎng)關(guān)主要的模塊程序是在Linux的基礎(chǔ)上來操作的，通過服務(wù)器和多種編寫程序，實現(xiàn)對太網(wǎng)和ZigBec網(wǎng)絡(luò)的管理與控制，將網(wǎng)關(guān)接口、客戶端和服務(wù)器結(jié)合在一起。當(dāng)客戶端以網(wǎng)頁的形式向服務(wù)器發(fā)送請求的時候，服務(wù)器中的cgi程序就會從環(huán)境變量與輸入標(biāo)準(zhǔn)中，讀取相應(yīng)的信息，最后將結(jié)果發(fā)送到客戶端的瀏覽器中。當(dāng)設(shè)計的主控模板由CGI程序來統(tǒng)一調(diào)度時，就可以將主控模板和串口相互連接，控制器在收到相關(guān)程序的時候，以解析數(shù)據(jù)包的形式與終端節(jié)點連接在一起。主控部分和太網(wǎng)的通信部分會移植到Linux中，如果數(shù)據(jù)出現(xiàn)了異常，主控制器就會發(fā)送命令給到手機上。在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的階段，處理的速度和儲存的空間與PC相比更具有優(yōu)勢，這也能提高它在傳輸中的效率。因此，在開始之前就需要對開發(fā)和運行環(huán)境進行實時的搭建，讓各個功能的模板能進行有效銜接。

3 結(jié)束語

通過嵌入式系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的有效控制，在繼承了ZigBee優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，引入GPRS和太網(wǎng)，這很好的解決了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的缺陷問題。在嵌入式設(shè)備上實現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，給出了一些簡單的操作方式，結(jié)合無線傳感網(wǎng)的特點，極大的擴寬了人們的感知領(lǐng)域，提供了更為便捷的服務(wù)。

參考文獻

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