基于物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)控制器設(shè)計(jì)*

周恩浩， 李玉玲， 何均健

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 現(xiàn)代教育技術(shù)中心， 廣州 510642)

隨著各行各業(yè)不同信息之間的相互交互，物聯(lián)網(wǎng)的概念被提出[1-2].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的最終目的是通過(guò)不同傳感器組成的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)將不同事物連接起來(lái)，使人和物之間隨時(shí)隨地都能夠很好地進(jìn)行信息交互.對(duì)于傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)而言，一般都是在終端設(shè)備中嵌入對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)收發(fā)模塊，然后再利用以太網(wǎng)等接入至網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，最后再通過(guò)PC機(jī)或者手機(jī)來(lái)對(duì)其進(jìn)行訪問(wèn)，以獲取傳輸來(lái)的信息[3-4].隨著物聯(lián)網(wǎng)規(guī)模的不斷提升，若要實(shí)現(xiàn)多源信息的順暢交互，傳感器網(wǎng)絡(luò)需由布置多種感知類節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)所構(gòu)成.然而不同的傳感器節(jié)點(diǎn)具有不同的協(xié)議，且綜合考慮遠(yuǎn)距離聯(lián)網(wǎng)能力、功耗要求以及系統(tǒng)成本等因素，多終端設(shè)備直接接入網(wǎng)絡(luò)具有一定的難度，無(wú)法真正的實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)體系的互聯(lián)互通[5-6].因此，需要一種新型的網(wǎng)絡(luò)控制器，能夠使物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的多種終端設(shè)備無(wú)縫連接至網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中.

本文設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)控制器控制方案，提出了物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)控制器的整體設(shè)計(jì)方案和系統(tǒng)整體框架，并在此基礎(chǔ)上闡述了網(wǎng)絡(luò)控制器系統(tǒng)的硬件和軟件實(shí)現(xiàn)部分，最后對(duì)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)控制器的整體性能進(jìn)行了測(cè)試.

1 網(wǎng)絡(luò)控制器系統(tǒng)方案

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)控制器主要是連接物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的通信網(wǎng)絡(luò)和傳感器網(wǎng)絡(luò)，并對(duì)其實(shí)施管理.本文首先通過(guò)數(shù)據(jù)采集終端進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并通過(guò)無(wú)線傳感器模塊傳送至網(wǎng)關(guān)模塊，再將該數(shù)據(jù)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線等通信方式傳輸至上位機(jī)的監(jiān)控中心，對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)和傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行深度融合，最后實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一安全管理.

網(wǎng)絡(luò)控制器系統(tǒng)具備的主要功能有：1)無(wú)線、有線網(wǎng)絡(luò)接入能力.網(wǎng)絡(luò)控制器系統(tǒng)需要通過(guò)無(wú)線、有線網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控中心進(jìn)行遠(yuǎn)程通信，其中無(wú)線通信是采用移動(dòng)通信與互聯(lián)網(wǎng)連接，而有線通信則是構(gòu)建局域通信網(wǎng)絡(luò).2)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)接入能力.為實(shí)現(xiàn)不同采集終端數(shù)據(jù)的收集，網(wǎng)絡(luò)控制器需具備和無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的功能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)所有傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的連接.3)數(shù)據(jù)協(xié)議轉(zhuǎn)換能力.為實(shí)現(xiàn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、有線網(wǎng)絡(luò)以及無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，需統(tǒng)一不同感知網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)控制器需具備不同數(shù)據(jù)協(xié)議轉(zhuǎn)換能力.4)管理控制能力.無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的控制中心是網(wǎng)絡(luò)控制器，因此無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的啟動(dòng)、組網(wǎng)和刪除增加監(jiān)測(cè)點(diǎn)等功能由網(wǎng)絡(luò)控制器進(jìn)行管理和控制.5)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力.網(wǎng)絡(luò)控制器能夠?qū)崟r(shí)地存儲(chǔ)采集的終端數(shù)據(jù)，便于監(jiān)控中心實(shí)時(shí)查看.

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)控制器系統(tǒng)的整體方案如圖1所示，采集終端對(duì)所需要的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，采用ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)連接至網(wǎng)關(guān)設(shè)備，而網(wǎng)關(guān)設(shè)備又采用3G無(wú)線網(wǎng)、有線網(wǎng)絡(luò)以及工業(yè)總線等網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程監(jiān)控PC進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)所有節(jié)點(diǎn)的統(tǒng)一管理.

2 網(wǎng)絡(luò)控制器系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的基本功能，中國(guó)通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)(CCSA)將物聯(lián)網(wǎng)分為感知層、傳送層和應(yīng)用層，而物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)控制器處于傳送層.其中感知層具備檢測(cè)以及近距離通信功能，主要組成為傳感網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)采集設(shè)備，傳感網(wǎng)絡(luò)又是由多種數(shù)據(jù)采集設(shè)備、傳感器設(shè)備節(jié)點(diǎn)等組成，而數(shù)據(jù)采集設(shè)備由各類傳感器和ZigBee模塊等組成；傳送層具備遠(yuǎn)程通信及網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)的功能，在以太網(wǎng)基礎(chǔ)上，遠(yuǎn)程傳輸感知層采集的數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)感知層網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合；應(yīng)用層則根據(jù)處理的數(shù)據(jù)信息為用戶提供應(yīng)用和服務(wù)，處理和控制多種通信設(shè)備的信息.

圖1 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)圖Fig.1 Scheme design of network control system based on Internet of Things

基于物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)控制器系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要是負(fù)責(zé)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、3G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)以及CAN/RS-485工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交互和管理，需完成各類通信數(shù)據(jù)的協(xié)議轉(zhuǎn)換.物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)控制器具體由微處理芯片、通信模塊、無(wú)線通信模塊、外部接口電路、電源、存儲(chǔ)模塊及以太網(wǎng)接口等幾部分組成.

圖2 硬件總體結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Overall hardware architecture diagram

根據(jù)系統(tǒng)的功能需求，選用型號(hào)為Marvel PXA310的ARM9作為核心處理器[7]來(lái)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)控制器的最小系統(tǒng)，外圍擴(kuò)展功能模塊主要有網(wǎng)絡(luò)模塊、3G模塊、CAN模塊、RS-485模塊以及ZigBee模塊[8-9]，其中ZigBee模塊用于數(shù)據(jù)采集終端，是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器.

在外圍擴(kuò)展模塊電路中，網(wǎng)絡(luò)模塊采用型號(hào)為DM9000AEP的芯片，該芯片是一款高速的以太網(wǎng)控制器芯片，以太網(wǎng)傳輸協(xié)議為802.3；3G模塊選用的是LC5740模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)3G網(wǎng)絡(luò)的功能，完成與監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互；CAN模塊與處理器的接口采用的是SPI接口，分別采用MCP2515芯片和SN65HVD230D將SPI格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為CAN總線數(shù)據(jù)；RS-485與處理器接口采用的是UART接口，采用SN65HVD11D芯片將UART接口電平轉(zhuǎn)換為RS-485總線電平.

除了ARM核心處理器和擴(kuò)招模塊之外，還應(yīng)配備滿足系統(tǒng)正常運(yùn)行的外圍最小系統(tǒng)電路，如圖3所示，主要有電源電路、時(shí)鐘電路、存儲(chǔ)器系統(tǒng)、JTAG接口和復(fù)位電路等模塊，其中電源電路為各個(gè)子系統(tǒng)提供電力支撐，所需要的直流電壓等級(jí)有12、5、3.3和1.8 V.

圖3 外圍最小系統(tǒng)電路Fig.3 Minimum peripheral system circuit

對(duì)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)采集終端ZigBee的型號(hào)為FZB5000的無(wú)線模塊，其頻段為2.4 GHz，對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議棧為ZigBee-Pro.ZigBee與數(shù)據(jù)采集終端以及網(wǎng)絡(luò)控制器平臺(tái)都是采用UART接口.

3 網(wǎng)絡(luò)控制器系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)控制器軟件部分主要是在硬件的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)不同通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換以及完成數(shù)據(jù)采集終端、監(jiān)控中心的連接，將嵌入式Linux操作系統(tǒng)植入到ARM處理器，實(shí)現(xiàn)所有程序的統(tǒng)一管理.網(wǎng)絡(luò)控制器系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示，軟件平臺(tái)在Linux系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)，主要包括數(shù)據(jù)處理層和協(xié)議棧層，協(xié)議棧包含的協(xié)議有以太網(wǎng)協(xié)議、ZigBee-Pro協(xié)議等，數(shù)據(jù)處理層主要是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和轉(zhuǎn)發(fā).

嵌入式系統(tǒng)的核心部分是網(wǎng)絡(luò)控制器的主應(yīng)用程序，主要功能包括：各種不同通信模塊之間協(xié)調(diào)傳輸、不同通信協(xié)議之間轉(zhuǎn)換以及數(shù)據(jù)信息采集功能.所有的程序采用Linux C進(jìn)行編寫，系統(tǒng)軟件部分最開(kāi)始運(yùn)行的是主函數(shù)部分，主函數(shù)首先完成變量的定義以及初始化，然后完成各個(gè)子模塊的對(duì)應(yīng)功能，并使主函數(shù)進(jìn)入死循環(huán)，其流程圖如圖5所示.

圖4 網(wǎng)絡(luò)控制器系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)Fig.4 Software structure of network controller system

圖5 主程序流程圖Fig.5 Flow chart of main program

網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中通信任務(wù)的主體流程圖如圖6所示，首先將各自通信設(shè)備打開(kāi)并對(duì)其初始化，初始化之后便開(kāi)始等待服務(wù)器發(fā)送命令，若出現(xiàn)命令，便對(duì)命令碼和命令長(zhǎng)度進(jìn)行讀取，以判斷該命令碼是否存在.如果存在命令碼，則根據(jù)命令長(zhǎng)度接收命令內(nèi)容，再一次判斷該命令是否需由命令處理線程進(jìn)行處理，直至處理成功.

4 網(wǎng)絡(luò)控制器系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試

首先，本文對(duì)網(wǎng)絡(luò)控制器的主控模塊進(jìn)行了測(cè)試，網(wǎng)絡(luò)控制器主控模塊主要是接收Z(yǔ)igbee傳送的數(shù)據(jù)，并通過(guò)解析將其發(fā)送至IP網(wǎng)絡(luò).網(wǎng)絡(luò)控制器IP地址為192.168.139.72，終端網(wǎng)絡(luò)客戶端的IP地址是192.168.139.73，通過(guò)解析后得到的數(shù)據(jù)結(jié)果如圖7所示.從圖中可以看出，節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址、網(wǎng)絡(luò)控制器Zigbee模塊的地址以及節(jié)點(diǎn)電壓、溫度等信息能夠有效讀取.該測(cè)試結(jié)果表明，該網(wǎng)絡(luò)控制器能夠?qū)崿F(xiàn)Zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和IP網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)通.

圖6 通信任務(wù)主體流程圖Fig.6 Main flow chart of communication task

圖7 IP客戶端結(jié)果Fig.7 Results of IP client terminal

在基于物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)傳感器讀取串口數(shù)據(jù)的丟包率以及網(wǎng)絡(luò)控制器與以太網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)是兩個(gè)重要的指標(biāo)，為驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性和有效性，對(duì)兩項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行了性能測(cè)試.本次實(shí)驗(yàn)測(cè)試中，設(shè)置了20組不同的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)信息的發(fā)送周期為5 s，以1 000個(gè)數(shù)據(jù)包為一個(gè)間隔來(lái)測(cè)量丟包率，第1～1 000個(gè)數(shù)據(jù)包記為第1組，第1 001～2 000個(gè)數(shù)據(jù)包記為第2組，以此類推，第19 001～20 000個(gè)數(shù)據(jù)包記為第20組，兩項(xiàng)指標(biāo)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8、9所示.

圖8 網(wǎng)絡(luò)控制器系統(tǒng)丟包圖Fig.8 Packet loss diagram of network controller system

圖9 網(wǎng)絡(luò)控制器系統(tǒng)信息延時(shí)圖Fig.9 Information delay diagram of network controller system

由圖8可知，20次實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平均丟包率為0.27%，測(cè)試結(jié)果遠(yuǎn)低于中國(guó)通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)規(guī)定的最大丟包率1%，因此滿足要求.由圖9可知，20次實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平均時(shí)延分別為：8.878 49、8.736 04、9.100 39、8.928 68、9.023 81、8.788 69、8.896 75、8.998 92、9.010 12、8.981 02、8.828 06、8.789 18、8.729 23、9.058 92、8.796 78、8.812 13、8.997 91、8.879 26、8.971 52、9.019 82 ms，也低于規(guī)定平均時(shí)延的最大值100 ms，因此也滿足要求.綜上所述，文中所設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)控制器系統(tǒng)能夠滿足實(shí)際應(yīng)用的要求.

最后，對(duì)通信距離進(jìn)行了測(cè)試，對(duì)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)分別采用圓柱天線和陶瓷天線進(jìn)行了無(wú)線通信距離的測(cè)試，網(wǎng)絡(luò)控制器系統(tǒng)的其他參數(shù)保持不變.兩種天線的測(cè)試結(jié)果都符合CCSA標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)控制器系統(tǒng)的協(xié)調(diào)器采用是圓柱天線，而終端節(jié)點(diǎn)采用圓柱或者陶瓷天線時(shí)，兩個(gè)不同節(jié)點(diǎn)之間的最大通信距離是90 m.當(dāng)網(wǎng)絡(luò)控制器系統(tǒng)的協(xié)調(diào)器采用是陶瓷天線，而終端節(jié)點(diǎn)采用圓柱或者陶瓷天線時(shí)，兩個(gè)不同節(jié)點(diǎn)之間的最大通信距離是30 m.

5 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)控制器設(shè)計(jì)方案，提出了物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)控制器的整體設(shè)計(jì)框架，并基于此介紹了網(wǎng)絡(luò)控制器各子系統(tǒng)的硬件和軟件實(shí)現(xiàn)方法.該網(wǎng)絡(luò)控制器具有多種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接入、協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)裙δ埽鋫鞲衅飨到y(tǒng)實(shí)現(xiàn)了無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)總線網(wǎng)絡(luò)之間數(shù)據(jù)的交互、不同網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的轉(zhuǎn)換以及物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的統(tǒng)一管理.最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試網(wǎng)絡(luò)控制器的主控模塊特性、網(wǎng)絡(luò)傳感器讀取串口數(shù)據(jù)的丟包率以及網(wǎng)絡(luò)控制器與以太網(wǎng)之間的無(wú)線通信延時(shí)情況，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)控制器的良好性能.