物聯(lián)網(wǎng)中嵌入式終端數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸控制系統(tǒng)設(shè)計

張亞林

（廣州大學(xué)松田學(xué)院，廣東 廣州 511300）

數(shù)據(jù)傳輸是指在終端沿著傳輸層與主機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸，在物聯(lián)網(wǎng)中，對數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟾饔胁煌?，因此研究?shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蛯?shí)時性是目前相關(guān)研究較為重視的方面[1?3]。國外在早期就提出了信息高速公路，用來提高計算機(jī)的聯(lián)網(wǎng)速度。而對數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程控制工作而言，研究的方法一般都是利用較為簡單的IP 流和UDP 流來實(shí)現(xiàn)連接，但兩種數(shù)據(jù)流在不同網(wǎng)絡(luò)流中的傳輸特性不同，UDP 流的數(shù)據(jù)傳輸控制情況較差[4?6]，極易出現(xiàn)丟包現(xiàn)象。

1 物聯(lián)網(wǎng)中嵌入式終端數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸控制軟件設(shè)計

1.1 嵌入式驅(qū)動程序設(shè)計

驅(qū)動程序作為硬件與程序之間的接口，考慮所涉及的任務(wù)和硬件的特點(diǎn)，在驅(qū)動程序中作了如下設(shè)計：

1）AD6518_read：提取DMA 存儲，同時程序等待存儲數(shù)據(jù)讀/寫，讀/寫完成后，數(shù)據(jù)傳送至用戶空間，同時釋放存儲。

2）AD6518_ioctl：程序?yàn)檫x擇結(jié)構(gòu)，根據(jù)使用用戶的命令，將DMA 初始化，同時讀/寫控制寄存器與AD6518 的工作。

3）AD6518_open：完成DMA 通道參數(shù)設(shè)置，同時將I/O 端口初始化。

4）AD6518_release：工作與AD6518_open 相反，清理與釋放資源。

5）AD6518_init：程序函數(shù)初始化，同時對驅(qū)動程序進(jìn)行注冊，創(chuàng)建文件節(jié)點(diǎn)。

程序函數(shù)使用file_operations 結(jié)構(gòu)來串聯(lián)，驅(qū)動程序圖如圖1 所示。

圖1 驅(qū)動程序圖

設(shè)計的驅(qū)動程序在編寫時，用戶在程序中可以直接對函數(shù)進(jìn)行調(diào)用。

1.2 終端數(shù)據(jù)包傳輸

首先讀取終端單片機(jī)中的數(shù)據(jù)，而在E2PROM 接口下，可以直接讀取數(shù)據(jù)，其中，終端中的控制、地址、數(shù)據(jù)寄存器REG.0BH～REG.0EH，可以控制對數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取。EPAR_PHY_AD 位應(yīng)該保證設(shè)置為00，對終端從串行E2PRO（SROM）數(shù)據(jù) 預(yù) 讀程序?yàn)椋篒ow（0x0A，0x02），/*（ERCR REG 0BH）*/。在 完 成 數(shù) 據(jù) 預(yù) 讀 后 進(jìn) 行SROM+READ 操作，將EPCR（REG.0BH）EPOS 位由3 調(diào)整 至0，進(jìn) 入SROM 模 式，將ERCR（REG. 0BH）ERPRRCR 位由2 調(diào)整至0，程序發(fā)布READ 命令。在進(jìn)行數(shù)據(jù)包傳輸過程中，對終端內(nèi)的各節(jié)點(diǎn)分別計算其距離的絕對值和歐氏距離，否則容易對程序造成影響，對節(jié)點(diǎn)i來說，存在以下關(guān)系：

通過數(shù)字化管理，減少以往紙質(zhì)圖紙出圖送審的時間，并將監(jiān)管所需的施工圖圖紙資料、整改信息、備案情況等進(jìn)行集中管理，防止勘察設(shè)計單位與審查機(jī)構(gòu)之間因?yàn)橘Y料是否齊全而引起的扯皮現(xiàn)象，政府主管部門也能夠及時掌握勘察設(shè)計企業(yè)和從業(yè)人員詳實(shí)的從業(yè)行為信息，掌握其完成項(xiàng)目的施工圖設(shè)計文件中所存在的違法、違規(guī)和違反工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)制性條文的信息以及其它可授權(quán)上報的質(zhì)量信息，有效提升審圖工作的時效性。

式中：(xi,yi)代表節(jié)點(diǎn)i的坐標(biāo)；(xj,yj)代表節(jié)點(diǎn)j的坐標(biāo)；S1(R)和S2(R)代表終端中的數(shù)據(jù)包；|·|代表節(jié)點(diǎn)距離中的絕對值；d[·]代表節(jié)點(diǎn)間的歐氏距離值。在確認(rèn)絕對值和歐氏距離值后引入程序的數(shù)據(jù)壓縮過程中，確保壓縮率準(zhǔn)確。同時在發(fā)布寫命令完成終端數(shù)據(jù)的讀取后，將要發(fā)送的數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)包來進(jìn)行發(fā)送，數(shù)據(jù)讀取后，保留在終端的靜態(tài)存儲器中，而內(nèi)部的數(shù)據(jù)地址為DM9000AMAC 的0～0xBFF。同時在終端程序中建立起一個數(shù)據(jù)包的傳輸緩沖區(qū)，而待發(fā)送的數(shù)據(jù)包中字節(jié)較多的放在MDR AH REG.FDH，低字節(jié)放在MDRAL REG.FCH，通過設(shè)置TXREQ，在數(shù)據(jù)包傳輸時，在NSR REG.01NSR 中設(shè)立TX1END 位[2]=1 標(biāo)志，代表傳輸數(shù)據(jù)包完成。數(shù)據(jù)包傳輸程序如下：

（u8）io_mode=ior（0xFE）>>7；/*讀ISR Bit[7]I/O 模式，表示I/O DATA 寬度模式。Outb（I/Oaddr，0xF8）；/*寫I/O 到MWCMD REG F8H 后程序地址增加到write_ptr++*/。/*u8 TX_dat a[ ]數(shù)據(jù)發(fā)送到int TX_1 ength：TX_dat a [ ]*/的數(shù)據(jù)中。{for（i=0；i

1.3 QoS 動態(tài)調(diào)整控制

通過制定QoS 映射公式來用于對QoS 的定量計算，用戶根據(jù)對數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的不同要求，將傳輸時的時延、丟包、抖動的要素因子顯示給用戶，QoS 的計算公式為：

同時可以根據(jù)用戶需求，將上述數(shù)據(jù)包的壓縮率進(jìn)行分割，得到對時延、丟包、抖動情況的改善。在程序中設(shè)置變量m_Perlipore，代表當(dāng)前對數(shù)據(jù)包的壓縮率，在設(shè)計中將壓縮率的設(shè)置分為三種：m_Perlipore=3 時，即最低質(zhì)量；m_Perlipore=1 為最高質(zhì)量；m_CuroelcBlice 代表通過QoS 計算數(shù)值所得到的新壓縮率。Persirlie 代表在操作端要求改變的壓縮率數(shù)值。首先在程序中初始狀態(tài)下m_Perlipore=1 時，設(shè)置一個定時器，在對QoS 測量時間內(nèi)，將網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前情況的QoS 綜合性能進(jìn)行計算，當(dāng)QoS 的數(shù)值范圍較大，即當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)情況較差，這時設(shè)置m_Perlipore=3， m_Perlipore<3 時 ， 建 議 數(shù) 值m_CuroelcBlice=m_Perlipore+1，當(dāng)QoS 數(shù)值在變好時，m_Perlipore=1，當(dāng)m_Perlipore>1，建議數(shù)值m_CuroelcBlice=m_Perlipore-1，有 限 信 號 Persirlie=m_CuroelcBlice。在QoS 沒有超出范圍時，Persirlie=0，同時當(dāng)定時器設(shè)置的時間到達(dá)預(yù)設(shè)時間后，從發(fā)送端發(fā)出RTCP 包。

2 物聯(lián)網(wǎng)中嵌入式終端數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸控制硬件設(shè)計

2.1 C8051F310 MCU 單片機(jī)

本文終端選擇C8051F310 MCU 型號單片機(jī)。該單片機(jī)的速度可從1～25 MIPS，最高到100 MIPS，屬于高速單片機(jī)，同時中斷源較多，并且具備固定的I/O 接口，兼 容 性 更 高[7?9]。該單片機(jī)外設(shè)部件較多，29 個I/O 端口，一個增強(qiáng)型全雙工UART，256 B 的內(nèi)部RAM，控制內(nèi)核為CIP?51 微控制器，同時可以與MCS?51 指令實(shí)現(xiàn)指令兼容，支持14 個中斷源并具有一個10 位的ADC 和128 B特殊功能寄存器。

單片機(jī)主控部分為C8051F310 芯片，芯片主控電路如圖2 所示。

圖2 C8051F310 芯片主控電路

2.2 GPRS 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊MC39I

本文數(shù)據(jù)傳輸模塊采用無線數(shù)據(jù)傳輸方式，選擇SIMENS 公司的MC39I 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，該模塊可以完全兼容MC35 模塊的功能，該模塊輸出功率在EGSM900中為2 W，GSM1800[10?11]中為1 W。同時模塊支持EGSM900M/GSM1800M 雙頻輸出，模塊接口為40 管腳，其中包括RS 232 接口、50 Ω 天線接口，同時在GPRS的數(shù)據(jù)傳輸模式下最大傳輸速率85.6 Kb/s 且在連接后支 持PAP 與CHAP 協(xié) 議[12?14]。 模 塊 輸 入 電 壓 為3.3～4.8 V，在休眠狀態(tài)下模塊的功耗為3.0 mA，語音狀態(tài)下為300 mA，在GPRS 傳輸模式下為590 mA。該模塊的內(nèi)部包括射頻區(qū)、GSM 基帶處理器、電源與40 腳的插座。模塊外部存在40 個管腳，用ZIF 連接器將管腳引出，ZIF 連接器的管腳圖如圖3 所示。將無線數(shù)據(jù)傳輸模塊與上述的C8051F310 相連接，MC39I 模塊窗口擁有較多控制線，可以通過ZIF 管腳來與C8051F310 相連接，連接方式如圖4 所示。C8051F310 與MC39I 的數(shù)據(jù)傳輸通過串行通信接口來實(shí)現(xiàn)，且采用三線制連接，并連接地線[15]。

圖3 ZIF 管腳連接圖

圖4 MC39I 與C8051F310 連接圖

2.3 SIM 卡接口部分設(shè)計

單片機(jī)作為終端無法直接登錄移動網(wǎng)絡(luò)，為實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的連接，需要通過SIM 卡的接口擴(kuò)展插槽，SIM 卡可以與MC39I 連接，設(shè)計的SIM 卡接口需要符合ISO7816?3IC 卡標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計的SIM 卡存在5 個管腳，與MC39I連接方法如圖5 所示。

3 實(shí)驗(yàn)論證分析

為了驗(yàn)證本文系統(tǒng)在進(jìn)行數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸時控制的可行性，設(shè)計實(shí)驗(yàn)對本文系統(tǒng)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，通過調(diào)整網(wǎng)絡(luò)延遲情況，同時使用文獻(xiàn)[7]、文獻(xiàn)[14]、文獻(xiàn)[15]中的數(shù)據(jù)傳輸控制系統(tǒng)與本文系統(tǒng)進(jìn)行對比。

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)中對終端使用的數(shù)據(jù)是在物聯(lián)網(wǎng)中導(dǎo)出的一定量數(shù)據(jù)，同時實(shí)驗(yàn)中將會對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分次限流，來分析在限流后數(shù)據(jù)傳輸控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速度，以此來判斷本文系統(tǒng)的有效性。實(shí)驗(yàn)中分為3 次網(wǎng)絡(luò)限流：30 Mb/s，3 Mb/s，300 Kb/s。

圖5 SIM 卡槽與MC39I 連接圖

3.2 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

實(shí)驗(yàn)工作環(huán)境濕度40%RH～95%RH，供電電源AC220(1±15%）V，50 Hz，功率小于15 W，環(huán)境中的電器干擾情況通過IEC255?22?IMH 脈沖群干擾實(shí)驗(yàn)以及GB6162100 kHz 脈沖干擾實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)環(huán)境為符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的IEC255?2?2 中等級為3 的靜電放電實(shí)驗(yàn)。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在網(wǎng)絡(luò)限流情況下，系統(tǒng)一的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸情況如圖6 所示。

圖6 系統(tǒng)一數(shù)據(jù)傳輸情況

圖6 為系統(tǒng)一的數(shù)據(jù)傳輸情況。系統(tǒng)一為本文設(shè)計的系統(tǒng)，系統(tǒng)二為文獻(xiàn)[7]中的系統(tǒng)、系統(tǒng)三為文獻(xiàn)[14]中的系統(tǒng)、系統(tǒng)四為文獻(xiàn)[15]中的系統(tǒng)。

系統(tǒng)二數(shù)據(jù)傳輸情況如圖7 所示。系統(tǒng)二所在300 Kb/s 的限流中，出現(xiàn)較為嚴(yán)重的丟包現(xiàn)象，數(shù)據(jù)傳輸無法順利開展，且系統(tǒng)二受網(wǎng)絡(luò)情況影響較為嚴(yán)重。

系統(tǒng)三數(shù)據(jù)傳輸情況如圖8 所示。系統(tǒng)三的數(shù)據(jù)傳輸情況受網(wǎng)絡(luò)限流情況影響較小，但系統(tǒng)三的數(shù)據(jù)傳輸效率較低。系統(tǒng)四數(shù)據(jù)傳輸情況如圖9 所示。

系統(tǒng)四的數(shù)據(jù)傳輸受網(wǎng)絡(luò)限流影響較為明顯，通過實(shí)驗(yàn)證明，本文設(shè)計的嵌入式終端數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸控制系統(tǒng)可用性較強(qiáng)，通過QoS 動態(tài)調(diào)整，對系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸進(jìn)行控制，保證在網(wǎng)絡(luò)情況不佳時仍能順利地完成數(shù)據(jù)傳輸工作。

圖7 系統(tǒng)二數(shù)據(jù)傳輸情況

圖8 系統(tǒng)三數(shù)據(jù)傳輸情況

圖9 系統(tǒng)四數(shù)據(jù)傳輸情況

4 結(jié)語

本文研究設(shè)計了物聯(lián)網(wǎng)中嵌入式終端數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸控制系統(tǒng)，通過QoS 動態(tài)調(diào)整來實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸?shù)目刂啤５芯繉?shí)驗(yàn)中，目前僅對網(wǎng)絡(luò)限流后的數(shù)據(jù)傳輸情況進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，缺乏對網(wǎng)絡(luò)波動、網(wǎng)絡(luò)延遲等其他情況的判斷，在后續(xù)的研究中仍需進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)分析。