易用的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)計與實現(xiàn)

張如龍，陳科明，嚴迪科，楊伊利

(杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院，浙江杭州310018)

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)是物理空間和信息空間的結(jié)合，將所有事物網(wǎng)絡(luò)化，實現(xiàn)高效的信息交互方式，是互聯(lián)網(wǎng)的延伸和擴展［1］。隨著物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，很多老式的串口設(shè)備也需要接入網(wǎng)絡(luò)，然而在醫(yī)療設(shè)備和工業(yè)控制中，現(xiàn)場鋪設(shè)有線網(wǎng)絡(luò)是極其困難的。怎樣讓這些設(shè)備不做過大的改動便滿足其聯(lián)網(wǎng)需求，成了一個急需解決的難題。面向物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的UART-WIFI網(wǎng)關(guān)，將無線Wi-Fi與串口融合起來，使得符合RS232標(biāo)準的串口設(shè)備可以輕松接入網(wǎng)絡(luò)，極大地拓寬了串口的功能，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)［2］。本文設(shè)計的UART-WIFI網(wǎng)關(guān)，配置簡單，即插即用，簡化了設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)流程，并提升了設(shè)備的智能化水平，具有良好的技術(shù)推廣和市場價值。

1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

UART-WIFI網(wǎng)關(guān)的核心芯片采用的是臺灣雷凌的RT5350 SOC，系統(tǒng)的主要功能模塊如圖1所示。網(wǎng)關(guān)包括標(biāo)準RS232接口，主要用于同串口設(shè)備的數(shù)據(jù)收發(fā);Wi-Fi功能模塊主要是用Socket進行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的收發(fā)。中間的應(yīng)用程序主要起轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的作用，并負責(zé)相關(guān)參數(shù)的配置。

網(wǎng)關(guān)支持WIFI Direct和802.11n無線標(biāo)準，STA+AP共存網(wǎng)絡(luò)模式以及WPS(Wi-Fi Protected Setup)。系統(tǒng)內(nèi)部集成完整的TCP/IP協(xié)議棧和功能強大的Web Server［3］。同時，本系統(tǒng)內(nèi)部提供了內(nèi)部用戶網(wǎng)頁，其HTML語言可自定義，支持第3方云服務(wù)功能。

圖1 網(wǎng)關(guān)整體架構(gòu)

2 硬件設(shè)計

2.1 網(wǎng)關(guān)硬件原理框圖

網(wǎng)關(guān)硬件系統(tǒng)的構(gòu)成主要有SOC、Wi-Fi收發(fā)模塊、串口收發(fā)器模塊、電源和外部存儲器，整體硬件原理框圖如圖2所示。

圖2 網(wǎng)關(guān)硬件原理框圖

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計及選型

系統(tǒng)處理器選用雷凌RT5350 SOC，該處理器集成了360 MHz的MIPS24KEc內(nèi)核，擁有16 kB的數(shù)據(jù)緩存和32 kB的指令緩存，5個以太網(wǎng)口。并且，只需極少的外部組件就可以支持2.4 GHz 802.11 n的無線功能，提供最高達150 Mbps數(shù)據(jù)傳輸。此外，RT5350有豐富的外設(shè)接口，如SPI、I2S、I2C、PCM、UART 等，支持各種應(yīng)用［4］。

電源部分應(yīng)用外部5 V直流電源供電，采用MAX687電壓轉(zhuǎn)換芯片切換到系統(tǒng)所需要的3.3 V工作電壓。系統(tǒng)的存儲由一片DDR SDRAM和一片NOR Flash組成，分別負責(zé)內(nèi)核和應(yīng)用的動態(tài)和靜態(tài)存取。

3 軟件設(shè)計

3.1 工作模式的設(shè)計

UART-WIFI網(wǎng)關(guān)具有透傳模式和命令行模式2種工作模式。透傳模式實現(xiàn)串口的即插即用，所有需要收發(fā)的數(shù)據(jù)都會在串口與Wi-Fi接口之間做透明傳輸，不做任何解析;命令行模式用于處理AT命令，對網(wǎng)關(guān)進行參數(shù)的設(shè)置。命令行模式可通過AT指令切換至透傳模式，透傳模式到命令行模式的切換可通過在一定的時間內(nèi)輸入相應(yīng)的字符來實現(xiàn)，具體要求如圖3所示。

圖3 模式切換時序圖

3.2 程序軟件整體架構(gòu)

程序在透傳模式下，默認(系統(tǒng)啟動時)情況下處于透傳模式，大致有5個線程:1)主線程主要用于初始化和Socket的接收;2)Sockets接收線程主要用于Sockets數(shù)據(jù)的接收，每次接收數(shù)據(jù)都會輪詢所有Socket并判定是否失去連接;3)Uart發(fā)送線程主要用于將從Scoket接收的數(shù)據(jù)發(fā)送到串口;4)Uart接收線程主要用于接收串口數(shù)據(jù)(10 ms自動成幀)，并處理切換工作模式;5)Sockets發(fā)送線程主要用于將從串口接收到的數(shù)據(jù)群發(fā)到Sockets。不同的線程間的數(shù)據(jù)交互，用全局變量的單向鏈表list來緩沖，以互斥鎖來控制線程對list的訪問［5］;并以同步鎖來控制線程的執(zhí)行，如只有在Socket收到數(shù)據(jù)后，Uart才會去發(fā)送數(shù)據(jù)。

在透傳的情況下，串口可在規(guī)定時間內(nèi)發(fā)送特定的字符來實現(xiàn)進入命令行模式。在命令行模式下，Sockets接收線程的接收數(shù)據(jù)，由Uart發(fā)送線程拋棄;Uart接收線程收到數(shù)據(jù)時，不設(shè)置同步鎖，Scokets發(fā)送線程不會處理數(shù)據(jù)，此時，串口數(shù)據(jù)的收發(fā)都由Uart接收線程處理，不進行轉(zhuǎn)發(fā)［6］。其初始化總流程如圖4所示。

4 網(wǎng)關(guān)特點

傳統(tǒng)網(wǎng)關(guān)又稱協(xié)議轉(zhuǎn)換器，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層之上的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，僅適用高層協(xié)議不同的兩個網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。

然而物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，使得物與物之間也有了相互連通的需求，由此物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)應(yīng)運而生。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)是連接傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)和感知網(wǎng)絡(luò)的紐帶，也能在不同的感知網(wǎng)絡(luò)間進行協(xié)議轉(zhuǎn)換。

本文設(shè)計的UART-WIFI網(wǎng)關(guān)可以將串口設(shè)備連接至互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)更廣闊范圍的通信。在雷凌公司提供的SDK的基礎(chǔ)上，進一步進行開發(fā)，使得UART-WIFI網(wǎng)關(guān)的功能強大，且操作簡單。

4.1 強大的功能

AP+STA即UART-WIFI網(wǎng)關(guān)同時支持一個AP接口和一個STA接口。網(wǎng)關(guān)的STA接口和路由器相連，并通過Socket與互聯(lián)網(wǎng)中的服務(wù)器通信。同時手機、平板電腦等都可以連接到網(wǎng)關(guān)上的AP接口，彼此互相訪問或連接到互聯(lián)網(wǎng)。

這個功能使得傳統(tǒng)的串口設(shè)備可以方便快速的相互組網(wǎng)，并可以與近年火熱的云服務(wù)進行信息的交互［7］。

4.2 支持SmartLink智能聯(lián)網(wǎng)功能

UART-WIFI網(wǎng)關(guān)支持豐富的AT+指令集，可以通過串口或Wi-Fi對網(wǎng)關(guān)的參數(shù)進行配置，并采用獨立的通信協(xié)議，簡化操作，使得普通用戶也可以輕松通過手機客戶端配置網(wǎng)關(guān)連接至路由器。此時網(wǎng)關(guān)通過Socket自動連接至互聯(lián)網(wǎng)，串口數(shù)據(jù)和Socket數(shù)據(jù)互相透明傳輸［8］。手機客戶端配置流程如圖5所示。

圖4 程序總體流程圖

圖5 客戶端一鍵配置聯(lián)網(wǎng)流程圖

5 測試結(jié)果

此結(jié)果為UART-WIFI網(wǎng)關(guān)的串口和Wi-Fi間數(shù)據(jù)相互透明傳輸能力的測試。網(wǎng)關(guān)的串口和STM32串口相連，波特率為115200 b/s，STM32在收到特定數(shù)據(jù)幀結(jié)束符后，將數(shù)據(jù)幀從串口返回;Android客戶端連接Wi-Fi至網(wǎng)關(guān)，通過Socket(TCP連接)在一定的時間間隔發(fā)送特定長度的數(shù)據(jù)幀至網(wǎng)關(guān)，另一線程接收返回的數(shù)據(jù)幀，并對數(shù)據(jù)進行比對。測試結(jié)果如表1所示。

表1 網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)透傳能力測試結(jié)果

實驗針對數(shù)據(jù)的丟包、粘包和拆包的情況進行測試，由于TCP是可靠的連接傳輸方式，故幾乎不存在丟包現(xiàn)象。從表1可以看出，UART-WIFI網(wǎng)關(guān)存在粘包現(xiàn)象，從實驗過程分析，粘包主要發(fā)生在STM32串口發(fā)送數(shù)據(jù)到網(wǎng)關(guān)串口的過程，在連續(xù)發(fā)送一幀數(shù)據(jù)過程?？赡芊趾脦状谓邮?，接收間隔可達5ms;同時串口本來就是低速率數(shù)據(jù)傳輸，無法跟上Socket的數(shù)據(jù)傳輸速率，故在此環(huán)節(jié)造成數(shù)據(jù)的粘包。

不過在低速率、小數(shù)據(jù)量方面，UART-WIFI網(wǎng)關(guān)可以勝任數(shù)據(jù)的透傳。數(shù)據(jù)幀大小100 Byte，發(fā)送間隔為100 ms，已經(jīng)可以滿足很多的工業(yè)控制或智能家居。

6 結(jié)束語

本文針對傳統(tǒng)串口設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)需求，研究并設(shè)計了一款基于RT5350的UART和WIFI相互透傳的網(wǎng)關(guān)。在當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)飛速發(fā)展的背景下，本網(wǎng)關(guān)成本低、易部署，可以滿足串口設(shè)備快速聯(lián)網(wǎng)的需求，將擁有廣闊的市場空間。

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