基于μC/OS—II的嵌入式電梯物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)

摘 要：為提高對(duì)電梯的管理維護(hù)水平，提出了一種電梯物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)方案。以ARM微控制器STM32F103VET6為核心研制了系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種運(yùn)行于該系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)管理協(xié)議，利用μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)創(chuàng)建基于該協(xié)議的SGMP任務(wù)，采用分層機(jī)制實(shí)現(xiàn)消息的創(chuàng)建、解析和執(zhí)行。實(shí)驗(yàn)證明網(wǎng)關(guān)具有良好的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性，具有廣泛的管理能力。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；網(wǎng)關(guān)管理協(xié)議；電梯；SGMP

1 概述

隨著電梯數(shù)量的增多，作為一種直接關(guān)系到人們生命安全的特種設(shè)備，如何保障電梯的安全運(yùn)行受到了廣泛關(guān)注。在傳統(tǒng)被動(dòng)的電梯管理模式下各種電梯事故時(shí)有發(fā)生。國(guó)內(nèi)外各電梯企業(yè)大多針對(duì)各自品牌，采用總線或者公用電話網(wǎng)絡(luò)作為遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)交換的通信依托設(shè)計(jì)了電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。但網(wǎng)絡(luò)布線復(fù)雜，運(yùn)行成本高、可靠性較差并且數(shù)據(jù)交換量有限，各種系統(tǒng)之間互不兼容，可管理能力較低。因而對(duì)電梯管理維護(hù)技術(shù)提出了更高的要求。

文章在充分利用小區(qū)內(nèi)現(xiàn)已搭建完善的局域網(wǎng)系統(tǒng)，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)[1]技術(shù)提出一種電梯物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)方案。基于嵌入式技術(shù)設(shè)計(jì)該系統(tǒng)的關(guān)鍵部件——電梯物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)。在網(wǎng)關(guān)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)管理協(xié)議——SGMP（Simplify Gateway Management Protocol）的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)信令交互、數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程，使系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，通信可靠，從而提高對(duì)電梯的管理維護(hù)水平。

2 系統(tǒng)方案

參考物聯(lián)網(wǎng)典型通信系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)電梯物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)模型，如圖1所示。從上至下依次為：應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、感知層[2]。

為了闡述內(nèi)容的準(zhǔn)確性，定義電梯感知終端為位于感知層內(nèi)能感知電梯運(yùn)行數(shù)據(jù)，并具備聯(lián)網(wǎng)和控制能力的有源結(jié)點(diǎn)。構(gòu)建此系統(tǒng)要求電梯感知終端按照既定的標(biāo)準(zhǔn)輸出數(shù)據(jù)信息以便于統(tǒng)一管理。

位于感知層內(nèi)的電梯感知終端主要負(fù)責(zé)通過(guò)電梯控制柜全面感知電梯運(yùn)行數(shù)據(jù)，并組建完善的電梯群感知終端局域網(wǎng)。由于各小區(qū)處于不同的局域網(wǎng)內(nèi)，無(wú)法與公網(wǎng)進(jìn)行通信，因此采用電梯物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)作為網(wǎng)絡(luò)接口來(lái)滿(mǎn)足電梯物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的廣域互聯(lián)。應(yīng)用層采用基于SOA（Service-oriented architecture，面向服務(wù)架構(gòu)）模型實(shí)現(xiàn)整個(gè)電梯物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)覆蓋，主要通過(guò)網(wǎng)管平臺(tái)以及應(yīng)用數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層事務(wù)處理，可供政府監(jiān)管部門(mén)、物聯(lián)網(wǎng)管理部門(mén)、電梯廠家等使用。

3 電梯物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

電梯物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)位于感知層與網(wǎng)絡(luò)層之間，在嵌入式硬件平臺(tái)上運(yùn)行SGMP協(xié)議，對(duì)SGMP消息進(jìn)行智能解析和處理，實(shí)現(xiàn)了感知層與應(yīng)用層業(yè)務(wù)的平穩(wěn)對(duì)接，是電梯物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的核心單元。

3.1 電梯物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

基于嵌入式技術(shù)、以太網(wǎng)技術(shù)、2G/3G技術(shù)，設(shè)計(jì)了本網(wǎng)關(guān)，其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

本網(wǎng)關(guān)以ARM內(nèi)核微控制器STM32F103VET6為核心，通過(guò)SPI驅(qū)動(dòng)ENC28J60以太網(wǎng)控制器。根據(jù)電梯運(yùn)行產(chǎn)生的特征數(shù)據(jù)量小、運(yùn)行時(shí)間無(wú)間斷性等特點(diǎn)，采用華為GTM900-C GPRS無(wú)線模塊作為與Internet的接入手段，插入移動(dòng)SIM卡后可獲得公網(wǎng)IP[3]，不需要進(jìn)行NAT穿越即可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)與網(wǎng)管平臺(tái)之間的無(wú)線通信。

3.2 電梯物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)管理協(xié)議的設(shè)計(jì)

本網(wǎng)關(guān)采用的網(wǎng)關(guān)管理協(xié)議SGMP是在參考中國(guó)移動(dòng)WMMP協(xié)議（Wireless Machine to Machine Protocol）基礎(chǔ)上結(jié)合電梯物聯(lián)網(wǎng)的具體情況而提出的。SGMP的要點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)與感知層和應(yīng)用層間的消息傳遞以及對(duì)具體事務(wù)的處理。SGMP協(xié)議建立在UDP協(xié)議之上，規(guī)定了網(wǎng)關(guān)與感知層和應(yīng)用層間的所有交互命令和消息，并采用消息類(lèi)型編碼標(biāo)識(shí)每個(gè)命令。其協(xié)議幀格式如圖3所示。依照對(duì)協(xié)議的實(shí)際處理過(guò)程將其分為四層，分別為應(yīng)用層API，事務(wù)控制層、協(xié)議適配層、傳輸適配層[4]。要求由應(yīng)用層AP I解碼出消息類(lèi)型代碼，并提取出有用數(shù)據(jù)，提交給事務(wù)控制層；傳輸適配層負(fù)責(zé)調(diào)用UDP發(fā)送或接收程序，實(shí)現(xiàn)消息的發(fā)送或接收。

由于UDP協(xié)議采用無(wú)連接方式傳輸，沒(méi)有確認(rèn)機(jī)制，為保證協(xié)議運(yùn)行的可靠性將協(xié)議消息采用“命令-響應(yīng)”的握手方式執(zhí)行?；谠搮f(xié)議的信息交互流程如圖4所示。

3.3 電梯物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的軟件實(shí)現(xiàn)

網(wǎng)關(guān)面向上層提供與網(wǎng)管平臺(tái)的信息交互功能，面向下層管理感知層內(nèi)各個(gè)感知終端。在STM32F103VET6上穩(wěn)定運(yùn)行μC/OS-II操作系統(tǒng)，并移植LWIP協(xié)議棧，建立SGMP任務(wù)，SGMP通過(guò)Socket套接字綁定感知層一側(cè)的消息接收端口和通過(guò)串口接收應(yīng)用層一側(cè)的消息，解析上傳的消息并觸發(fā)網(wǎng)關(guān)管理協(xié)議應(yīng)用層API，利用消息郵箱機(jī)制實(shí)現(xiàn)SGMP任務(wù)與應(yīng)用層API的數(shù)據(jù)通信，并通過(guò)OSMboxPend（）等待新消息的到來(lái)。

4 實(shí)驗(yàn)與結(jié)論

為了驗(yàn)證網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)方案的可行性和可靠性，在實(shí)驗(yàn)室100Mb/s帶寬的局域網(wǎng)條件下搭建了模擬電梯物聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，擬將10臺(tái)PC機(jī)作為電梯感知終端進(jìn)行網(wǎng)關(guān)性能測(cè)試。使用科來(lái)網(wǎng)絡(luò)仿真軟件[5]分析網(wǎng)絡(luò)通信情況。

圖5為網(wǎng)關(guān)上電或復(fù)位后網(wǎng)關(guān)與感知層、應(yīng)用層建立可靠連接的通信流程。

經(jīng)實(shí)際測(cè)試，文章所設(shè)計(jì)的電梯物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)可以達(dá)到100%正確接收或發(fā)送UDP數(shù)據(jù)包，并能夠?qū)崿F(xiàn)基于SGMP協(xié)議的網(wǎng)關(guān)事務(wù)消息的創(chuàng)建、解析和處理，具有較高的實(shí)時(shí)性和事務(wù)處理能力，可應(yīng)用于小區(qū)智能控制系統(tǒng)，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：張晨光（1988-），女，博士在讀，研究生學(xué)歷，助教，現(xiàn)工作單位：天津工業(yè)大學(xué)，研究領(lǐng)域?yàn)橹悄苄畔⑻幚?，?jì)算機(jī)圖形學(xué)，嵌入式技術(shù)等。