基于物聯(lián)網(wǎng)的嵌入式智能網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)

于廣艷++鄧春偉

摘 要在經(jīng)濟(jì)全球一體化的背景之下，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用得到了高度重視，擁有廣闊的發(fā)展前景。本文首先介紹了物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的功能和設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析，然后介紹了物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，其平臺(tái)主要是嵌入式系統(tǒng)。

【關(guān)鍵詞】物聯(lián)網(wǎng) 嵌入式智能網(wǎng) 研究

目前，全球都十分關(guān)注物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及其所帶來的價(jià)值，掌握物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)無疑占據(jù)了主動(dòng)的地位，因此不能忽視其廣泛的市場(chǎng)前景。

1 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)概述

目前，物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)有三種分類：感知層、網(wǎng)絡(luò)層以及應(yīng)用層。

1.1 感知層

同人體的感知一樣，物聯(lián)網(wǎng)也有感知層。該結(jié)構(gòu)主要是借助傳感器去感知，同人們一樣去識(shí)別相關(guān)信息，這賦予了物聯(lián)網(wǎng)以智能感知的功能。

1.2 網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層的功能就像是人體神經(jīng)系統(tǒng)對(duì)信息進(jìn)行處理一樣，與感知層相比，其功能更加強(qiáng)大，也更加復(fù)雜。

1.3 應(yīng)用層

應(yīng)用層是第三層結(jié)構(gòu)，也是物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的頂層，能夠?qū)崿F(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和其他技術(shù)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的多領(lǐng)域、多行業(yè)應(yīng)用。并且，這三種結(jié)構(gòu)缺一不可。

感知層能夠起到感知信息的作用，其主要是借助傳感器來實(shí)現(xiàn)的，如果沒有太多的傳感器，還可以借助網(wǎng)絡(luò)與設(shè)備的連接實(shí)現(xiàn)傳感器的功能，但這樣會(huì)造成資源浪費(fèi)。為了節(jié)省資源，順利實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送，最好能夠?qū)⑺械脑O(shè)備與網(wǎng)絡(luò)層相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一傳送。為了避免傳感器設(shè)備不足造成的資源浪費(fèi)問題，最好能夠在感知層和網(wǎng)絡(luò)層之間設(shè)置一個(gè)匯聚層，通過該匯聚層銜接這兩個(gè)結(jié)構(gòu)，就不會(huì)出現(xiàn)資源浪費(fèi)的問題，并且能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送。

1.1 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的分析

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)需要高度重視，其功能先進(jìn)，全面，不僅可以感知，還能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，并且可以接入不同的網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的感知功能主要是以網(wǎng)絡(luò)形式來體現(xiàn)的，并且配合多功能傳感器獲取不同的信息進(jìn)行感知。這些傳感器的接入形式不同，從目前來看，主要可分為有線和無線兩種接入模式。有線接入的速度較慢，不具備無線接入的某些功能，因此，無線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用越來越頻繁。目前，常見的移動(dòng)設(shè)備都具備無線網(wǎng)絡(luò)的接入功能，并能夠?qū)崿F(xiàn)快速傳送，這樣就可以大大提高無線網(wǎng)絡(luò)的使用范圍。隨著無線網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，其必定會(huì)成為主要的接入方式。

不同結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)互通所采用的傳感器不同，對(duì)信息的感知也會(huì)不同，為了實(shí)現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)互通，需要設(shè)置一個(gè)協(xié)議網(wǎng)絡(luò)。因?yàn)?，協(xié)議網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)互通，如果沒有協(xié)議網(wǎng)絡(luò)的支持，數(shù)據(jù)的交流就會(huì)變得十分困難。目前常見的協(xié)議網(wǎng)絡(luò)主為Mod bus，在許多領(lǐng)域都有其身影。

在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，檢測(cè)控制管理是一個(gè)重要的功能，其主要目的是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)科學(xué)的管理。首先，在網(wǎng)關(guān)中有許多不同的功能，對(duì)這些功能進(jìn)行合理控制，就能夠?qū)崿F(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的突破，為人們的生產(chǎn)和生活帶來方便。其次，對(duì)網(wǎng)絡(luò)連接進(jìn)行集中管理，也是檢測(cè)控制管理的常見功能。檢測(cè)控制管理主要是對(duì)系統(tǒng)和外界的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行內(nèi)外監(jiān)控與管理，其功能更加全面。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)策略

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)之所以很重要，主要是由于人們對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的要求越來越高，因此，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的形式設(shè)計(jì)就受到了人們的高度重視。目前，物聯(lián)網(wǎng)的運(yùn)行平臺(tái)主要有PC機(jī)和嵌入式。由于嵌入式系統(tǒng)內(nèi)核小、專用性強(qiáng)，在許多領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。因此，嵌入式系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)更大，其應(yīng)用范圍也越來越廣泛。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)有許多方式，借助嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)是可行的，并且大大推動(dòng)了物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的發(fā)展。

2 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)硬件的設(shè)計(jì)

進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)的時(shí)候，必須要考慮到網(wǎng)關(guān)所運(yùn)行的環(huán)境，以及網(wǎng)關(guān)自身對(duì)硬件的要求。總體來看，網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)需要遵循成本低、降低能源消耗、實(shí)現(xiàn)高效率處理的原則，因此，常見的硬件設(shè)計(jì)就是采用AT9LSAM9260。該平臺(tái)具有極好的兼容性，存儲(chǔ)空間大，能夠高效處理信息，在苛刻的環(huán)境下也不影響網(wǎng)關(guān)的正常運(yùn)行。

對(duì)于接入方式的選擇，主要以無線接入為主。物聯(lián)網(wǎng)的硬件是物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)中非常重要的一部分，以其內(nèi)部的主控制器電路為例，其關(guān)系到系統(tǒng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和網(wǎng)關(guān)功能的實(shí)現(xiàn)，因此要注意其嚴(yán)謹(jǐn)性。目前，網(wǎng)絡(luò)接口電路主要有MII和RMII兩種模式，這兩種模式可以通過對(duì)應(yīng)硬件引腳配置來達(dá)到所需目的。

對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)中串行接口電路設(shè)計(jì)，一般會(huì)選擇RS232和RS485。在進(jìn)行串口設(shè)計(jì)的時(shí)候，應(yīng)用這兩種方式，一方面可以起到節(jié)能降耗的效果，另一方面能夠優(yōu)化物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的互通。進(jìn)行串口設(shè)計(jì)之后，還要增加一些模塊，這樣才能真正實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)硬件的功能。

3 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)軟件的設(shè)計(jì)

在進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)軟件的設(shè)計(jì)的時(shí)候，需要對(duì)通信接口的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理，因此要對(duì)整個(gè)框架進(jìn)行分層。分層之后，對(duì)不同的層要進(jìn)行處理，底層要搜集數(shù)據(jù)，中間層要處理數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送，并設(shè)置相應(yīng)的監(jiān)控模塊進(jìn)行監(jiān)控。為了確保物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的靈活性，一方面要保證不同模塊之間的有機(jī)聯(lián)系，另一方面要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體功能和諧統(tǒng)一。

在本次研究中，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的平臺(tái)主要是嵌入式系統(tǒng)，而不是傳統(tǒng)的PC平臺(tái)。但是，由于要優(yōu)化物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)，還需要借助PC平臺(tái)進(jìn)行代碼的開發(fā)與調(diào)試。

4 結(jié)束語

綜上所述，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的開發(fā)與設(shè)計(jì)主要采取嵌入式系統(tǒng)，能夠滿足人們生產(chǎn)和生活的需要。隨著社會(huì)的進(jìn)步和科學(xué)水平的不斷提升，相信在不久的將來，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)會(huì)更加完善。

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作者簡(jiǎn)介

于廣艷（1980-），女，黑龍江省哈爾濱人。碩士研究生。

作者單位

哈爾濱石油學(xué)院 黑龍江省哈爾濱市 150027