基于龍芯平臺(tái)的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

暢麗紅 裴煥斗 楊佩宗

關(guān)鍵詞： 物聯(lián)網(wǎng); 龍芯; 實(shí)驗(yàn)平臺(tái); 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn); ZigBee; Qt框架

中圖分類(lèi)號(hào)： TN915?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）24?0183?04

Design of IoT experimental system based on Loongson platform

CHANG Lihong1，2， PEI Huandou1，2， YANG Peizong1，2

（1. National Key Laboratory of Electronic Testing Technology， North University of China， Taiyuan 030051， China;

2. Shanxi 100 Trust Information Technology Co.， Ltd.， Taiyuan 030006， China）

Abstract： In allusion to the current need of cultivating Internet of Things （IoT） and embedded type talents and the autonomous controllable trend of information technology， a design scheme of the IoT experimental system based on the Loongson processor independently developed in China is proposed. The experimental platform consists of the security reliable upper computer based on the Loongson 3B1500 multi?core processor and the wireless network node slave?computer based on the Loongson 1C300 single?core processor. The DL?LN33 wireless module is used to realize wireless Zigbee networking of sensors. The visualizable monitoring management software of the upper computer is designed by using the open source Qt framework and its expansion plug?in Qwt. The experimental project design is conducted according to the professional course content relevant to IoT. The testing results show that each part of the platform can operate normally and has good performance.

Keywords： IoT; Loongson; experimental platform; wireless network node; ZigBee; Qt framework

0 ?引 ?言

物聯(lián)網(wǎng)被譽(yù)為世界上具有顛覆性意義的技術(shù)之一[1]。物聯(lián)網(wǎng)是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上擴(kuò)展和延伸的網(wǎng)絡(luò)，將進(jìn)行信息交換和通信的用戶(hù)端擴(kuò)展到物品與物品之間[2]。隨著越來(lái)越多的企業(yè)、科研院所及高校將大量的資源和精力投入到物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研究領(lǐng)域，物聯(lián)網(wǎng)教育成為一種迫切的需要[3]。結(jié)合當(dāng)前信息安全被高度重視的形勢(shì)，發(fā)展自主可控的信息技術(shù)已成為一種趨勢(shì)。開(kāi)發(fā)一種基于國(guó)產(chǎn)平臺(tái)的實(shí)用、可擴(kuò)展性強(qiáng)的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)意義重大。

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用基于我國(guó)自主研發(fā)的龍芯處理器，基于標(biāo)準(zhǔn)MIPS架構(gòu)與Linux通用操作系統(tǒng)，具有高性能、自主可控、系統(tǒng)開(kāi)放等特點(diǎn)。本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)從底層處理器芯片到系統(tǒng)軟件都由我國(guó)自主研發(fā)或移植，并根據(jù)相關(guān)專(zhuān)業(yè)教學(xué)課程需要進(jìn)行精簡(jiǎn)與編制，既能滿(mǎn)足正常教學(xué)需要，豐富的接口和開(kāi)源的系統(tǒng)，還能給予學(xué)生更廣闊的思維發(fā)展空間。

1 ?總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文基于龍芯平臺(tái)的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)整體面板框圖如圖1所示，其主要由兩部分組成：基于龍芯1C處理器和CC2530的ZigBee無(wú)線傳感器智能節(jié)點(diǎn)和基于龍芯3B1500處理器的上位機(jī)管理監(jiān)控平臺(tái)。其中，上位機(jī)主要完成下位機(jī)所需代碼的在線編輯、編譯、下載功能及對(duì)下位機(jī)無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)的管理控制功能;而下位機(jī)無(wú)線傳感智能節(jié)點(diǎn)主要完成采集數(shù)據(jù)、接收命令、發(fā)送數(shù)據(jù)等功能。拓展節(jié)點(diǎn)主要用于完成1C控制器的基本實(shí)驗(yàn)、拓展實(shí)驗(yàn)及作為ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的sink節(jié)點(diǎn)打包發(fā)送上位機(jī)命令、打包接收下位機(jī)數(shù)據(jù)。以太網(wǎng)路由器用來(lái)在上電時(shí)將上位機(jī)及所有的節(jié)點(diǎn)接入同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。電源模塊將通用的220 V交流電壓轉(zhuǎn)換為12 V，5 V的直流電壓。系統(tǒng)拓展節(jié)點(diǎn)與傳感器/控制器節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，拓展節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)之間通過(guò)串口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

2 ?下位機(jī)智能節(jié)點(diǎn)軟硬件設(shè)計(jì)

2.1 ?無(wú)線智能節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)下位機(jī)智能節(jié)點(diǎn)均由基于龍芯1C處理器的數(shù)據(jù)處理模塊、傳感器/控制器模塊和深聯(lián)創(chuàng)新DL?LN33無(wú)線自組網(wǎng)模塊組成，此傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崟r(shí)地感知外部環(huán)境變量并通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)和串口把采集到的數(shù)據(jù)信息發(fā)送給上位機(jī)[4]。龍芯1C是基于GS 232處理器核的高性?xún)r(jià)比單芯片系統(tǒng)，主頻300 MHz。為開(kāi)發(fā)者提供豐富的外設(shè)接口及片上模塊，包括Camera控制器、USB OTG及USB HOST接口、AC97/I2S控制器、LCD控制器、SPI接口、UART接口等，提供足夠的計(jì)算能力和多應(yīng)用的連接能力[5]。下位機(jī)智能節(jié)點(diǎn)具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。節(jié)點(diǎn)引出3個(gè)串口，其中，UART2和以太網(wǎng)口用來(lái)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)軟件的下載與移植;UART1用來(lái)連接數(shù)據(jù)處理模塊和無(wú)線通信模塊;UART3和I2C，SPI等接口一樣，用來(lái)連接傳感器/控制器模塊。拓展節(jié)點(diǎn)不連接任何傳感器/控制器。為了減小節(jié)點(diǎn)體積，這里硬件采取兩層設(shè)計(jì)，電源和網(wǎng)口放在下層，其余部分放在上層，上下層通過(guò)板對(duì)板連接器連接。

2.2 ?智能節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

2.2.1 ?DL?LN33模塊

DL?LN33無(wú)線自組網(wǎng)模塊是一款基于UART接口的無(wú)線傳輸模塊，工作在2 400～2 450 MHz公用頻段，采用TI的CC2530芯片，支持無(wú)線自組網(wǎng)多跳傳輸，符合IEEE 802.15.4協(xié)議。該模塊采用定向擴(kuò)散型自組網(wǎng)協(xié)議，使用UART作為交互接口，模塊無(wú)線頻率為2.4～2.45 GHz，屬于全球免費(fèi)的無(wú)線頻段。該模塊工作時(shí)，會(huì)與周?chē)哪K自動(dòng)組成一個(gè)無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)，相比于其他常見(jiàn)的自組網(wǎng)無(wú)線通信解決方案，本方案更簡(jiǎn)潔、方便。

2.2.2 ?無(wú)線通信協(xié)議

DL?LN33模塊使用Uart接口作為數(shù)據(jù)交互接口，接口參數(shù)：數(shù)據(jù)位8位，起始位1位，停止位1位，校驗(yàn)位無(wú)校驗(yàn)。該模塊的uart接口波特率可被設(shè)置為115 200，可以和龍芯1C的串口進(jìn)行通信。通信協(xié)議基本格式如圖3所示。

其中，包頭2 B，由FE和包的長(zhǎng)度組成，包長(zhǎng)為數(shù)據(jù)長(zhǎng)度加4;源端口號(hào)1 B;目標(biāo)端口號(hào)1 B;目標(biāo)地址2 B;待傳數(shù)據(jù)長(zhǎng)度可變;包尾1 B，固定為FF。

將多個(gè) DL?LN33模塊配置成地址不同，信道和網(wǎng)絡(luò) ID 相同的狀態(tài)，模塊將組成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。微控制器（MCU）或者電腦通過(guò) Uart 告訴模塊目標(biāo)地址和待發(fā)送的數(shù)據(jù)，模塊會(huì)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)選擇最優(yōu)的路徑，將信息傳輸給目標(biāo)模塊，而目標(biāo)模塊將通過(guò)Uart輸出源地址和上述數(shù)據(jù)[6]。圖4為模塊間一個(gè)簡(jiǎn)單的傳輸例程。

2.2.3 ?模塊驅(qū)動(dòng)移植

系統(tǒng)無(wú)線模塊用Uart作為交互接口，移植協(xié)議的目標(biāo)控制器是龍芯1C300B，因此需要編寫(xiě)1C300B的串口驅(qū)動(dòng)程序。智能節(jié)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)程序?qū)哟螆D如圖5所示。Uart收到1 B數(shù)據(jù)時(shí)通知協(xié)議驅(qū)動(dòng);協(xié)議驅(qū)動(dòng)需要發(fā)送1 B數(shù)據(jù)時(shí)需要通知UART程序，并告訴UART發(fā)送1 B數(shù)據(jù);UART發(fā)完1 B后，若這個(gè)字節(jié)不是0XFF，則通知協(xié)議驅(qū)動(dòng)并獲得下一個(gè)要發(fā)送的字節(jié)。應(yīng)用程序需要發(fā)送包時(shí)，通知協(xié)議驅(qū)動(dòng)發(fā)包;應(yīng)用程序通知協(xié)議驅(qū)動(dòng)，檢查現(xiàn)在是否有包要發(fā)送。

發(fā)包程序：程序初始化，包是一個(gè)結(jié)構(gòu)體，發(fā)包只需要調(diào)用一個(gè)函數(shù)。

收包程序：程序收到包后會(huì)自動(dòng)存儲(chǔ)在緩沖中，主函數(shù)需要不斷調(diào)用收包函數(shù)，查看是否有包到達(dá)。驅(qū)動(dòng)完成后，編寫(xiě)主程序，調(diào)用本驅(qū)動(dòng)。

3 ?上位機(jī)軟硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上位機(jī)能夠?qū)崟r(shí)處理傳感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)，并能在液晶屏上進(jìn)行直觀的顯示;用戶(hù)也可通過(guò)上位機(jī)監(jiān)控管理平臺(tái)來(lái)控制底層的控制設(shè)備，比如電機(jī)、LED調(diào)光燈等[7]。

3.1 ?上位機(jī)硬件選型

系統(tǒng)選用山西百信辰龍L1500?PT主板及鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、液晶顯示屏等輸入/輸出設(shè)備作為上位機(jī)。該主板采用龍芯CPU、昆侖可信固件、華大半導(dǎo)體TPCM卡、中標(biāo)麒麟可信操作系統(tǒng)，提供VGA接口、以太網(wǎng)口、USB 2.0，RS 232，SATA等接口。平臺(tái)用到的接口主要有VGA接口、USB接口、以太網(wǎng)口和RS 232接口，其中VGA接口用來(lái)接顯示器，USB接口、以太網(wǎng)口和RS 232接口用來(lái)進(jìn)行程序的下載及數(shù)據(jù)的傳輸。龍芯3B1500是國(guó)產(chǎn)商用32納米8核處理器，主頻1.2 GHz，支持向量運(yùn)算加速，峰值計(jì)算能力達(dá)到150 GFLOPS，具有很高的性能功耗比。龍芯3B1500主要用于服務(wù)器、桌面計(jì)算機(jī)、數(shù)字信號(hào)處理等領(lǐng)域[8]。

3.2 ?上位機(jī)界面軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用Qt開(kāi)源框架及其擴(kuò)展控件Qwt進(jìn)行上位機(jī)界面監(jiān)控管理軟件開(kāi)發(fā)。其中參數(shù)設(shè)置、命令發(fā)送及通信狀態(tài)顯示使用 Qt 內(nèi)置類(lèi)庫(kù)實(shí)現(xiàn);傳感器的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示曲線及控制對(duì)象狀態(tài)的顯示則主要由擴(kuò)展類(lèi)庫(kù) Qwt實(shí)現(xiàn)[9]。

系統(tǒng)上位機(jī)軟件結(jié)構(gòu)主要由串口通信模塊、數(shù)據(jù)解析模塊和顯示模塊三部分組成。其中，串口通信模塊采用QtSerialPort類(lèi)進(jìn)行相關(guān)程序的開(kāi)發(fā)。程序中需要定義一個(gè)slot，并將其與這個(gè)signal相連接，每次收到數(shù)據(jù)，就可在slot完成數(shù)據(jù)讀取，此時(shí)利用函數(shù)readAll（）將串口緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)全部讀取[10]。數(shù)據(jù)解析模塊主要針對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行封包、解包。顯示模塊用來(lái)直接與用戶(hù)進(jìn)行交互，其主要有兩個(gè)功能：將傳感網(wǎng)接收到的數(shù)據(jù)直觀地呈現(xiàn)給用戶(hù)及將用戶(hù)的輸入傳遞給數(shù)據(jù)處理模塊。用戶(hù)通過(guò)操作此模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的控制。將拓展節(jié)點(diǎn)通過(guò)串口線與上位機(jī)相連接，依次打開(kāi)各個(gè)傳感器模塊，并通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行各個(gè)模塊數(shù)據(jù)解析與顯示的測(cè)試，觀察各個(gè)模塊的數(shù)據(jù)顯示是否正確，控制模塊的響應(yīng)和返回是否正確。上位機(jī)上電后如圖6所示。經(jīng)測(cè)試，各模塊數(shù)據(jù)解析和顯示正確無(wú)誤，控制模塊的控制響應(yīng)迅速準(zhǔn)確。以三維物體跟蹤實(shí)驗(yàn)為例，在上位機(jī)管理軟件主界面點(diǎn)擊“三維物體跟蹤”按鈕，則進(jìn)入該實(shí)驗(yàn)界面，點(diǎn)擊實(shí)驗(yàn)界面“讀取信息”按鈕則顯示當(dāng)前傳感器所采集到的數(shù)值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

4 ?實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)部分按復(fù)雜程度為：系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)、基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、通信類(lèi)實(shí)驗(yàn)、傳感器類(lèi)實(shí)驗(yàn)和對(duì)象類(lèi)實(shí)驗(yàn)。系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)主要包括交叉編譯環(huán)境的搭建、Linux內(nèi)核配置及編譯打印實(shí)驗(yàn);基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)主要包括基于龍芯1C300的外部中斷實(shí)驗(yàn)、定時(shí)器實(shí)驗(yàn)、按鍵實(shí)驗(yàn)等;通信類(lèi)實(shí)驗(yàn)包括串口通信、ZigBee組網(wǎng)通信、GPRS通信及RFID讀寫(xiě)實(shí)驗(yàn)等;傳感器實(shí)驗(yàn)包括溫濕度傳感器、北斗定位實(shí)驗(yàn)、電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)等;對(duì)象類(lèi)實(shí)驗(yàn)包括直流電機(jī)/步進(jìn)電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)、語(yǔ)音錄放實(shí)驗(yàn)等。除此之外，系統(tǒng)提供軟硬件教學(xué)包，學(xué)生可以發(fā)揮自身技術(shù)優(yōu)勢(shì)，對(duì)系統(tǒng)軟硬件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)出更具創(chuàng)新意義的實(shí)驗(yàn)。

5 ?結(jié) ?語(yǔ)

本文的創(chuàng)新點(diǎn)在于：系統(tǒng)上位機(jī)及下位機(jī)智能節(jié)點(diǎn)的主控芯片均采用我國(guó)自主研發(fā)龍芯微處理器，可以讓學(xué)生在學(xué)習(xí)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的同時(shí)認(rèn)識(shí)并接觸國(guó)人自己的技術(shù)，有利于促進(jìn)國(guó)家自主可控事業(yè)的發(fā)展;傳感器/控制器節(jié)點(diǎn)的主控制器是帶有Linux系統(tǒng)的開(kāi)源龍芯CPU，與傳統(tǒng)的單片機(jī)相比，此方案更有利于學(xué)生對(duì)Linux相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)及系統(tǒng)二次開(kāi)發(fā);上位機(jī)采用L1500?PT安全可靠主板可實(shí)現(xiàn)在線編程、在線訪問(wèn)及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的安全傳輸;實(shí)驗(yàn)結(jié)果以可視化方式展示，效果直觀，通過(guò)實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的控制。

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