一種基于MCU的物聯(lián)網(wǎng)關(guān)容器化軟件設(shè)計(jì)方法

高 政，葉樂清，鄭小芳，肖 柳

（1.杭州義益鈦迪信息技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310019；2.杭州騰熠科技有限公司，浙江 杭州 310051；3.浙江大華技術(shù)股份有限公司，浙江 杭州 310051）

0 引 言

基于MCU的硬件終端成本低且功耗小，被廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域。在傳統(tǒng)應(yīng)用場景中，MCU由于受到存儲、主頻以及外設(shè)等資源的限制，無法完成較復(fù)雜的操作和計(jì)算。傳統(tǒng)終端的系統(tǒng)服務(wù)和應(yīng)用軟件集成在一套程序中，更新應(yīng)用軟件時(shí)整套軟件都需修改，操作風(fēng)險(xiǎn)較高。隨著物聯(lián)網(wǎng)場景應(yīng)用要求的不斷提高，客戶對MCU的軟件靈活性和開發(fā)效率提出了更高的要求。當(dāng)大規(guī)模定制應(yīng)用時(shí)，服務(wù)商無法高效滿足需求。另外，終端在實(shí)時(shí)性要求較高的場景中需承擔(dān)更多的邊緣計(jì)算任務(wù)。

IC行業(yè)快速發(fā)展，MCU性能不斷提高，提供服務(wù)的能力越來越強(qiáng)，需用新的思路來設(shè)計(jì)MCU軟件。文獻(xiàn)[1]設(shè)計(jì)和研究了嵌入式Linux系統(tǒng)的可重用組件，提出了一個(gè)基于XML的原型數(shù)據(jù)庫，減少了存儲所需的時(shí)間，提高了系統(tǒng)的整體效率。文獻(xiàn)[2]提出采用一種基于組件的輕量級方法來工程化嵌入式，以中間件方式實(shí)時(shí)控制軟件。文獻(xiàn)[3]提出了一種基于微控制器的軟件架構(gòu)，主要應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)（IoT）捕獲數(shù)據(jù)卡。文獻(xiàn)[4]利用Docker容器化技術(shù)設(shè)計(jì)了在線實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，為用戶提供了良好的實(shí)驗(yàn)靈活性。文獻(xiàn)[5]提出以軟件構(gòu)件的形式封裝系統(tǒng)軟件，以標(biāo)準(zhǔn)的接口形式呈現(xiàn)給應(yīng)用軟件，方便了系統(tǒng)的集成和維護(hù)。基于以上文獻(xiàn)基礎(chǔ)，提出了一種基于MCU的物聯(lián)網(wǎng)關(guān)容器化軟件設(shè)計(jì)方法。該方法中，MCU利用分散加載技術(shù)分離系統(tǒng)服務(wù)和應(yīng)用軟件，以容器化方式將應(yīng)用軟件劃分為多個(gè)應(yīng)用模塊，且各模塊間可獨(dú)立開發(fā)和升級。由于系統(tǒng)服務(wù)和應(yīng)用軟件的解耦，開發(fā)者可集中精力于各應(yīng)用模塊的開發(fā)而無需關(guān)注系統(tǒng)支持，因此可縮短應(yīng)用軟件開發(fā)周期，提高測試和部署效率。

1 設(shè)計(jì)原理介紹

基于MCU的物聯(lián)網(wǎng)終端系統(tǒng)包括硬件、硬件控制層、內(nèi)核層以及應(yīng)用層，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示[6]。其中，內(nèi)核層和硬件控制層統(tǒng)稱系統(tǒng)服務(wù)，應(yīng)用層統(tǒng)稱應(yīng)用軟件。

如圖1所示，傳統(tǒng)模式中，系統(tǒng)服務(wù)和應(yīng)用軟件共同組成了物聯(lián)網(wǎng)終端內(nèi)部MCU的整套程序。當(dāng)更新MCU應(yīng)用軟件時(shí)，需在整套程序基礎(chǔ)上修改應(yīng)用軟件，編譯鏈接生成可執(zhí)行代碼并下載到MCU中。

圖1 傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)終端軟件構(gòu)成圖

利用所提方法分離系統(tǒng)服務(wù)和應(yīng)用軟件，應(yīng)用軟件以容器化方式劃分為多個(gè)模塊，且彼此之間可獨(dú)立開發(fā)和升級，具體如圖2所示。在系統(tǒng)服務(wù)基礎(chǔ)上搭建資源中臺，屏蔽硬件差異，為應(yīng)用軟件提供資源。以容器化方式將應(yīng)用軟件劃分為多個(gè)應(yīng)用模塊，每個(gè)應(yīng)用模塊可放在容器中獨(dú)立運(yùn)行。每個(gè)應(yīng)用模塊可從資源中臺獲取資源和數(shù)據(jù)，如讀操作、寫操作以及數(shù)據(jù)等[7]。MCU啟動后，以分散加載方式先啟動系統(tǒng)服務(wù)，逐步啟動容器中的應(yīng)用模塊。應(yīng)用軟件需更新時(shí)，只需在開發(fā)環(huán)境中修改應(yīng)用模塊，借助編譯環(huán)境生成可執(zhí)行文件下載到原有容器即可。

圖2 系統(tǒng)服務(wù)和應(yīng)用軟件分離

2 設(shè)計(jì)框架和定制方法

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架

MCU軟件的設(shè)計(jì)分離了系統(tǒng)服務(wù)和應(yīng)用軟件。其中，系統(tǒng)服務(wù)負(fù)責(zé)系統(tǒng)框架、執(zhí)行邏輯以及資源控制，應(yīng)用軟件在以容器化方式劃分為多個(gè)模塊，每個(gè)獨(dú)立開發(fā)，負(fù)責(zé)邊緣計(jì)算服務(wù)。

在充分理解MCU運(yùn)行機(jī)制的基礎(chǔ)上，搭建系統(tǒng)服務(wù)框架，定義資源中臺。系統(tǒng)服務(wù)包括程序存儲區(qū)域、資源中臺、外設(shè)驅(qū)動、運(yùn)行庫、外設(shè)資源、啟動和加載配置描述等[8]。軟件設(shè)計(jì)框架和執(zhí)行流程如圖3所示。

圖3 軟件設(shè)計(jì)框架和執(zhí)行流程

程序存儲區(qū)為系統(tǒng)服務(wù)和各個(gè)應(yīng)用模塊分配程序存儲區(qū)域，每個(gè)存儲區(qū)域有固定大小和起始地址，升級時(shí)可按存儲區(qū)域升級。資源中臺用于定義所有的函數(shù)地址、變量以及數(shù)據(jù)索引，便于使用系統(tǒng)服務(wù)和應(yīng)用軟件。外設(shè)驅(qū)動可屏蔽硬件差異，操作MCU資源，包括IO和通信等。運(yùn)行庫是MCU運(yùn)行時(shí)所需的驅(qū)動庫、業(yè)務(wù)庫以及協(xié)議庫等。外設(shè)資源是MCU的固有資源，包括內(nèi)存、存儲、中斷、定時(shí)、通信以及IO等[9]。啟動和加載配置描述應(yīng)用程序存儲區(qū)、資源中臺配置以及系統(tǒng)分散加載項(xiàng)等相關(guān)參數(shù)，保證系統(tǒng)服務(wù)和應(yīng)用軟件獨(dú)立開發(fā)，統(tǒng)一運(yùn)行。

系統(tǒng)服務(wù)包括輪詢應(yīng)用和定時(shí)應(yīng)用。輪詢應(yīng)用在主循環(huán)中執(zhí)行，定時(shí)應(yīng)用在中斷服務(wù)中執(zhí)行。開發(fā)系統(tǒng)服務(wù)時(shí)，需用加載配置項(xiàng)描述服務(wù)在應(yīng)用程序存儲區(qū)的位置和資源中臺配置，保證系統(tǒng)服務(wù)可獨(dú)立更新，且可調(diào)用系統(tǒng)資源。應(yīng)用軟件開發(fā)所用的資源中臺配置需與此配置相同。

以輪詢應(yīng)用為例，介紹MCU軟件執(zhí)行流程。首先，在系統(tǒng)服務(wù)編譯時(shí)確定資源中臺在內(nèi)存中的位置及各種資源在中臺中的位置，MCU根據(jù)加載項(xiàng)啟動，執(zhí)行初始化工作，包括定義各類應(yīng)用程序存儲區(qū)等。其次，MCU根據(jù)資源中臺中定義的輪詢應(yīng)用地址和定時(shí)應(yīng)用地址，在主循環(huán)中以指針方式執(zhí)行多個(gè)輪詢應(yīng)用，在中斷服務(wù)中以指針方式執(zhí)行定時(shí)應(yīng)用。最后，執(zhí)行到某個(gè)應(yīng)用模塊時(shí)，MCU運(yùn)行指針從資源中臺跳轉(zhuǎn)到應(yīng)用模塊存儲區(qū)執(zhí)行應(yīng)用模塊函數(shù)體，完成應(yīng)用軟件的業(yè)務(wù)功能[10]。

不同的應(yīng)用軟件類型需要不同的開發(fā)模板。以輪詢應(yīng)用為例，當(dāng)某個(gè)應(yīng)用模塊需更新時(shí)，使用具備與系統(tǒng)服務(wù)相同資源中臺配置的開發(fā)環(huán)境修改模塊代碼，編譯生成可執(zhí)行目標(biāo)文件，并將其下載到指定程序存儲區(qū)，MCU按已有機(jī)制執(zhí)行更新后的應(yīng)用模塊。

3 實(shí)驗(yàn)與實(shí)現(xiàn)

為驗(yàn)證方法的可行性，設(shè)計(jì)了MCU作為STM32F207的最小系統(tǒng)，啟動模式設(shè)置為BOOT0。在MCU中內(nèi)置app_fuc1和app_fuc2兩個(gè)應(yīng)用模塊，開發(fā)環(huán)境為keil，描述如何實(shí)現(xiàn)應(yīng)用軟件app_fuc與系統(tǒng)服務(wù)的獨(dú)立開發(fā)和升級。

在MCU系統(tǒng)服務(wù)開發(fā)環(huán)境中，分散加載包括系統(tǒng)服務(wù)程序存儲地址描述和資源中臺配置描述，描述如下：

以上描述中，定義了系統(tǒng)服務(wù)在程序存儲區(qū)的存儲位置和運(yùn)行時(shí)在內(nèi)存中的位置，規(guī)定了資源中臺的起始地址和長度。

在啟動文件中描述資源中臺的內(nèi)部定義，保證系統(tǒng)服務(wù)和應(yīng)用程序的全局使用，描述如下：

app_fuc1_adr占用4個(gè)字節(jié)，為app_fuc1函數(shù)的執(zhí)行地址，即app_fuc1應(yīng)用模塊的存儲地址；app_fuc2_adr占用4個(gè)字節(jié)，為app_fuc2函數(shù)的執(zhí)行地址，即app_fuc2應(yīng)用模塊的存儲地址。系統(tǒng)服務(wù)初始化時(shí)，為app_fuc1和app_fuc2分配起始地址的描述如下：

app_fuc1_adr=fuc1應(yīng)用程序存儲地址;

app_fuc2_adr=fuc2應(yīng)用程序存儲地址;

在系統(tǒng)服務(wù)的循環(huán)執(zhí)行中，以函數(shù)指針方式執(zhí)行兩個(gè)應(yīng)用，描述如下：

((void (*)())app_fuc1_adr)();/*執(zhí)行應(yīng)用程序1*/

((void (*)())app_fuc2_adr)();/*執(zhí)行應(yīng)用程序2*/

此處系統(tǒng)服務(wù)已完成對應(yīng)用模塊app_fuc1和應(yīng)用模塊app_fuc2的執(zhí)行。

在應(yīng)用模塊開發(fā)環(huán)境中，分散加載包括應(yīng)用模塊程序存儲地址描述和資源中臺配置描述。為保證資源中臺使用的標(biāo)準(zhǔn)性和統(tǒng)一性，其所使用資源中臺描述與系統(tǒng)服務(wù)中的保持一致，描述如下：

在啟動文件中對資源中臺的內(nèi)部定義與系統(tǒng)服務(wù)中的保持一致，描述如下：

在應(yīng)用模塊開發(fā)環(huán)境中，應(yīng)用程序存儲地址和資源中臺內(nèi)部定義等配置完畢后，只需開發(fā)服務(wù)應(yīng)用函數(shù)app_fuc。main函數(shù)無實(shí)質(zhì)性操作，開發(fā)主體描述如下：

按照上述實(shí)現(xiàn)方法，設(shè)計(jì)了基于MCU的物聯(lián)網(wǎng)關(guān)并應(yīng)用在動力環(huán)境監(jiān)控場景中。該網(wǎng)關(guān)具備4個(gè)串口、8路數(shù)字量輸入接口、4路模擬量輸入接口以及1路網(wǎng)口。每個(gè)端口可升級配置為任意應(yīng)用模塊，從而完成每個(gè)端口的功能。選取4個(gè)端口進(jìn)行驗(yàn)證，端口接入信息如表1所示。

表1 物聯(lián)網(wǎng)關(guān)端口接入設(shè)備列表

開關(guān)電源為標(biāo)準(zhǔn)電總協(xié)議，應(yīng)用模塊為app_com1；智能電表為標(biāo)準(zhǔn)MODBUS協(xié)議，應(yīng)用模塊為app_com2，煙霧傳感器為標(biāo)準(zhǔn)高低電平信號，應(yīng)用模塊為app_DI1；溫度傳感器為標(biāo)準(zhǔn)0～5V電壓信號，應(yīng)用模塊為app_AI1。各個(gè)應(yīng)用模塊以輪詢方式實(shí)現(xiàn)對端口數(shù)據(jù)的采集和解析，并將其封裝為上行數(shù)據(jù)，產(chǎn)品應(yīng)用場景如圖4所示。

4 結(jié) 論

文中基于MCU的物聯(lián)網(wǎng)關(guān)容器化軟件設(shè)計(jì)方法，利用分散加載技術(shù)，分離系統(tǒng)服務(wù)和應(yīng)用軟件，將應(yīng)用軟件以容器化方式劃分為多個(gè)應(yīng)用模塊，且模塊間可獨(dú)立開發(fā)和升級，提高了應(yīng)用程序定制化開發(fā)效率。該方法在運(yùn)營商通信機(jī)房的動力環(huán)境監(jiān)控領(lǐng)域中廣泛使用，設(shè)備維護(hù)效率較高，且可在其他領(lǐng)域進(jìn)行推廣應(yīng)用。

圖4 物聯(lián)網(wǎng)關(guān)應(yīng)用場景