面向物聯(lián)網(wǎng)的嵌入式以太網(wǎng)終端平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

殷樂(lè)

（四川大學(xué) 電子信息學(xué)院，四川 成都 610065）

物聯(lián)網(wǎng)是在互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，將用戶與物品或者物品與物品用互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行連接，并通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行信息交換和通信的一種概念。物聯(lián)網(wǎng)主要通過(guò)信息采集設(shè)備以及能夠?qū)⑦@些信息采集設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng)的終端平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)。近年來(lái)，嵌入式系統(tǒng)以其功能完善，設(shè)計(jì)方案靈活，功耗可控制等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于生活、商業(yè)、醫(yī)療以及工業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域。比起通用計(jì)算機(jī)來(lái)，嵌入式系統(tǒng)具有針對(duì)性更強(qiáng)、體積更小，成本更低等優(yōu)點(diǎn)，是物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域應(yīng)用設(shè)計(jì)的首選方案。對(duì)于一些數(shù)據(jù)量不大，傳輸速率要求不高的應(yīng)用，要考慮用較低的成本實(shí)現(xiàn)最可靠的物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)[1-2]。

1 平臺(tái)硬件設(shè)計(jì)

1.1 平臺(tái)結(jié)構(gòu)及原理

該平臺(tái)采用ATMEL公司AT91SAM7X512處理器作為主控芯片，該處理器內(nèi)部集成了以太網(wǎng)控制器、512 kbytes FALSH以及128 kbytes SRAM。只需外接一片以太網(wǎng)物理層（PHY）收發(fā)芯片DM9161和一個(gè)網(wǎng)絡(luò)變壓器HR601680，即可構(gòu)成以太網(wǎng)終端硬件平臺(tái)。AT91SAM7X512采用3.3 V和1.8 V雙工作電壓，使用頻率為18.432 MHZ的晶振作為時(shí)鐘電路的振蕩源，調(diào)試電路采用標(biāo)準(zhǔn)的20針JTAG仿真調(diào)試接口。該方案成本低，功耗小，并且所用芯片集成度很高因而保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

AT91SAM7X512的以太網(wǎng)控制模塊實(shí)現(xiàn)了一個(gè)與IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)兼容的以太網(wǎng)MAC，支持全雙工模式，可通過(guò)DMA方式進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)。當(dāng)物理層芯片DM9161接收到來(lái)自以太網(wǎng)的上位機(jī)數(shù)據(jù)時(shí)，ARM通過(guò)MII接口 （媒體獨(dú)立接口）讀取數(shù)據(jù)，并在內(nèi)部通過(guò)DMA方式將數(shù)據(jù)讀入SRAM中交給TCP/IP協(xié)議棧進(jìn)行處理。同時(shí)，當(dāng)RFID射頻讀卡器或者傳感模塊有數(shù)據(jù)需要傳輸時(shí)，平臺(tái)也能沿著相同的通道將數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理示意圖Fig.1 Structure diagram of the Ethernet terminal platform

1.2 AT91SAM7X512和DM9161的接口電路設(shè)計(jì)

AT91SAM7X512的以太網(wǎng)控制器和物理層收發(fā)芯片DM9161之間有 MII（Media Independent Interface） 和 RMII（Reduced Media Independent Interface）兩種接口。這兩種接口都能夠工作在10 Mb/s和100 Mb/s共兩種速率下[3]，在本設(shè)計(jì)中采用MII接口。MII數(shù)據(jù)接口總共需要16個(gè)信號(hào)，包括TX_ER，TXD<3:0> ，TX_EN，TX_CLK，COL，RXD<3:0> ，RX_EX，RX_CLK，CRS，RX_DV 等，在時(shí)鐘速率 25 MHz的情況下以4-bit并行方式發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。以太網(wǎng)控制器依靠MDIO接口與物理層芯片進(jìn)行通信，用于自動(dòng)協(xié)商期間確保以太網(wǎng)控制器和物理層芯片被配置為相同的速度和雙工模式。AT91SAM7X512和DM9161的接口電路如圖2所示。

圖2 以太網(wǎng)接口電路原理圖Fig.2 Schematic of the Ethernet interface circuit

當(dāng)系統(tǒng)上電后，由AT91SAM7X512給DM9161提供復(fù)位信號(hào)及引腳初始化電平，完成DM9161的上電初始化工作。當(dāng)初始化完成后，系統(tǒng)會(huì)通過(guò)MII接口讀取DM9161內(nèi)部狀態(tài)寄存器的值來(lái)完成對(duì)網(wǎng)絡(luò)連接模式和連接狀態(tài)的檢測(cè)。

2 平臺(tái)軟件的實(shí)現(xiàn)

2.1 TCP/IP協(xié)議棧的移植

LwIP是瑞典計(jì)算機(jī)科學(xué)研究院（SICS）設(shè)計(jì)的一個(gè)開(kāi)源的輕量級(jí)TCP/IP協(xié)議棧。它的目的是減少內(nèi)存使用率和代碼大小，使LwIP能夠適用于資源緊張的嵌入式系統(tǒng)。利用μC/OS-Ⅱ提供的信號(hào)量和消息傳遞機(jī)制等系統(tǒng)服務(wù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)LwIP的移植。

2.1.1 信號(hào)量操作函數(shù)

LwIP使用信號(hào)量進(jìn)行通信，這個(gè)信號(hào)量可以是計(jì)數(shù)信號(hào)量，也可以是二值信號(hào)量，所以在sys_arch中需要實(shí)現(xiàn)與信號(hào)量操作相關(guān)的信號(hào)量結(jié)構(gòu)體struct sys_sem_t、信號(hào)量建立函數(shù) sys_sem_new（）、信號(hào)量釋放函數(shù) sys_sem_free（）、信號(hào)量發(fā)出函數(shù)sys_sem_signal（）和信號(hào)量等待函數(shù)sys_arch_sem_wait（）。由于在μC/OS-Ⅱ中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了與信號(hào)量操作有關(guān)的各種函數(shù)，而且功能和上述幾個(gè)LwIP中所需要實(shí)現(xiàn)的函數(shù)的功能是完全一致的，所以只要調(diào)用μC/OS-Ⅱ中的信號(hào)量操作函數(shù)來(lái)重新包裝成LwIP中的信號(hào)量操作函數(shù)即可。

2.1.2 郵箱操作函數(shù)

LwIP使用郵箱來(lái)進(jìn)行消息傳遞，用戶可以用一個(gè)隊(duì)列來(lái)將其實(shí)現(xiàn)，需要注意的一點(diǎn)是，投遞進(jìn)郵箱中的消息只能是一個(gè)指針。因此要根據(jù)以上要求來(lái)實(shí)現(xiàn)消息隊(duì)列結(jié)構(gòu)sys_mbox_t， 以 及 相 應(yīng) 的 操 作 函 數(shù) ：sys_mbox_new（）、sys_mbox_free（）、sys_mbox_post（）和 sys_arch_mbox_fetch（） 。μC/OS-Ⅱ很好地實(shí)現(xiàn)了消息隊(duì)列結(jié)構(gòu)及其操作，為消息隊(duì)列提供了豐富的管理函數(shù)，但μC/OS-Ⅱ沒(méi)有對(duì)消息隊(duì)列中的消息進(jìn)行管理，因而不能直接使用，必須在μC/OS-Ⅱ的基礎(chǔ)上重新實(shí)現(xiàn)。具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，可創(chuàng)建多個(gè)郵箱，并使用單向鏈表將這些郵箱鏈接在一起，每個(gè)郵箱可接收消息的數(shù)量由消息數(shù)組的大小來(lái)決定。對(duì)消息隊(duì)列本身的管理用μC/OS-Ⅱ中的隊(duì)列操作函數(shù)來(lái)完成，然后通過(guò)對(duì)鏈表的操作來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)消息的創(chuàng)建、使用、刪除和回收，兩部分綜合起來(lái)形成了LwIP的郵箱功能。

2.1.3 創(chuàng)建新線程函數(shù)

在μC/OS-Ⅱ中只有任務(wù)的概念，建立一個(gè)新的線程實(shí)際上就是建立一個(gè)新的任務(wù)。因此只需要把OSTaskCreate（）封裝一下，就可以實(shí)現(xiàn)sys_thread_new（）。需要注意的是當(dāng)前μC/OS-Ⅱ不支持時(shí)間片輪番調(diào)度法[4]，不允許兩個(gè)或兩個(gè)以上的任務(wù)有同樣的優(yōu)先級(jí)，所以用戶要事先為L(zhǎng)wIP中創(chuàng)建的線程分配好優(yōu)先級(jí)。通過(guò)對(duì) LwIP中的宏TCPIP_THREAD_PRIO進(jìn)行包裝，來(lái)避免TCPIP線程優(yōu)先級(jí)與其他線程相同。

2.1.4 定時(shí)器函數(shù)

LwIP中每個(gè)線程都有一個(gè)timeouts鏈表，這個(gè)鏈表在建立之后其首地址必須固定。因此用于保存鏈表首地址的sys_timeouts結(jié)構(gòu)必須與線程一一對(duì)應(yīng)，而且其地址不能改變，以便能夠隨時(shí)得到鏈表的首地址?？捎靡粋€(gè)靜態(tài)的sys_timeouts結(jié)構(gòu)數(shù)組來(lái)存放各個(gè)線程的鏈表，以線程的優(yōu)先級(jí)號(hào)來(lái)作為數(shù)組索引號(hào)，這樣每一個(gè)線程就能對(duì)應(yīng)一個(gè)sys_timeouts結(jié)構(gòu)體了，并且在系統(tǒng)運(yùn)行期間對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)體數(shù)組成員的地址會(huì)一直固定不變。移植時(shí)通過(guò)實(shí)現(xiàn)struct sys_timeouts*sys_arch_timeouts（void）函數(shù)，來(lái)返回目前正處于運(yùn)行態(tài)的線程所對(duì)應(yīng)的timeouts隊(duì)列指針[5]。

2.2 驅(qū)動(dòng)程序

操作系統(tǒng)是通過(guò)各種驅(qū)動(dòng)程序來(lái)和各種硬件打交道的，驅(qū)動(dòng)程序?yàn)橛脩羝帘瘟烁鞣N各樣的硬件設(shè)備，而只提供了簡(jiǎn)單明了的函數(shù)接口給操作系統(tǒng)調(diào)用。LwIP已經(jīng)設(shè)計(jì)好了這些框架，用戶只需嚴(yán)格按照順序完成與底層硬件相關(guān)的部分即可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接口層和IP層的通信。需要實(shí)現(xiàn)的包括：底層網(wǎng)絡(luò)接口初始化函數(shù)ethernetif_init（）、網(wǎng)卡接收函數(shù)ethernetif_input（）、網(wǎng)卡發(fā)送函數(shù) ethernetif_output（）和網(wǎng)卡中斷處理函數(shù)ethernetif_isr（）等。驅(qū)動(dòng)程序完成了對(duì)設(shè)備的初始化、釋放和管理，并且完成對(duì)底層以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包的接收、搬運(yùn)和發(fā)送[6]。

2.3 應(yīng)用程序

系統(tǒng)應(yīng)用程序的任務(wù)主要是在嵌入式平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信客戶端和HTTP網(wǎng)頁(yè)服務(wù)器兩方面的功能。利用LwIP提供的API，采用TCP協(xié)議客戶端到服務(wù)器通信的模式，實(shí)現(xiàn)嵌入式終端和上位機(jī)之間的通信。在這種模式下，嵌入式終端定義為客戶端，主動(dòng)向服務(wù)器發(fā)起TCP連接；而上位機(jī)（PC）定義為服務(wù)器端，始終監(jiān)聽(tīng)來(lái)自網(wǎng)絡(luò)的連接。嵌入式終端主要負(fù)責(zé)采集來(lái)自于傳感器或RFID模塊的數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)傳送給上位機(jī)。同時(shí)，嵌入式終端平臺(tái)上也運(yùn)行著一個(gè)HTTP網(wǎng)頁(yè)服務(wù)器，上位機(jī)（PC）可通過(guò)網(wǎng)頁(yè)對(duì)嵌入式終端平臺(tái)進(jìn)行訪問(wèn)、查看和設(shè)置。

3 WEB服務(wù)器的實(shí)現(xiàn)

HTTP定義了瀏覽器與服務(wù)器交互的不同方法，最基本的方法有4種。本系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)只涉及到GET和POST這兩種最基本的方法。GET一般用于向服務(wù)器獲取和查詢資源信息，而POST一般用于向服務(wù)器上傳和更新沒(méi)有長(zhǎng)度限制的、大容量的資源信息。一個(gè)基本的WEB服務(wù)器要實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)服務(wù)的關(guān)鍵是要能夠?qū)g覽器發(fā)送的GET或POST請(qǐng)求做出響應(yīng)。一般情況下制作動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)需要使用語(yǔ)言：HTML+ASP或HTML+PHP或HTML+JSP等。要在資源有限的嵌入式系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)這樣的功能是不現(xiàn)實(shí)的，一種明智的辦法是通過(guò)使用回調(diào)函數(shù)的方式，為瀏覽器的每一種請(qǐng)求都設(shè)計(jì)一個(gè)服務(wù)函數(shù)與之對(duì)應(yīng)。當(dāng)有新增加的GET或POST請(qǐng)求時(shí)，則只需要增加相應(yīng)的服務(wù)函數(shù)即可。具體實(shí)現(xiàn)時(shí)可設(shè)計(jì)一個(gè)存放服務(wù)函數(shù)地址的結(jié)構(gòu)體，其成員包括所請(qǐng)求服務(wù)參數(shù)的長(zhǎng)度、名稱和對(duì)應(yīng)服務(wù)函數(shù)的地址。然后將所有的結(jié)構(gòu)體都初始化在一個(gè)數(shù)組中，代碼如下：

typedef void （*pfunService） （struct netconn*， INT8S*，INT32S）；

#define POST_SERVICE_NAME_LEN 31 //*參數(shù)名稱最大長(zhǎng)度

typedef struct{

INT32S s32NameLen；

INT8S szServiceName[POST_SERVICE_NAME_LEN+1]；

pfunService pfunPostService；

}ST_POST_SERVICE； //*該結(jié)構(gòu)體包含參數(shù)長(zhǎng)度，參數(shù)名稱，服務(wù)函數(shù)地址

#define POST_SERVICE_NB 5 //*POST請(qǐng)求處理函數(shù)個(gè)數(shù)

static const ST_POST_SERVICE __staPServices[POST_SERVICE_NB] = { {11，"vResetParam"，__vResetParam}， //* 重置平臺(tái)參數(shù)

{11， “vSetMacAddr”， __vSetMacAddr}，//* 設(shè)置 MAC 地址

{10， “vSetHostIP”，__vSetHostIP}， //* 設(shè)置 IP 地址

{10， “vResetProc”， __vResetProc}， //* 重新啟動(dòng)平臺(tái)

{13， “vGetCurStatus”， __vGetCurStatus}}； //* 獲取當(dāng)前平臺(tái)參數(shù)

在編寫(xiě)應(yīng)用程序的時(shí)候，只需抓取瀏覽器所發(fā)送的請(qǐng)求類型和參數(shù)，即可根據(jù)不同的請(qǐng)求來(lái)調(diào)用相應(yīng)的服務(wù)函數(shù)。當(dāng)有新的GET或者POST請(qǐng)求增加時(shí)，只需要增加與之對(duì)應(yīng)的服務(wù)函數(shù)即可，這樣就實(shí)現(xiàn)了擴(kuò)展性很強(qiáng)的動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)服務(wù)。WEB服務(wù)器響應(yīng)瀏覽器訪問(wèn)的流程如圖3所示。

圖3 瀏覽器請(qǐng)求響應(yīng)流程圖Fig.3 Flow chart of the WebServer software design

POST請(qǐng)求分為帶參數(shù)和不帶參數(shù)兩類，帶參數(shù)的POST請(qǐng)求，如：設(shè)置IP地址，子網(wǎng)掩碼等操作，需要提取相關(guān)參數(shù)后再調(diào)用服務(wù)函數(shù)進(jìn)行處理。不帶參數(shù)的POST請(qǐng)求只需直接調(diào)用相應(yīng)服務(wù)函數(shù)即可，如：重啟系統(tǒng)、恢復(fù)默認(rèn)參數(shù)等操作。遠(yuǎn)端PC可以通過(guò)該動(dòng)態(tài)WEB服務(wù)器來(lái)對(duì)平臺(tái)進(jìn)行訪問(wèn)，完成上述幾項(xiàng)操作。在第一次啟動(dòng)本系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)運(yùn)行DHCP客戶端程序，向DHCP服務(wù)器（路由器等設(shè)備）主動(dòng)申請(qǐng)IP地址，獲得IP后，遠(yuǎn)端PC即可通過(guò)該IP地址對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行訪問(wèn)和設(shè)置。網(wǎng)頁(yè)界面如圖4所示。

圖4 網(wǎng)頁(yè)設(shè)置界面Fig.4 Chart of the platform setting interface

4 結(jié)束語(yǔ)

平臺(tái)采用AT91SAM7X512處理器和DM9161以太網(wǎng)物理層芯片。兩者通過(guò)MII接口連接，高集成度的處理器提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性，降低了數(shù)據(jù)傳輸出錯(cuò)機(jī)率。通過(guò)向終端平臺(tái)移植LwIP協(xié)議，使終端具備連入以太網(wǎng)的能力，并通過(guò)調(diào)用函數(shù)的方式在該低成本平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)服務(wù)器。在局域網(wǎng)條件下運(yùn)行該終端和上位機(jī)PC進(jìn)行連接，能很好的通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳遞RFID讀卡器采集的信息，并且上位機(jī)PC能夠通過(guò)網(wǎng)頁(yè)對(duì)本終端進(jìn)行訪問(wèn)和參數(shù)設(shè)置。針對(duì)更復(fù)雜的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)連接和訪問(wèn)，網(wǎng)絡(luò)延遲和丟包等問(wèn)題還有待進(jìn)一步的研究。

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