基于μC/OS—II的嵌入式電梯物聯網網關的設計

摘 要：為提高對電梯的管理維護水平，提出了一種電梯物聯網系統方案。以ARM微控制器STM32F103VET6為核心研制了系統的網關，設計并實現了一種運行于該系統的網關管理協議，利用μC/OS-II實時操作系統創建基于該協議的SGMP任務，采用分層機制實現消息的創建、解析和執行。實驗證明網關具有良好的實時性和穩定性，具有廣泛的管理能力。

關鍵詞：物聯網；網關管理協議；電梯；SGMP

1 概述

隨著電梯數量的增多，作為一種直接關系到人們生命安全的特種設備，如何保障電梯的安全運行受到了廣泛關注。在傳統被動的電梯管理模式下各種電梯事故時有發生。國內外各電梯企業大多針對各自品牌，采用總線或者公用電話網絡作為遠程數據交換的通信依托設計了電梯遠程監控系統。但網絡布線復雜，運行成本高、可靠性較差并且數據交換量有限，各種系統之間互不兼容，可管理能力較低。因而對電梯管理維護技術提出了更高的要求。

文章在充分利用小區內現已搭建完善的局域網系統，結合物聯網[1]技術提出一種電梯物聯網系統方案。基于嵌入式技術設計該系統的關鍵部件——電梯物聯網網關。在網關平臺上實現網關管理協議——SGMP（Simplify Gateway Management Protocol）的設計，實現信令交互、數據傳輸過程，使系統運行穩定，通信可靠，從而提高對電梯的管理維護水平。

2 系統方案

參考物聯網典型通信系統架構設計電梯物聯網系統模型，如圖1所示。從上至下依次為：應用層、網絡層、感知層[2]。

為了闡述內容的準確性，定義電梯感知終端為位于感知層內能感知電梯運行數據，并具備聯網和控制能力的有源結點。構建此系統要求電梯感知終端按照既定的標準輸出數據信息以便于統一管理。

位于感知層內的電梯感知終端主要負責通過電梯控制柜全面感知電梯運行數據，并組建完善的電梯群感知終端局域網。由于各小區處于不同的局域網內，無法與公網進行通信，因此采用電梯物聯網網關作為網絡接口來滿足電梯物聯網系統的廣域互聯。應用層采用基于SOA（Service-oriented architecture，面向服務架構）模型實現整個電梯物聯網系統的業務覆蓋，主要通過網管平臺以及應用數據庫服務器實現應用層事務處理，可供政府監管部門、物聯網管理部門、電梯廠家等使用。

3 電梯物聯網網關的設計與實現

電梯物聯網網關位于感知層與網絡層之間，在嵌入式硬件平臺上運行SGMP協議，對SGMP消息進行智能解析和處理，實現了感知層與應用層業務的平穩對接，是電梯物聯網系統中的核心單元。

3.1 電梯物聯網網關的硬件平臺設計

基于嵌入式技術、以太網技術、2G/3G技術，設計了本網關，其硬件結構框圖如圖2所示。

本網關以ARM內核微控制器STM32F103VET6為核心，通過SPI驅動ENC28J60以太網控制器。根據電梯運行產生的特征數據量小、運行時間無間斷性等特點，采用華為GTM900-C GPRS無線模塊作為與Internet的接入手段，插入移動SIM卡后可獲得公網IP[3]，不需要進行NAT穿越即可實現網關與網管平臺之間的無線通信。

3.2 電梯物聯網網關管理協議的設計

本網關采用的網關管理協議SGMP是在參考中國移動WMMP協議（Wireless Machine to Machine Protocol）基礎上結合電梯物聯網的具體情況而提出的。SGMP的要點是實現網關與感知層和應用層間的消息傳遞以及對具體事務的處理。SGMP協議建立在UDP協議之上，規定了網關與感知層和應用層間的所有交互命令和消息，并采用消息類型編碼標識每個命令。其協議幀格式如圖3所示。依照對協議的實際處理過程將其分為四層，分別為應用層API，事務控制層、協議適配層、傳輸適配層[4]。要求由應用層AP I解碼出消息類型代碼，并提取出有用數據，提交給事務控制層；傳輸適配層負責調用UDP發送或接收程序，實現消息的發送或接收。

由于UDP協議采用無連接方式傳輸，沒有確認機制，為保證協議運行的可靠性將協議消息采用“命令-響應”的握手方式執行。基于該協議的信息交互流程如圖4所示。

3.3 電梯物聯網網關的軟件實現

網關面向上層提供與網管平臺的信息交互功能，面向下層管理感知層內各個感知終端。在STM32F103VET6上穩定運行μC/OS-II操作系統，并移植LWIP協議棧，建立SGMP任務，SGMP通過Socket套接字綁定感知層一側的消息接收端口和通過串口接收應用層一側的消息，解析上傳的消息并觸發網關管理協議應用層API，利用消息郵箱機制實現SGMP任務與應用層API的數據通信，并通過OSMboxPend（）等待新消息的到來。

4 實驗與結論

為了驗證網關設計方案的可行性和可靠性，在實驗室100Mb/s帶寬的局域網條件下搭建了模擬電梯物聯網狀態的網絡系統，擬將10臺PC機作為電梯感知終端進行網關性能測試。使用科來網絡仿真軟件[5]分析網絡通信情況。

圖5為網關上電或復位后網關與感知層、應用層建立可靠連接的通信流程。

經實際測試，文章所設計的電梯物聯網網關可以達到100%正確接收或發送UDP數據包，并能夠實現基于SGMP協議的網關事務消息的創建、解析和處理，具有較高的實時性和事務處理能力，可應用于小區智能控制系統，具有廣泛的應用價值。

參考文獻

[1]ITU Internet Reports 2005： The Internet of Things[R]. International Tele-communication Union（ITU）. 2005.

[2]章堅武，顏歡，包建榮.智能家庭網關設計及其物聯網應用[J].計算機工程，2011，18（37）：246-251.

[3]練方興，鮑鴻，龍盛鵬.基于ZigBee的機房環境遠程監控系統的研究與實現[J].電子技術應用，2012，38（1）：66-69.

[4]郭翠娟，苗長云，武志剛.基于DSP的WMGCP協議棧的設計與實現[J].電子技術應用，2011，10（37）：117-119.

[5]鄭巨明，張和生，等.基于μC/OS-II和LWIP的嵌入式以太網接口設計[J].計算機測量與控制，2009，17（11）：2238-2240.

作者簡介：張晨光（1988-），女，博士在讀，研究生學歷，助教，現工作單位：天津工業大學，研究領域為智能信息處理，計算機圖形學，嵌入式技術等。