基于W7100A的可擴展物聯(lián)網采集系統(tǒng)的實現(xiàn)

李敏　王朋濤

摘要：通過多個基于W7100A的高速物聯(lián)網采集器實現(xiàn)了一個采集系統(tǒng)，并給出了該系統(tǒng)的外圍電路設計， 對溫濕度采集和顯示模塊進行了詳細的闡述，編寫了相關的顯示和采集程序，實現(xiàn)了以太網遠程高速數據采集。由于W7100A是硬核TCP/IP 技術來進行數據采集，所以可以作為物聯(lián)網采集器的一種實現(xiàn)方式，且可以通過撥碼開關區(qū)分IP地址，實現(xiàn)模塊化。

關鍵詞：物聯(lián)網；W7100A；DS18B20；TCP/IP

中圖分類號：TP39文獻標識碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2017.09.002

0引言

物聯(lián)網用途廣泛，遍及智能交通、環(huán)境保護、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工業(yè)監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測、路燈照明管控、景觀照明管控、樓宇照明管控、廣場照明管控、老人護理、個人健康、花卉栽培、水系監(jiān)測、食品溯源、敵情偵查和情報搜集等多個領域，其中采集器是物聯(lián)網實現(xiàn)環(huán)節(jié)中的重要一環(huán)。

1采集系統(tǒng)框架

該系統(tǒng)包含多個W7100A采集控制器，每個采集器通過交換機與控制服務器相連接組成控制系統(tǒng)。通過設定每個板子上撥碼開關的值來調整相應的IP地址，可以實現(xiàn)多個采集控制器的動態(tài)加入。其中每個控制器又包含KEY輸入、LCD顯示、溫濕度傳感器、PWM、UART串行口、繼電器和以太網模塊。按鍵通過595芯片做串行移位，僅用一個IO端口就可以實現(xiàn)8個按鍵的輸入。顯示部分采用LCD12232液晶作為顯示模塊，與移位按鍵配合做設定報警信息和實時顯示。溫度傳感器采用數字溫度器件DS18B20采集溫度；UART用于連接其他采集控制模塊；繼電器用于控制其他機械設備的啟動和停止；PWM用于精確控制機械傳動中的電磁閥。

該系統(tǒng)通過交換機把多個模塊采集的數據發(fā)送到服務器，由服務器實時處理后保存到本地數據庫并發(fā)送到Internet。向下通過每塊W7100A控制器的IO口采集當前環(huán)境的信息數據，利用W7100A自帶的以太網模塊把采集到的數據和服務器實現(xiàn)數據的交換。系統(tǒng)結構如圖1所示。

2硬件電路設計

2.1顯示電路設計

LCD選用帶中文字庫的LCM12864R，由于W7100A是可以直接驅動LCD12864R，兩個器件相互連接的時候無需進行電平轉換，采用串行輸入方式。其接口和電路如圖2和圖3所示。

2.2可擴展電路設計

可擴展部分采用撥碼開關設計，利用W7100A的IO口讀取撥碼開關的狀態(tài)來判斷自身的IP地址。使用的時候，只需設置撥碼開關的撥齒到不同的位置，極大地方便了現(xiàn)場的使用。其電路如圖4所示。

2.3以太網設計

由于W7100A內部不僅集成了MAC模塊還集成了PHY模塊，所以簡化了電路部分的設計，但是需要注意布局和布線，同時還要考慮W7100A的散熱。一般集成MAC和PHY的芯片正常工作的時候發(fā)熱都比較嚴重，可以考慮加裝散熱片來解決。對于布局布線主要是對差分線對的處理，這點比較重要。芯片出來的RX+/TX+、RX-/TX-為差分線對（切勿走成RX+/RX-和TX+/TX-），應該優(yōu)先布差分線，保持平行、等長和緊靠，且避免交叉。同時應避免差分線周圍走其他信號線，而且差分線要包地，包地的周圍隔一段距離就要打地孔。這兩組差分信號布的好壞，會嚴重影響網卡的工作。電路如圖5所示。

3軟件設計流程

該采集系統(tǒng)在軟件設計上分為兩部分：一部分是W7100A采集控制器的控制和上傳數據程序；另一部分是服務器上上位機各個采集器集中處理的程序。服務器通過TCP/IP收集各個控制器上傳的數據，然后進行信息融合后，做出判斷，再發(fā)出控制命令使各個采集器執(zhí)行不同的機械動作。同時也可以以外接GPRS模塊短信命令來實現(xiàn)人機交互。

3.1采集器程序設計

采集器的程序分為5個部分，分別是：按鍵處理、LCD12864顯示、網絡接收和發(fā)送數據、繼電器的接通和斷開以及IP地址的識別。

按鍵硬件上接上拉電阻，因此有鍵按下時電平是低電平。按鍵采用循環(huán)掃描的模式來處理。

顯示程序主要根據LCD12864的時序把需要顯示的數據寫入顯存里。

網絡收發(fā)數據采用循環(huán)掃描的方法不斷查詢是否有數據要發(fā)送或接收，先查詢Sock0_Connect標志位，若為高電平表明已經建立了TCP連接，如果已經建立了連接，則查詢Sock0_Recv標志，若為Sock0_Recv高電平則先清零該標志，再去讀取網絡緩沖區(qū)里面數據幀的幀頭數據。如果幀頭是0x66、0xA8、0x55說明主機發(fā)送的是上傳數據命令，此時同時把上傳標志upload_flag置1。主程序會根據upload_flag的標志轉去執(zhí)行上傳數據函數；如果幀頭是0x66、0xA8、0xAA說明主機發(fā)送的是寫入命令，W7100A需要從緩沖區(qū)的第4個字節(jié)開始讀取且連續(xù)讀取22個字節(jié)數據，然后根據接收到的數據執(zhí)行相應的命令。

3.2上位機程序

上位機用VC編寫，基于socket的服務器。Socket是應用層與TCP/IP協(xié)議族通信的中間軟件抽象層，它是一組接口。在設計中，Socket其實就是一個門面模式，它把復雜的TCP/IP協(xié)議族隱藏在Socket接口后面，對用戶來說，一組簡單的接口就是全部。

編寫步驟一般是先加載套接字接口，再綁定套接字到IP和端口，其次監(jiān)聽套接字接口以等待連接請求的到來，然后根據各個采集器上傳的數據進行融合并發(fā)送數據，最后關閉套接字接口。在該系統(tǒng)中綁定的TCP端口為9998，待連接請求到來時，讀取數據并進行數據的處理。通信結束，則返回并關閉套接字。采集到的數據如圖6 所示。

4總結

本文以集成硬件TCP/IP核的W7100A設計并實現(xiàn)了一個采集控制器的子系統(tǒng)，再經過多個采集子系統(tǒng)構成一個整體的可擴展的控制系統(tǒng)，然后通過網絡上傳數據到服務器。基本實現(xiàn)了顯示、溫濕度、繼電器通斷的控制。相比傳統(tǒng)的8051控制器，系統(tǒng)具有較高的實時行和大的數據吞吐量，同時也易于擴展，且設置靈活，有一定的實用性。

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