嵌入式系統物聯網網關的設計

李東澤

摘要

物聯網網關是連接傳感網和通信網絡的一個重要紐帶，嵌入式系統的物聯網網關設計在軟件的控制下，能夠實現一些不同類型感知系統的正常接入，并用于到各種場合之中。在物聯網網關設計中，不僅可以實現網關的服務功能，還能對這些設備進行統一化的控制和遠程接控，確保它的通信方面的安全。本文從物聯網網關的硬件和軟件設計兩個方面來分析問題，以期為相關人員提供參考。

【關鍵詞】嵌入式系統 物聯網 網關設計

物聯網可以看作是人類社會發展的必然產物，主要是依靠全球定位系統等傳感設備來將世界中的任何物體連入到其中，讓人與人之間的交流變得更為簡單。隨著物聯網的不斷完善，其在我國各個領域都取得了突破性的進展，也讓人們的生活更加智能化。在現有的無線傳感網中，ZigBee憑借著自身特有的優勢特點，在傳感網中得到了廣泛的應用，為人們的生活和工作提供了方便。

1 物聯網網關的硬件設計

1.1 太網的網絡接口

在網關中的硬件設施方面，所使用的一般是AC/220V的供電模式，并且電源模塊會產生各種不同的電壓。例如，其中的太網模塊，通過控制器將十六位數據總線連接到相應的系統中，將控制器中的一條地址總線和控制器連接在一起，并以太網數據的形式，對控制器進行操作。要考慮到物聯網網關會在比較惡劣的環境下工作，所以更應該充分的應用內部資源。

例如，以AT91SAM9260控制器作為硬件平臺，就需要為其提供足夠多的內存空間和應用程序。其中主控制器作為系統的核心部件，主要任務是數據轉換、任務調度，在太網的網絡接口中，作為OSI模型中連接兩種媒介的重要工具，可以實現主機和物理層之間的數據通信。按照標準的數據化格式進行控制與接收，通過MII好RMII兩種模式進行接收，實現對硬件的優化配置。通過DM9161EP芯片，將其作為網關系統中的接入口，符合低成本的快速運行，通過可變壓的MII又能準確的連接到MAC層，這也是現階段最常見的物理層收發器。根據實際情況進行編程，以此來改變數據的長度，進而滿足相應的標準。

1.2 ZiBee的S網模塊

ZigBee作為組網模塊中的重要組成部分，能夠解決系統中的重要程序問題，在芯片內部添加了一些增強型的內核裝飾，在RF上有著非常強大的功能。組網模塊中，協調器會通過UART的方式和一些儀器設備相互連接在一起，當收到遠程監控所發來的消息之后，就會通過串口的方式對ZigBee發送相應的指令。最后它的終端節會將A/D轉換模板收集到的數據以相反的方式傳遞給遠程監控計算機。ZigBee有著極強的兼容性，在感知層主要是承擔采集數據和無線傳送的工作，而在使用層中主要是負責數據的加工處理，并給用戶提供最滿意的服務。

例如，在協議轉換中，基本功能就是呈現出不同協議的轉換，在收到ZigBee節點所傳送來的數據之后，按照相應的規章制度來剔除掉多余的網絡層包頭，并對應用層的一些數據進行合理化的處理。在網管的設計中需要分析硬件的整體設計，在設計的兩個模板中使用了ZigBee的開發套件，調節一些開發板，這能同時呈現網關的整體功能。將調節器和開發板連接在一起，根據設計方式，將實現的51單片機核以Astack的方式下載，達到降低成本的目的。對于一個完整的硬件系統而言，如果僅僅是電路設計，這還遠遠不夠，就從微處理器來看，還需要添加一些儲存電路和硬件方面的模板。

2 物聯網網關的軟件設計

2.1 ZiBee的應用程序

軟件支持層主要是借助軟件的接口在Linux上進行操作，能夠實現客戶端和服務器之間的信息交流。ZigBee應用程序的內部具有豐富的API，并提供了OSAL的系統框架來實現多層次的處理服務，這讓整個系統看起來更像是一個小型的框架操作系統，而在應用程序中，是需要在一些特定的機制中來執行函數操作的。ZigBee應用程序主要是協調器程序和終端節點。

協調器作為ZigBee網絡的核心點，在數據轉發和網絡管理上具有非常重要的作用，當協調器初始完成之后，就可以開始相應的掃描工作，對能量進行檢查，然后選擇一個合適的通道，通過網絡來操作程序。當系統在運行之后，協調器會自動進入到一個查詢的狀態，根據處理器的節點來發送入網申請，在成功之后就會收到地址。然后對數據包進行調節，按照協議的標準來進行封裝。而在終端節點方面，主要是負責數據的采集，根據控制命令來執行相應的任務。在設置好軟硬件之后，會有無線局域網，當啟動系統程序的時候，接下來的節點就會實時傳入相關的數據，監聽與發送一些控制數據來執行相應的操作。

2.2 主控模塊設計

網關主要的模塊程序是在Linux的基礎上來操作的，通過服務器和多種編寫程序，實現對太網和ZigBec網絡的管理與控制，將網關接口、客戶端和服務器結合在一起。當客戶端以網頁的形式向服務器發送請求的時候，服務器中的cgi程序就會從環境變量與輸入標準中，讀取相應的信息，最后將結果發送到客戶端的瀏覽器中。當設計的主控模板由CGI程序來統一調度時，就可以將主控模板和串口相互連接，控制器在收到相關程序的時候，以解析數據包的形式與終端節點連接在一起。主控部分和太網的通信部分會移植到Linux中，如果數據出現了異常，主控制器就會發送命令給到手機上。在嵌入式系統開發的階段，處理的速度和儲存的空間與PC相比更具有優勢，這也能提高它在傳輸中的效率。因此，在開始之前就需要對開發和運行環境進行實時的搭建，讓各個功能的模板能進行有效銜接。

3 結束語

通過嵌入式系統能夠實現物聯網網關的有效控制，在繼承了ZigBee優勢的基礎上，引入GPRS和太網，這很好的解決了傳統網絡的缺陷問題。在嵌入式設備上實現數據的轉發，給出了一些簡單的操作方式，結合無線傳感網的特點，極大的擴寬了人們的感知領域，提供了更為便捷的服務。

參考文獻

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