淺析單片機在物聯(lián)網(wǎng)工程中的應(yīng)用

涂昶昶

摘要：云計算和物聯(lián)網(wǎng)是目前IT行業(yè)炙手可熱的新潮流，物聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)對傳統(tǒng)數(shù)控單片機的應(yīng)用產(chǎn)生了新的沖擊，單片機技術(shù)越來越趨于集成化、聯(lián)網(wǎng)化。本文基于單片機的特點闡述了其在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的發(fā)展和趨勢，希望能拋磚引玉，為進一步開發(fā)提供參考。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)工程;單片機技術(shù)

中圖分類號：TN925?文獻標識碼：A?文章編號：1672-9129（2020）09-0011-01

1?傳統(tǒng)單片機作為微控制器的應(yīng)用特點

單片機（Microcomputer—MCU）把具有數(shù)據(jù)處理能力的處理器CPU（很多人將MCU與CPU的概念混淆，MCU應(yīng)是包含CPU而存在的）、只讀存儲器ROM、隨機存儲器RAM、通用I/O口、TICK定時器/計數(shù)器等等外設(shè)集成到一個片上的麻雀雖小五臟俱全的微型控制系統(tǒng)的超大規(guī)模集成電路芯片，廣泛應(yīng)用于數(shù)碼產(chǎn)品和工業(yè)控制領(lǐng)域。由數(shù)十年前的4位、8位單片機，發(fā)展到現(xiàn)在常用的32位72Mhz的大容量高性能單片機。

單片機產(chǎn)品常見的有智能儀表、實時工控、通訊設(shè)備、導航系統(tǒng)、家用電器等。

傳統(tǒng)的單片應(yīng)用以家電為例，作為家電的數(shù)控功能中心，通常使用有限的按鈕/紅外控制來實現(xiàn)簡單的開關(guān)和量調(diào)節(jié)，使得現(xiàn)代生活的便捷大打折扣，并且一旦投入使用難以得到升級換代，用戶所能拓展的可操作體驗也比較有限，當下的家電的趨勢是接入互聯(lián)網(wǎng)靠齊以獲得更加智能化、聯(lián)網(wǎng)化，這也是物聯(lián)網(wǎng)工程所研究的主要方向。

某種可行的物聯(lián)網(wǎng)方案概述：以智能家居這一物聯(lián)網(wǎng)的熱門應(yīng)用為例，在國內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展中少有高度化整合的產(chǎn)品，盡管經(jīng)過多次的更新?lián)Q代，但長久以來都存在這高維護成本、傳輸穩(wěn)定性較差、使用門檻高等詬病。在市場上目前也有各種物聯(lián)網(wǎng)云平臺供開發(fā)者使用，這為本方案的開發(fā)試驗提供了可能，本方案旨在以一種新的分立模塊化的想法來得到更穩(wěn)定、更便捷的實際應(yīng)用方案。

2?方案概述

2.1主體思路。基于ESP8266模塊與LED指示電路為主設(shè)計一款TCP協(xié)議通信的簡易網(wǎng)關(guān)。開啟電源時，系統(tǒng)初始化，ESP8266模塊通過串口打印出啟動信息和日志，同時初始化時系統(tǒng)所以LED全部點亮，待啟動結(jié)束后全部熄滅。啟動完成后用客戶端連接ESP8266模塊建立的無線局域網(wǎng)，實現(xiàn)ESP8266通信模塊的預設(shè)IP與端口建立TCP通信，發(fā)送相應(yīng)指令來完成LED的開關(guān)操作。這是最基本的一種功能實現(xiàn)。同時在進一步開發(fā)中有通常兩種思路。

2.2網(wǎng)絡(luò)對接的實現(xiàn)。一是我們將單片機通過傳感器獲得的數(shù)據(jù)實時上傳至物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器，再發(fā)送到可視化的手機客戶上，既可以通過APP監(jiān)視也可以通過網(wǎng)頁監(jiān)控。再將手機端的操作指令傳送至家庭網(wǎng)絡(luò)，通過串口的數(shù)據(jù)傳輸反映到單片機上，這種MCU與ESP8266的交互方式常用的是AT指令，同時單片機附帶返回值。就這樣可以完成接入云平臺的MCU遠程的雙向通信，其中需要完成通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)的采集和處理。使用ESP8266模塊完成單片機與家庭網(wǎng)絡(luò)的對接實現(xiàn)MCU系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)完成核心通信。目前各大物聯(lián)網(wǎng)廠商少有這樣的開發(fā)設(shè)計。

二僅用ESP8266開發(fā)板，但卻以Arduino方式開發(fā)，Arduino IDE安裝ESP8266環(huán)境后，就直接支持ESP8266在Arduino IDE上進行開發(fā)，其硬件。下位機就可以不用其它Arduino板了，或者說ESP8266開發(fā)板此時就是Arduino開發(fā)板，這種方式是大部分個人開發(fā)者所常用的，其優(yōu)勢是易于上手的操作完善的編譯和接口環(huán)境。同時還有LUA語言、LISP語言等多種開發(fā)方式，官方也支持LINUX下的API開發(fā)，這些方式大都平臺資源豐富、易于開發(fā)。

射頻芯片本身具備處理能力，可進行二次開發(fā)，第二種方式可以發(fā)掘ESP8266的極限性能，縮減一定的成本。其不差的機能已足以勝任許多消費級產(chǎn)品和工控領(lǐng)域的任務(wù)。這種開發(fā)方式受到廣大開發(fā)者的好評。

但是這種較為普遍的物聯(lián)網(wǎng)對接方案也有缺陷，對于開發(fā)者而言，以TI的射頻芯片為例，既有帶MCU的芯片，也有純射頻芯片很多的企業(yè)，其企業(yè)工程師具備的能力也是有限的，適應(yīng)了常年的嵌入式開發(fā)后并不容易做好射頻芯片的開發(fā)，時間成本無疑還是需要考慮。使用熟悉的MCU，硬件接口都是一樣的，可以快速開發(fā)出產(chǎn)品。同時射頻芯片的市場成熟度遠不如主流MCU，將其作為重要的無線傳輸節(jié)點開發(fā)也具有一定風險。第一種將射頻芯片作為模塊化使用雖然降低了一定的效率，但是使用嚴格的AT指令可以保證傳輸?shù)姆€(wěn)定性，選擇模塊化開發(fā)是一種既經(jīng)濟又有效益的方式，這是本方案提供的主要思路。

3?ESP8266模塊的控制——AT指令

單片機與ESP8266-01Wi-Fi通信模塊的通信主要通過 串口中斷處理程序來完成。單片機的RxD接口與模塊的TX連 接，單片機的TxD接口與模塊的RX連接。

在執(zhí)行代碼之前，模塊要先設(shè)定好什么模式，用串口助手發(fā)送AT指令配置。將模塊設(shè)定為server端，生成一個WiFi，獲取IP、MAC等信息，這個時候使用手機客戶端嘗試連接即可，這幾步之后，模塊就可以連接已經(jīng)啟動好的單片機，到這兒基本就可以實現(xiàn)簡單的通訊。這是二者通信開發(fā)的一個雛形，真正的問題在于如何制定一個數(shù)據(jù)傳輸規(guī)范，ESP8266在此方案下作為串口透傳模塊使用，具有極強的可操作性，目前行業(yè)對模塊化串口傳輸規(guī)范依然存在空缺。不同的傳輸格式對傳輸速率、丟包率、誤碼率均有較大影響。

結(jié)語：針對互聯(lián)網(wǎng)接入的功能需要，通過總體設(shè)計、傳輸方式選擇、軟件設(shè)計和軟硬件調(diào)試可以完成MCU與物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)控系統(tǒng)的對接。該系統(tǒng)經(jīng)過測試可以達到較好的傳輸效果，較低的丟包率，由于采用分立式架構(gòu)數(shù)據(jù)傳輸與MCU的數(shù)控功能并不沖突，同時降低開發(fā)學習的成本和有效地解決單個射頻芯片的運算局限性，其局限性就是缺少相關(guān)的行業(yè)規(guī)范，隨著物聯(lián)網(wǎng)的興起這一點正在漸漸被完善。綜上所述本方案是一種較為現(xiàn)實的方案。

參考文獻：

[1] 陳海宴.單片機原理及應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2010.

[2]馬建.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論[M].北京：機械工業(yè)出版社，2011.

[3]王偉.李樹榮.基于8051單片機溫度采集及無線發(fā)送[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011.