一種基于嵌入式腳本實現的NB-IoT內存優化通信方案設計

徐獻圣 張震

摘要：針對基于OpenCPU的NB-IoT模塊上作為兼任主處理器和數據傳輸功能時具有的內存壓力，該文設計一種嵌入式腳本Lua腳本語言實現NB-IoT模塊的內存優化方案。通過該方案，利用Lua腳本語言中自動內存管理和增量垃圾回收的特點彌補C語言的短板，從而優化內存空間，節省NB-IoT模塊資源的消耗，降低功耗。

關鍵詞：OpenCPU;嵌入式腳本;Lua;NB-IoT模塊;內存;優化

中圖分類號：TP393.409? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）25-0051-02

為了適應物聯網的發展，滿足更多的應用場景和市場需求，傳感網中誕生了一批適合物與物之間遠距離通信的無線通信技術，統稱為低功耗廣域網，即LPWAN。NB-IoT是一種工作于授權頻譜下的LPWAN，其具有廣覆蓋、低功耗、低成本、大連接等多個優點，深受國內物聯網企業的青睞。在傳統方案中，往往會將NB-IoT外接至MCU。這種方式主要由MCU接收傳感器采集的數據，再通過UART方式將數據傳至NB-IoT模組，最后上傳至云平臺[1-2]。肖磊[3]提出將OpenCPU應用到NB-IoT模組上，讓NB-IoT模塊本身成為處理器，這樣用戶能夠在NB-IoT模塊上同時實現數據采集和數據上云，降低了MCU成本，節省了MCU功耗，提高了系統的穩定性和數據上傳的實時效率。但是，由于處理器功能的轉移，是以犧牲NB-IoT模組的內部資源作為代價，影響自身的運行效率。

針對此類問題，本文提出一種基于Lua腳本語言實現內置中移M5311模組的LM-NB-M-01模塊通信的解決方案，以TCP協議傳輸作為使用案例。此方案將外圍設備數據獲取和TCP通信任務都交由Lua虛擬機處理，根據獲取的數據，決定是否調用啟動關于TCP通信任務的Lua腳本，由此節省NB-IoT模組資源的消耗，提升運行效率。

1 Lua腳本語言簡介

Lua[4-6]是一種遵循標準C寫成的輕量級嵌入式腳本語言，其具有擴展性好、簡單小巧、與平臺無關的特點。Lua提供了易于使用的擴展接口和機制，尤其是當C/C++作為其宿主語言時，它們之間很容易完成交互，如同本身就是內置的功能一樣，因此Lua非常方便移植到基于C語言的OpenCPU中使用，不會引起硬件增大消耗的額問題?；贚ua實現TCP協議傳輸的NB-IoT通信方案，主要依靠Lua的下列特點。

（1）Lua是動態類型語言，即其變量沒有預定義的類型，值才有類型，并且函數也可以看成是一個值。Lua還提供了一種通用類型的表，用它可以實現數組，哈希表，集合。這些特點使得Lua除了支持面向過程編程和函數式編程，還支持面向對象編程，彌補了C語言在設計上的短板。

（2）Lua簡單小巧，Lua5.3.4發行版所有標準庫加起來只有640kb大小，編譯后僅一百余K，能夠有效節省系統內部資源。

（3）Lua具有自動內存管理和增量垃圾回收功能。設計者不需要擔心如何管理資源，只需要分配內存，同時這個內存由Lua管理。當程序不需要某個對象時，Lua會自動刪除這個失效的對象，節省系統內部資源。

（4）Lua提供的協同進程機制使得Lua腳本作為獨立線程，與主程序和其他線程互不影響地同時工作，提升程序的運行效率。

2 設計方案介紹

本方案圍繞基于中移M5311 NB-IoT模組的LM-NB-M-01模塊與私有云平臺實現TCP通信來進行設計，系統設計方案框架如圖1所示，系統運行流程圖如圖2所示。

啟動LM-NB-M-01模塊，主程序建立OpenCPU任務，等待注冊網絡。網絡在線后，外圍傳感器設備開始將感知到的數據通過外設接口傳入至LM-NB-M-01模塊中，接著主程序對數據進行處理，判斷是否需要將數據傳上云平臺。例如數據在所設閾值范圍內，不向云平臺執行發送行為。這種情況在監測系統[7]尤為常見。當終端模塊判斷數據超過閾值時，需要發送報警信號給云平臺，此時創建Lua虛擬機，將編寫的TCP通信的C函數注冊到Lua虛擬機中，然后讀取Flash文件中獨立于C程序的Lua腳本文件，完成TCP任務。之后關閉虛擬機，依靠Lua本身特點自動收集垃圾并清理內存，節省內存資源。

私有云服務器的設計，采用IOCP高并發架構設計，通過花生殼內網穿透軟件，實現云服務器與私有內網服務器建立連接，同時把內網端口映射到云端。

3設計方案介紹

為了節省系統內部資源和提升程序的運行效率，本設計重點不在如何實現獲取或處理傳感器數據，而是著重于采用Lua與C語言混合編程的方案如何實現NB-IoT基于TCP協議的傳輸。具體步驟如下。

（1）將Lua移植到LM-NB-M-01模塊的OpenCPU環境

將Lua5.3.4源碼包中src目錄內部除了lua.c與luac.c外的所有.c和.h加入到M5311-OPENCPU_SDK 3.3.0中。由于OpenCPU采用make-clean編譯方式，因此可以使用Visual Studio Code IDE完成此項工作。但要編譯成功，還需要注意將Lua源碼中用到的clock（）、remove（filename）以及rename（fromname， toname）函數刪掉或修改，否則與原來OpenCPU的源碼有沖突。

（2）建立Lua與C交互環境

C與Lua之間通過C API進行交互，其關鍵在于構建一個虛擬的棧，通過操作棧上的值來實現API調用和C與Lua之間數據交換。

①通過以下格式創建Lua虛擬機。

lua_State *L = NULL;

L = luaL_newstate（）;? //創建Lua狀態機