基于ASR1601的物聯網4G模塊數據透傳軟件設計

［鄭文波］

1 應用背景

4G cat1 IoT模塊廣泛應用在物聯網行業，如遠程抄表、遠程監控、公網無線對講機等等。

在實際的應用中多采用MCU+IoT模塊的方式來實現數據傳輸，MCU 通過與其連接的傳感器實現數據的采集，然后通過AT 命令控制IoT模塊實現數據端到端或端到云的數據傳輸。

IoT模塊一般都有完整的AT 命令集。MCU 可以通過命令集中的數據傳輸子集，實現數據的傳輸，包括數據的接收和發送。由于數據傳輸子集中的AT 命令多數是異步執行的，這就帶來兩個問題。問題一是MCU 側的控制部分軟件編碼復雜，尤其是對很多應用中MCU 是功能簡單的單片機，程序是單任務的。問題二是無論數據的發送和接收，都是通過AT 命令一條一條的執行，兩個AT 命令之間必須有一定的時間間隔，這樣數據的傳輸的整體效率就不高。

為了克服MCU 數據傳輸部分的編程復雜和數據傳輸的整體效率不高這兩個缺點，同時又要保證IoT模塊的通用性。在保留原有的AT 命令集不變的情況下，增加了數據透傳功能。數據透傳功能可以有效的克服前面提到的兩個缺點，因此，受到無線數據傳輸行業應用開發者的普遍歡迎。

2 功能設計

2.1 配置功能

IoT模塊開機后默認是AT 命令模式，在這個模式下MCU 可以通過AT 命令和IoT模塊交互。

通過專用的數據透傳AT 命令AT+VTRANS，MCU可以命令IoT模塊進入數據透傳模式。在數據透傳模式下，模塊將暫時不能接收AT 命令，直到模塊退出數據透傳模式。

2.2 數據緩沖

數據傳輸分為上行（如圖1 所示）和下行（如圖2 所示），上行指MCU 發送數據給IoT模塊，通過IoT模塊發送到網絡，下行指IoT模塊從網絡側接收數據，然后通過AT uart 口發送給MCU。buffer A 中的數據發送完后，buffer A 和buffer B 可以快速切換，接著把buffer B 中的數據發送到網絡側，同時，如果MCU 有數據發送給IoT 時，就可以緩存到buffer A 中。下行數據傳輸類似。

圖1 上行數據流

圖2 下行數據流

如果某些應用場合，MCU 和IoT 之間數據傳輸的數據特點是：小包、頻繁。那么可以進一步優化buffer的設計，增加buffer的數量，這些buffer 按順序輪換，同時提高了MCU 與IoT模塊之間數據傳輸和IoT模塊與網絡側之間數據傳輸的效率，進而提高了整體的上行數據傳輸效率。如此設計buffer，下行數據傳輸也一樣可以提高效率。

2.3 數據流控

在數據傳輸時，某些情況下會出現吞吐率A 和吞吐率B 嚴重不匹配的情況，比如上行當AT uart 吞吐率持續大于IoT模塊發送到網絡的吞吐率時，即使有buffer 緩存數據，buffer 也存在溢出的風險，數據一旦有溢出，那么就意味著數據中傳輸的過程中發生了部分丟失，即數據傳輸變得不可靠，這在實際應用中是不可接受的。

為了避免由于數據buffer 溢出而導致的數據丟失，必須進行數據流控。當數據buffer 中的數據量達到流控閥值上限時，啟動流控，通知數據發送方暫停數據的發送，直到buffer 中的數據量下降到流控閥值下限。

MCU 和IoT模塊之間通過AT uart 傳輸數據的速率，我們這里姑且稱為吞吐率A，與IoT模塊和網絡之間的數據傳輸速率，我們姑且稱為吞吐率B。理想的結果是吞吐率A 和吞吐率B 在任何情況下都是匹配的。上行發送數據時，MCU 通過AT uart 丟給IoT模塊的數據，IoT模塊馬上通過網絡發送出去。下行接收網絡側的數據是，IoT模塊接收到數據，馬上通過AT uart 丟給MCU。

實際的情況是吞吐率A 和吞吐率B 經常不匹配，導致數據傳輸時出現丟失數據的現場。我們采用增加數據buffer的方式來解決這個問題，即通過適當的數據緩存，來達到減少數據丟失的概率，增加上行和下行數據傳輸的效率。

為了進一步提高數據傳輸的效率，減少因為數據buffer 被占用，而導致數據傳輸效率受影響的情況發生，我們采用了乒乓buffer 來緩存數據。上行傳輸數據時，即使buffer A 中的數據正在上傳到網絡側，那么buffer B還可以用于接收緩存MCU 發送給IoT模塊的數據。當

2.4 維護長連接

在數據透傳建立的過程中，可能會由于基站、終端受到干擾等原因，導致數據連接建立的過程中，出現異常。在數據建立連接后，在數據傳輸過程中或者在等待數據傳輸時，連接也可能出現異常，導致SOCKET 關閉，數據連接斷開。

當出現連接異常時，要根據異常的不同情況，采取不同的處理方法，去嘗試恢復連接，目的是維持持續的數據連接。

2.5 心跳功能

IP 資源是有限的，運營商為了基于有限的IP 資源，為盡可能多的無線數據終端提供數據服務，會定時清理長時間處于無數據收發狀態（稱為idle 狀態）的終端。

當數據終端處于idle 狀態持續時間超過運營商設定的時間（電信數據服務器的這個時間參數設置為6 分鐘），運營商的數據服務器就會強制釋放連接，并收回終端占用的IP。

有些應用中需要持續的數據連接，那么就要通過發送心跳包的方法，避免終端處于idle 狀態持續時間超過運營商允許的最長時間。

3 流程設計

3.1 建立連接與數據透傳功能

建立數據連接的過程分為兩步，如圖3 所示，第一步是PPP 撥號，第二步是創建SOCKET。

圖3 SOCKET 創建流程

本文所述的IOT模塊PPP撥號對應的AT命令格式為：

參數說明：

示例：AT+CGDATA=”PPP”,1

PPP 撥號成功后，接著需要為數據連接創建SOCKET。SOCKET 用于描述IP 地址和端口，是一個通信鏈的句柄，可以用來實現不同虛擬機或不同計算機之間的通信。

創建SOCKET 前，需要選擇協議的類型。本文所述的IoT模塊支持TCP/IP UDP 兩種協議。MCU 可以在發給IoT模塊建立數據透傳的AT 命令中通過參數設置在兩種協議中選擇其一。

在IoT模塊和數據接收端之間，建立一個用于數據傳輸的SOCKET，并且維持該SOCKET 持續有效。在端到端或端到云之間建立一個數據傳輸的數據通道。數據通道一旦成功創建，MCU 就可以直接把數據發送給IoT模塊，而不需要每次發送數據前都要發送一堆的AT 命令來判斷網絡狀態和創建數據連接。這樣就實現了數據的透傳功能。

3.2 異常情況的處理

3.2.1 建立過程中的異常

（1）無網絡服務

建立數據透傳之前，先查詢一下終端有沒有注冊到網絡，如果已經注冊到網絡，就繼續查詢一下是否有基站的網絡服務，如果沒有注冊到網絡或者沒有網絡服務，就上報錯誤信息給MCU。MCU 可以一段時間后再重新嘗試連接。

（2）PPP 撥號失敗

出現PPP 撥號失敗時，如果重新嘗試數次后還是不成功，可能的原因有：運營商網絡原因，終端的SIM 卡欠費等。嘗試次數達到了設定的最大次數，就放棄PPP 撥號，同時通過AT uart 口上報給MCU。

（3）SOCKET 無法打開

PPP 撥號成功后，終端會或獲得有效的IP 地址。接著就可以嘗試打開SOCKET。如果打開失敗，可以再嘗試幾次。如果嘗試幾次后還是無法成功打開SOCKET，就要關閉PPP，重新打開PPP，然后再嘗試去打開SOCKET。如果這樣的操作循環嘗試數次后還是無法打開SOCKET，就通過AT uart 口上報給MCU。這種情況最可能的原因是目標服務器有異常。

3.2.2 長連接狀態下的異常

（1）SOCKET 異常關閉

導致SOCKET 異常關閉的常見原因有：目標服務器主動關閉、目標服務器異常、運營商網絡異常、由于信號不好等原因導致的終端接收靈敏度大幅下降等。

SOCKET 異常關閉后，可以重新嘗試打開SOCKET。如果嘗試次數達到最大限制次數，還是無法成功打開SOCKET，就關閉PPP，然后重新嘗試打開PPP 連接和SOCKET。如果嘗試次數達到最大限制次數，還是無法打開SOCKET，就放棄建立連接，把錯誤信息通過AT uart口上報給MCU。

（2）SOCKET 和PPP 同時斷開

如果SOCKET 和PPP 同時斷開，就按照打開PPP，打開SOCKET的順序重新建立連接，前面有闡述，就不再重復。

（3）SOCKET 未斷開，數據始終發送不成功

如果連續發生數次數據發送失敗時，就說明當前的連接出現了問題，這時候就要嘗試斷開當前的連接，然后重新建立數據透傳。為了避免建立的過程中MCU 繼續發送數據給IoT模塊，進而導致因buffer 溢出而丟失數據，IoT模塊發現有數據連續發送失敗時，要把錯誤信息通過AT uart 口上報給MCU，然后再開始嘗試重新建立連接。建立連接成功后，通過AT uart 口上報給MCU，MCU 就可以繼續發送數據給IoT模塊。

4 數據結構

為了實現數據透傳功能，設計了一個數據結構體DataMngrT。

4.1 結構體定義

4.2 結構體解析

數據結構體的解析如表1 所示。

表1 數據結構解析

5 數據透傳功能的應用效果

選相同型號的兩個IoT模塊，一個采用逐條AT 命令的方式，另外一個采用數據透傳的方式，在相同的網絡環境下做數據收發的對比測試，實測數據如表2 所示。

表2 數據收發實測

由實驗測試數據可以看到，在持續收發數據應用場景下，數據透傳模式有明顯的速率優勢。

支持數據透傳模式的IoT 軟件版本發布后，用戶使用一段時間之后，我們收到了用戶很好的反饋。總結一下主要有兩點：一是MCU 側收發數據的編程簡單了；二是收發數據速率明顯提高了。

版本經過一段時間的測試和實際產品使用驗證穩定后，我們在其他型號的IoT模塊中也移植了該功能。此后，數據透傳功能成為我司IoT模塊的標配功能。