智能光通信物聯(lián)網(wǎng)背景下嵌入式控制關(guān)鍵設(shè)計分析

張康瑞

（桂林創(chuàng)研科技有限公司，廣西 桂林 541004）

0 引 言

近年來，物聯(lián)網(wǎng)工程的概念得到了較為廣泛的認(rèn)識，各行各業(yè)也逐漸將單獨的產(chǎn)品進(jìn)行組網(wǎng)，實現(xiàn)各產(chǎn)品數(shù)據(jù)的實時交互以及融合控制，進(jìn)而滿足實際應(yīng)用需求[1]。光通信產(chǎn)業(yè)鏈基本包含光器件（含芯片、光模塊）、光纖（光纜）、光設(shè)備3部分[2]。其中光器件包含光模塊類產(chǎn)品、雪崩管、激光器等，而光設(shè)備則包含光時域反射儀、光開關(guān)、光交叉、線路自動保護(hù)以及多路復(fù)用發(fā)生器等。近年來，為了適應(yīng)各種各樣的應(yīng)用場景，將各類型光設(shè)備進(jìn)行組網(wǎng)，以實現(xiàn)特定功能[3]。各個設(shè)備之間保持良好的信息交互，同時加入了一定的控制算法，例如自動切換、功能開關(guān)、告警提交等，逐漸形成了一種由光設(shè)備組成的光通信物聯(lián)網(wǎng)[4]。這種光通信物聯(lián)網(wǎng)主要應(yīng)用在線路保護(hù)、振動傳感、中斷位置預(yù)測等方面，各類型的應(yīng)用最終通過上位機(jī)等形式將數(shù)據(jù)或結(jié)果提交給用戶，并對整個鏈路進(jìn)行一定的改動[5]。

光通信物聯(lián)網(wǎng)系列應(yīng)用一般需要考慮時效性、穩(wěn)定性等指標(biāo)。時效性指標(biāo)主要體現(xiàn)在光層面切換指標(biāo)出現(xiàn)時整個或部分光通信物聯(lián)網(wǎng)由不穩(wěn)定到穩(wěn)定的時間。穩(wěn)定性指標(biāo)指在各種應(yīng)用環(huán)境中能夠正確處置突發(fā)事件并將信息上報，主要依賴硬件設(shè)備的穩(wěn)定性和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目刂品绞健；诖耍瑢τ绊懝馔ㄐ盼锫?lián)網(wǎng)時效的嵌入式設(shè)計進(jìn)行分析。

1 光通信物聯(lián)網(wǎng)控制組網(wǎng)形式分析

光通信物聯(lián)網(wǎng)控制組網(wǎng)方式的不同會影響光通信物聯(lián)網(wǎng)的時效性指標(biāo)，結(jié)合應(yīng)用實際，常見的控制組網(wǎng)形式有以下3種。

（1）層級遞進(jìn)組網(wǎng)形式。這種組網(wǎng)形式中一般有3種類型的設(shè)備，即底層設(shè)備、中間設(shè)備以及頂層設(shè)備。底層設(shè)備具有獨立的工作邏輯，主要功能為獲取器件原始數(shù)據(jù)、初加工數(shù)據(jù)以及操作具體器件。除此之外，底層設(shè)備之間一般連接有復(fù)雜的光路。中間設(shè)備數(shù)量不定，其主要功能為使用各類型通信協(xié)議完成中間設(shè)備之間或者其與底層設(shè)備的數(shù)據(jù)交互，同時其也可以進(jìn)一步加工數(shù)據(jù)并對下級設(shè)備進(jìn)行控制。頂層設(shè)備的主要功能是與最高層級的中間設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，是用戶進(jìn)行操作和展示的接口。這種組網(wǎng)形式層級和控制邏輯較為清晰，但稍不注意，途經(jīng)路由便會增加。層級遞進(jìn)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 層級遞進(jìn)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)

（2）單層組網(wǎng)形式。這種形式下各類設(shè)備互相進(jìn)行數(shù)據(jù)交互并根據(jù)交互結(jié)果自動完成操作，最終由某一個底層設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)總結(jié)，再將數(shù)據(jù)提供給客戶。這種組網(wǎng)形式大多只有一層，不適用于較大型的應(yīng)用場景。單層組網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 單層組網(wǎng)結(jié)構(gòu)

（3）混合組網(wǎng)形式。這種組網(wǎng)融合了層級遞進(jìn)和單層組網(wǎng)，在每層級內(nèi)或跨層級設(shè)備之間加入數(shù)據(jù)交換的功能，依據(jù)同層級或跨分支設(shè)備關(guān)系的緊密性對同層或跨分支設(shè)備之間是否進(jìn)行通信做出決策，該組網(wǎng)形式下的應(yīng)用邏輯較為復(fù)雜。混合組網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 混合組網(wǎng)結(jié)構(gòu)

2 光通信物聯(lián)網(wǎng)時效性指標(biāo)制約因素分析

實際業(yè)務(wù)中，切換時間等時效類參數(shù)是重要的考核指標(biāo)之一，其實際體現(xiàn)的是從使能發(fā)生到實際操作之間的時間差。使能不僅僅指單一的使能信號，其往往由多個底層設(shè)備捕捉，捕捉后向上級設(shè)備提交，每個中間設(shè)備都會判斷該信息是否為本設(shè)備應(yīng)解析或處理的信息，不是便繼續(xù)向上傳送。如果該信息屬于該設(shè)備處理，便解析信息并向下發(fā)送指令，之后將整合的數(shù)據(jù)繼續(xù)向上發(fā)送。相較于傳遞過程，雖然底層設(shè)備內(nèi)部器件的性質(zhì)也會影響時效性，但其不屬于主要影響因素，且相應(yīng)的影響只能通過更換器件優(yōu)化，故可忽略。在忽略器件影響的情況下，時間耗費主要發(fā)生在設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交互及芯片信息處理方面。從途經(jīng)鏈路角度分析，此過程經(jīng)過多層中間設(shè)備再返回底層設(shè)備，使能信息經(jīng)歷了多個傳遞和處理的過程，這部分耗時可以優(yōu)化。

從傳遞時的嵌入式程序設(shè)計方面分析，每個最低層級的中間層設(shè)備都會通過串口、網(wǎng)口等方式與底層設(shè)備通信。內(nèi)部芯片的管腳有限，在某些情況下，上級設(shè)備不得不使用同一個通信接口與眾多下級設(shè)備通信。在下級設(shè)備較多的情況下，由于各設(shè)備同時向上傳送會造成接口堵塞，因此只能使用一些輪詢查詢下級設(shè)備信息的方式獲取其信息。這種方式循環(huán)一次才能更新全部的下級設(shè)備信息，造成信息更新延遲。在中間層設(shè)備通信之間，輪詢依然會影響信息更新的速度。尤其在下級設(shè)備的設(shè)備信息沒有變更時，仍然對該設(shè)備進(jìn)行查詢，占用一定的時間資源。

3 解決方法

3.1 優(yōu)選控制算法在控制網(wǎng)中的位置

不同應(yīng)用情景包含著不同的控制算法，不同的控制算法其放置位置也并不相同。

對于層級遞進(jìn)的組網(wǎng)方式，控制算法等放在離各判斷所需的底層設(shè)備最近層級的設(shè)備中，盡可能減少途徑的鏈路。對于層數(shù)為N的層級遞進(jìn)組網(wǎng)（底層設(shè)備層數(shù)記為1，頂層設(shè)備層數(shù)記為N），如果在頂層設(shè)備進(jìn)行邏輯判斷，判斷后再將設(shè)置指令返回底層，共需經(jīng)過2N-3個設(shè)備進(jìn)行處理。如果在R（R＜N）層進(jìn)行處理，經(jīng)過的設(shè)備數(shù)僅為2R-3。設(shè)備光通信網(wǎng)信息傳遞過程中的鏈路長度與傳遞時間呈正相關(guān)，將操作的判定放置在與底層設(shè)備最近的節(jié)點處，能夠降低途徑鏈路長度，進(jìn)而減少時延。

對于混合組網(wǎng)的形式，則對各種需要滿足的應(yīng)用情景進(jìn)行模擬，根據(jù)模擬結(jié)果確定最優(yōu)的控制程序放置位置。由于混合組網(wǎng)模式較為復(fù)雜，因此此類組網(wǎng)往往選用編寫程序的方式進(jìn)行模擬。首先，不考慮控制組網(wǎng)，單獨對底層設(shè)備外的光鏈路進(jìn)行模擬，通過模擬可以得出各底層設(shè)備是否會滿足使能條件，即外部光路的改變能否促使底層設(shè)備發(fā)生信息改變或告警。模擬時尤其需注意外部光路長度等的模擬，在實際應(yīng)用中，外部光路有時會導(dǎo)致底層設(shè)備獲得使能的時間產(chǎn)生毫秒級的時間差，此時間差會影響具體的控制邏輯。例如分光器兩端分別經(jīng)過30 km光纖和180 km光纖與兩個光探測器相連，當(dāng)分光器入口光源拔出，線路末端兩個關(guān)于光強(qiáng)的告警存在著時間差，此時間差經(jīng)常會造成邏輯失效。外部光路的模擬主要包含鏈路長度和鏈路節(jié)點的模擬，其中光路節(jié)點主要模擬光路的走向和由接頭損耗等造成的光衰，鏈路長度主要使用光纖的長度、衰減系數(shù)等指標(biāo)進(jìn)行模擬。其次，對控制邏輯的放置位置進(jìn)行時間模擬。每個設(shè)備節(jié)點的分枝數(shù)均不一致，先計算出所有可能的控制信息傳遞路徑，然后計算各途徑路由所經(jīng)歷的時間。時間以第一個使能條件滿足開始，以最后一個底層設(shè)備收到操作指令結(jié)束。最后，對底層設(shè)備接受指令之間的時間差進(jìn)行模擬，明確該時間差內(nèi)光鏈路特性是否發(fā)生改變、改變的鏈路特性是否會重新反饋至底層設(shè)備、反饋至底層設(shè)備的信息是否會引起控制算法生效以及此場景下生效的控制算法所帶來的結(jié)果是否符合應(yīng)用場景要求等。各底層設(shè)備收到上級設(shè)備發(fā)來的指令會存在一定的先后性，由于底層設(shè)備收到指令便進(jìn)行操作，因此會產(chǎn)生時間差，該時間差有可能導(dǎo)致意外情況發(fā)生。通過以上步驟，最終可以尋找出能夠穩(wěn)定實現(xiàn)該應(yīng)用場景且耗時最少的控制算法具體放置位置。

3.2 底層設(shè)備融合

上級設(shè)備輪詢查詢底層設(shè)備，每個底層設(shè)備在同一輪詢內(nèi)只會查詢一次，信息的更新速度較低。在無放置地點等因素的限制時，可以將底層設(shè)備進(jìn)行融合，即將多個底層設(shè)備通過硬件設(shè)計等整合為一個設(shè)備，這種情況下刪減了輪詢查詢步驟。

3.3 變更輪詢查詢

如果已知光通信控制網(wǎng)某一部分發(fā)生更改的概率較小，這種情況下發(fā)生更改的設(shè)備先將是否更改的信息提示發(fā)至某一個固定設(shè)備中，上級設(shè)備每隔一段時間查詢更改提示信息，變主動輪詢查詢?yōu)楦暮笤俨樵儭Ｐ枰⒁獾氖牵朔椒▋H適用于改動幾率較小的控制網(wǎng)組分支。

4 結(jié) 論

光通信物聯(lián)網(wǎng)對于控制時效性的要求較高，控制算法的放置位置所造成的路由冗余、查詢方式的不合理均會導(dǎo)致時延較長。對于此類問題，可通過優(yōu)化控制算法放置位置、底層設(shè)備融合以及變更查詢方式進(jìn)行改善。