物聯(lián)網(wǎng)是在互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，將用戶與物品或者物品與物品用互聯(lián)網(wǎng)進行連接，并通過互聯(lián)網(wǎng)進行信息交換和通信的一種概念。物聯(lián)網(wǎng)主要通過信息采集設(shè)備以及能夠?qū)⑦@些信息采集設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng)的終端平臺來實現(xiàn)。近年來，嵌入式系統(tǒng)以其功能完善，設(shè)計方案靈活，功耗可控制等特點，已廣泛應(yīng)用于生活、商業(yè)、醫(yī)療以及工業(yè)等各個領(lǐng)域。比起通用計算機來，嵌入式系統(tǒng)具有針對性更強、體積更 小，成本更低等優(yōu)點，是物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域應(yīng)用設(shè)計的首選方案。對于一些數(shù)據(jù)量不大，傳輸速率要求不高的應(yīng)用，要考慮用較低的成本實現(xiàn)最可靠的物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。
一. 平臺硬件設(shè)計
1.1 平臺結(jié)構(gòu)及原理
該平臺采用ATMEL公司AT91SAM7X512處理器作為主控芯片，該處理器內(nèi)部集成了以太網(wǎng)控 制器、512kbytes FALSH以及128kbytes SRAM。只需外接一片以太網(wǎng)物理層(PHY)收發(fā)芯片DM9161和一個網(wǎng)絡(luò)變壓器HR601680，即可構(gòu)成以太網(wǎng)終端硬件平臺。 AT91SAM7X512采用3.3 V和1.8 V雙工作電壓，使用頻率為18.432 MHZ的晶振作為時鐘電路的振蕩源，調(diào)試電路采用標(biāo)準(zhǔn)的20針JTAG仿真調(diào)試接口。該方案成本低，功耗小，并且所用芯片集成度很高因而保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定 性。
AT91SAM7X512的以太網(wǎng)控制模塊實現(xiàn)了一個與IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)兼容的以太網(wǎng)MAC，支持全雙工模式，可通過DMA 方式進行數(shù)據(jù)收發(fā)。當(dāng)物理層芯片DM9161接收到來自以太網(wǎng)的上位機數(shù)據(jù)時，ARM通過MII接口(媒體獨立接口)讀取數(shù)據(jù)，并在內(nèi)部通過DMA方式將 數(shù)據(jù)讀入 SRAM中交給TCP/IP協(xié)議棧進行處理。同時，當(dāng)RFID射頻讀卡器或者傳感模塊有數(shù)據(jù)需要傳輸時，平臺也能沿著相同的通道將數(shù)據(jù)傳輸至上位機。系統(tǒng) 整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理示意圖
1.2 AT91SAM7X512和DM9161的接口電路設(shè)計
AT91SAM7X512的以太網(wǎng)控制器和物理層收發(fā)芯片 DM9161之間有MII(Media Independent Interface)和RMII(Reduced Media Independent Interface)兩種接口。這兩種接口都能夠工作在10 Mb/s和100 Mb/s共兩種速率下，在本設(shè)計中采用MII接口。MII數(shù)據(jù)接口總共需要16個信號，包括 TX_ER，TXD《3：0》，TX_EN，TX_CLK，COL，RXD《3：0》，RX_EX，RX_CLK，CRS，RX_DV 等，在時鐘速率25 MHz的情況下以4-bit并行方式發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。以太網(wǎng)控制器依靠MDIO接口與物理層芯片進行通信，用于自動協(xié)商期間確保以太網(wǎng)控制器和物理層芯片 被配置為相同的速度和雙工模式。AT91SAM7X512和DM9161的接口電路如圖2所示。
圖2 以太網(wǎng)接口電路原理圖
當(dāng)系統(tǒng)上電后，由AT91SAM7X512給DM9161提供復(fù)位信號及引腳初始化電平，完成DM9161的上電初始化工作。當(dāng)初始化完成后，系統(tǒng)會通過MII接口讀取DM9161內(nèi)部狀態(tài)寄存器的值來完成對網(wǎng)絡(luò)連接模式和連接狀態(tài)的檢測。
二. 平臺軟件的實現(xiàn)
2.1 TCP/IP協(xié)議棧的移植
LwIP是瑞典計算機科學(xué)研究院(SICS)設(shè)計的一個開源的輕量級TCP/IP協(xié)議棧。它的目的是減少內(nèi)存使用率和代碼大小，使LwIP能夠適用于資源緊張的嵌入式系統(tǒng)。利用μC/OS-Ⅱ提供的信號量和消息傳遞機制等系統(tǒng)服務(wù)可以實現(xiàn)對LwIP的移植。
2.1.1 信號量操作函數(shù)
LwIP 使用信號量進行通信，這個信號量可以是計數(shù)信號量，也可以是二值信號量，所以在sys_arch中需要實現(xiàn)與信號量操作相關(guān)的信號量結(jié)構(gòu)體struct sys_sem_t、信號量建立函數(shù)sys_sem_new()、信號量釋放函數(shù)sys_sem_free()、信號量發(fā)出函數(shù) sys_sem_signal()和信號量等待函數(shù)sys_arch_sem_wait()。由于在μC/OS-Ⅱ中已經(jīng)實現(xiàn)了與信號量操作有關(guān)的各種函 數(shù)，而且功能和上述幾個LwIP中所需要實現(xiàn)的函數(shù)的功能是完全一致的，所以只要調(diào)用μC/OS-Ⅱ中的信號量操作函數(shù)來重新包裝成LwIP中的信號量操 作函數(shù)即可。
2.1.2 郵箱操作函數(shù)
LwIP使用郵箱來進行消息傳遞，用戶可 以用一個隊列來將其實現(xiàn)，需要注意的一點是，投遞進郵箱中的消息只能是一個指針。因此要根據(jù)以上要求來實現(xiàn)消息隊列結(jié)構(gòu)sys_mbox_t，以及相應(yīng)的 操作函數(shù)：sys_mbox_new()、 sys_mbox_free()、sys_mbox_post()和sys_arch_mbox _fetch()。μC/OS-Ⅱ很好地實現(xiàn)了消息隊列結(jié)構(gòu)及其操作，為消息隊列提供了豐富的管理函數(shù)，但μC/OS-Ⅱ沒有對消息隊列中的消息進行管 理，因而不能直接使用，必須在μC/OS-Ⅱ的基礎(chǔ)上重新實現(xiàn)。具體實現(xiàn)時，可創(chuàng)建多個郵箱，并使用單向鏈表將這些郵箱鏈接在一起，每個郵箱可接收消息的 數(shù)量由消息數(shù)組的大小來決定。對消息隊列本身的管理用μC/OS-Ⅱ中的隊列操作函數(shù)來完成，然后通過對鏈表的操作來實現(xiàn)對消息的創(chuàng)建、使用、刪除和回 收，兩部分綜合起來形成了LwIP的郵箱功能。
2.1.3 創(chuàng)建新線程函數(shù)
在 μC/OS-Ⅱ中只有任務(wù)的概念，建立一個新的線程實際上就是建立一個新的任務(wù)。因此只需要把OSTaskCreate()封裝一下，就可以實現(xiàn) sys_thread_new()。需要注意的是當(dāng)前μC/OS-Ⅱ 不支持時間片輪番調(diào)度法，不允許兩個或兩個以上的任務(wù)有同樣的優(yōu)先級，所以用戶要事先為LwIP中創(chuàng)建的線程分配好優(yōu)先級。通過對LwIP中的宏 TCPIP_THREAD_PRIO進行包裝，來避免TCPIP線程優(yōu)先級與其他線程相同。
2.1.4 定時器函數(shù)
LwIP中每個線程都有一個timeouts鏈表，這個鏈表在建立之后其首地址必須固定。因此用于保存鏈表首地址的sys_timeouts結(jié)構(gòu)必須與 線程一一對應(yīng)，而且其地址不能改變，以便能夠隨時得到鏈表的首地址。可用一個靜態(tài)的sys_timeouts結(jié)構(gòu)數(shù)組來存放各個線程的鏈表，以線程的優(yōu)先 級號來作為數(shù)組索引號，這樣每一個線程就能對應(yīng)一個sys-timeouts結(jié)構(gòu)體了，并且在系統(tǒng)運行期間對應(yīng)的結(jié)構(gòu)體數(shù)組成員的地址會一直固定不變。移 植時通過實現(xiàn) stmctsys_timeouts*sys_arch_timeouts(void)函數(shù)，來返回目前正處于運行態(tài)的線程所對應(yīng)的timeouts隊列 指針。
2.2 驅(qū)動程序
操作系統(tǒng)是通過各種驅(qū)動程序來和各種硬件打交道的，驅(qū)動 程序為用戶屏蔽了各種各樣的硬件設(shè)備，而只提供了簡單明了的函數(shù)接口給操作系統(tǒng)調(diào)用。LwIP已經(jīng)設(shè)計好了這些框架，用戶只需嚴(yán)格按照順序完成與底層硬件 相關(guān)的部分即可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接口層和IP層的通信。需要實現(xiàn)的包括：底層網(wǎng)絡(luò)接口初始化函數(shù)ethernetif_init()、網(wǎng)卡接收函數(shù) ethernetif_input()、網(wǎng)卡發(fā)送函數(shù) ethernetif_output()和網(wǎng)卡中斷處理函數(shù)ethernetif_isr()等。驅(qū)動程序完成了對設(shè)備的初始化、釋放和管理，并且完成對 底層以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包的接收、搬運和發(fā)送。
2.3 應(yīng)用程序
系統(tǒng)應(yīng)用程序的任務(wù)主要是在嵌入式平臺上實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信客戶端和HTTP 網(wǎng)頁服務(wù)器兩方面的功能。利用LwIP提供的API，采用TCP協(xié)議客戶端到服務(wù)器通信的模式，實現(xiàn)嵌入式終端和上位機之間的通信。在這種模式下，嵌入式 終端定義為客戶端，主動向服務(wù)器發(fā)起TCP連接;而上位機(PC)定義為服務(wù)器端，始終監(jiān)聽來自網(wǎng)絡(luò)的連接。嵌入式終端主要負(fù)責(zé)采集來自于傳感器或 RFID模塊的數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳送給上位機。同時嵌入式終端平臺上也運行著一個HTTP網(wǎng)頁服務(wù)器，上位機(PC)可通過網(wǎng)頁對嵌入式終端 平臺進行訪問、查看和設(shè)置。
三. WEB服務(wù)器的實現(xiàn)
HTTP定義了瀏覽器與服 務(wù)器交互的不同方法，最基本的方法有4種。本系統(tǒng)的實現(xiàn)只涉及到GET和POST這兩種最基本的方法。GET一般用于向服務(wù)器獲取和查詢資源信息，而 POST一般用于向服務(wù)器上傳和更新沒有長度限制的、大容量的資源信息。一個基本的WEB服務(wù)器要實現(xiàn)動態(tài)網(wǎng)頁服務(wù)的關(guān)鍵是要能夠?qū)g覽器發(fā)送的GET或 POST請求做出響應(yīng)。一般情況下制作動態(tài)網(wǎng)頁需要使用語言：HTML+ASP或 HTML+PHP或HTML+ JSP等。要在資源有限的嵌入式系統(tǒng)上實現(xiàn)這樣的功能是不現(xiàn)實的，一種明智的辦法是通過使用回調(diào)函數(shù)的方式，為瀏覽器的每一種請求都設(shè)計一個服務(wù)函數(shù)與之 對應(yīng)。當(dāng)有新增加的GET或POST請求時，則只需要增加相應(yīng)的服務(wù)函數(shù)即可。具體實現(xiàn)時可設(shè)計一個存放服務(wù)函數(shù)地址的結(jié)構(gòu)體，其成員包括所請求服務(wù)參數(shù) 的長度、名稱和對應(yīng)服務(wù)函數(shù)的地址。然后將所有的結(jié)構(gòu)體都初始化在一個數(shù)組中。
在編寫應(yīng)用程序的時候，只需抓取瀏覽器所發(fā)送的請求類型 和參數(shù)，即可根據(jù)不同的請求來調(diào)用相應(yīng)的服務(wù)函數(shù)。當(dāng)有新的GET或者POST請求增加時，只需要增加與之對應(yīng)的服務(wù)函數(shù)即可，這樣就實現(xiàn)了擴展性很強的 動態(tài)網(wǎng)頁服務(wù)。WEB服務(wù)器響應(yīng)瀏覽器訪問的流程如圖3所示。
圖3 瀏覽器請求響應(yīng)流程圖
POST請求分為帶參數(shù)和不帶參數(shù)兩類，帶參數(shù)的POST請求，如：設(shè)置IP地址，子網(wǎng)掩碼等操作，需要提取相關(guān)參數(shù)后再調(diào)用服務(wù)函數(shù)進行處理。不帶參 數(shù)的POST請求只需直接調(diào)用相應(yīng)服務(wù)函數(shù)即可，如：重啟系統(tǒng)、恢復(fù)默認(rèn)參數(shù)等操作。遠端PC可以通過該動態(tài)WEB服務(wù)器來對平臺進行訪問，完成上述幾項 操作。在第一次啟動本系統(tǒng)時，系統(tǒng)通過運行DHCP客戶端程序，向DHCP服務(wù)器(路由器等設(shè)備)主動申請IP地址，獲得IP后，遠端PC即可通過該IP 地址對本系統(tǒng)進行訪問和設(shè)置。
四. 結(jié)束語
平臺采用AT91SAM7X512處 理器和DM9161以太網(wǎng)物理層芯片。兩者通過MII接口連接，高集成度的處理器提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性，降低了數(shù)據(jù)傳輸出錯機率。通過向終端平臺移植LwIP 協(xié)議，使終端具備連入以太網(wǎng)的能力，并通過調(diào)用函數(shù)的方式在該低成本平臺上實現(xiàn)了動態(tài)網(wǎng)頁服務(wù)器。在局域網(wǎng)條件下運行該終端和上位機PC進行連接，能很好 的通過網(wǎng)絡(luò)傳遞RFID讀卡器采集的信息，并且上位機PC能夠通過網(wǎng)頁對本終端進行訪問和參數(shù)設(shè)置。針對更復(fù)雜的遠程網(wǎng)絡(luò)連接和訪問，網(wǎng)絡(luò)延遲和丟包等問 題還有待進一步的研究。
