基于嵌入式網絡的智能小區(qū)監(jiān)測系統(tǒng)研究

范 濤， 張子蓬，王淑青

(1 湖北工業(yè)大學計算機學院， 湖北 武漢 430068； 2 湖北工業(yè)大學電氣與電子工程學院，湖北武漢 430068)

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基于嵌入式網絡的智能小區(qū)監(jiān)測系統(tǒng)研究

范 濤1， 張子蓬1，王淑青2

(1 湖北工業(yè)大學計算機學院， 湖北 武漢 430068； 2 湖北工業(yè)大學電氣與電子工程學院，湖北武漢 430068)

提出了一種安全、可靠的嵌入式網絡的智能小區(qū)監(jiān)測系統(tǒng)，給出了嵌入式網絡互聯(lián)技術的接入方法，并設計嵌入式網絡接口。針對實際的應用，對標準的TCP/IP協(xié)議進行了精簡，改善了嵌入式網絡協(xié)議。為了解決數據在傳輸過程中的擁塞問題，通過RED算法的優(yōu)化，很大程度地提高了數據的傳輸效率和準確率，完善了智能小區(qū)監(jiān)測系統(tǒng)的性能。

智能小區(qū)； 網絡接口； 網絡協(xié)議； RED算法

隨著計算機技術和網絡技術的快速發(fā)展，各種電子設備趨于智能化、網絡化。同時隨著嵌入式技術的迅猛發(fā)展，產生了嵌入式網絡技術，嵌入式網絡技術是指電子設備通過嵌入式模塊直接接入網絡，以網絡為介質實現信息交互的技術。在嵌入式系統(tǒng)領域，以Internet技術為基礎，使嵌入式系統(tǒng)與網絡相互鏈接，實現嵌入式系統(tǒng)與Internet之間的資源共享、信息通信和狀態(tài)控制等功能[1]。智能小區(qū)即是利用計算機技術、網絡通信技術、自控技術，集系統(tǒng)、服務、管理于一體的高效、安全、便利的居住和生活小區(qū)。智能監(jiān)控小區(qū)作為信息社會的重要基礎設施，越來越受到人們的重視。本文就以嵌入式網絡技術為基礎來設計智能小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)，優(yōu)化了嵌入式網絡協(xié)議，并盡力解決數據在通信過程中網絡擁塞的問題。

1 智能小區(qū)監(jiān)測系統(tǒng)結構

智能小區(qū)的應用系統(tǒng)主要內容為：安保系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、設備監(jiān)測系統(tǒng)。遠程監(jiān)測是指本地計算機通過一定的網絡系統(tǒng)對遠端的計算機或智能設備進行監(jiān)測。其中，智能小區(qū)監(jiān)測系統(tǒng)主要由嵌入式控制單元、智能設備、以太網、網關、防火墻、Internet等組成(圖1)。在數據采集中，嵌入式控制單元負責數據采集、數據轉化、數據緩沖和數據通信；為了提高傳輸的速度和效率，選擇合適的通信協(xié)議；最后將數據傳送到Internet上供監(jiān)視人員遠程控制，若有緊急事件發(fā)生，則可以在最短時間內得到解決。

圖1 智能小區(qū)監(jiān)測系統(tǒng)結構

1.1 嵌入式網絡接口設計

通過為現有嵌入式系統(tǒng)增加因特網接入能力來擴展其功能，發(fā)展起來了一項新興技術，即非PC網絡接入，一般指智能設備通過嵌入式模塊而非PC系統(tǒng)直接接入到網絡，以網絡為介質來實現信息交互的過程。為了適應嵌入式分布處理結構和實際上的應用需求，嵌入式系統(tǒng)必須配有一種特定的網絡接口，這種接口能使嵌入式微控制器不僅可以實現傳統(tǒng)的控制功能，還可以實現與接入因特網相關的功能。嵌入式網絡系統(tǒng)硬件主要由單片機和以太網接口芯片組成。本例中，MCU單元以C8051FO2O單片機為核心進行數據采集、處理和通信。以太網接口芯片主要采用CP2200，它集成了IEEE802.3以太網媒體訪問控制器和10Base-Y物理層，具有的8位并行總線接口，同時可以使用復位和非復位方式尋址，CP2200被使能時，自適應功能會自動協(xié)商數據連接的速度和雙工方式。硬件設計簡圖見圖2。

圖2 嵌入式網絡接口的硬件設計簡圖

1.2 嵌入式控制單元設計

智能小區(qū)監(jiān)測系統(tǒng)的基礎部件是嵌入式控制單元，主要由A/D 轉換器、微控制單元(MCU)和網絡接口組成(圖3)。其中，A/D轉換器的功能是將智能設備采集到的模糊信號轉換成數字信號，以便于監(jiān)測和控制，然后將數字信號再通過通信協(xié)議(TCP/IP)進行長距離傳輸，以保證用戶遠程監(jiān)測系統(tǒng)獲得的是可靠信號，它主要的功能是進行數據處理、轉換和傳輸，保證了數據的可靠性傳輸。MCU可以實現人工智能的功能。

圖3 嵌入式控制單元的組成

2 嵌入式網絡協(xié)議

嵌入式網絡協(xié)議是以滿足嵌入式系統(tǒng)的實際需求為目的，通過對龐大、功能齊全的TCP/IP協(xié)議進行一定取舍，從而制定一套適用于嵌入式系統(tǒng)的并且能完成相應網絡功能的協(xié)議，即為嵌入式TCP/IP協(xié)議[2]?？紤]到嵌入式系統(tǒng)應用中硬件的多樣性和復雜性，完成的特定功能也各不相同，則軟件的設計必須在保證滿足特定功能的前提下，對代碼進行精簡，因此，選擇TCP/IP作為嵌入式網絡的通信協(xié)議，根據實際功能的需要，必須對TCP/IP協(xié)議簇進行必要的刪減，即實現一個精簡的TCP/IP協(xié)議簇，精簡的TCP/IP的層次結構[3]見圖4。

圖4 精簡的TCP/IP的層次結構圖

網絡協(xié)議主要可劃分為ARP模塊、ICMP模塊、IP模塊、TCP模塊。

ARP協(xié)議：該協(xié)議完成的主要功能是完成目的IP地址和MAC地址的映射。由于以太網上數據報的傳輸是采用網絡的MAC地址來進行識別的，這就需要通過ARP實現IP地址到MAC地址的轉換，同時也實現ARP報文的發(fā)送、接收、解析和管理ARP緩存表。

ICMP協(xié)議：該協(xié)議是IP層的一個重要組成部分，它的作用是報告處理一個IP數據過程中的錯誤，并提供管理和狀態(tài)信息，主要實現目的不可達差錯報文和ping查詢。

IP協(xié)議：IP協(xié)議提供的是不可靠、無連接的數據分組傳送服務，是TCP/IP的核心協(xié)議之一，它主要負責將數據傳輸到正確的接收方，所有的TCP、UDP、ICMP數據都以IP數據包的格式傳輸，該協(xié)議主要實現IP數據包的發(fā)送和接收。

TCP協(xié)議：TCP是一種面向連接的、可靠的通信協(xié)議。在進行實際數據傳輸前，會在信源端與信宿端之間建立一條連接，連接建立成功發(fā)送數據，連接建立不成功不發(fā)送數據，而且，傳輸每一個報文都需要接收端的確認，未確認的報文則認為是出錯報文，通過確認應答機制確保了數據的可靠性傳輸。

3 RED算法

將智能設備獲得的數據傳送給控制服務器的過程中，難免會發(fā)生數據擁塞的問題，在嵌入式通信中，主要采用RED(Random Early Detection，隨機早期檢測)算法解決網絡擁塞。RED算法[4-6]的基本思想是:在擁塞發(fā)生的早期,對到達分組按某個概率進行丟棄，以避免擁塞的發(fā)生。算法的基本思想見圖5。

圖5 RED算法的Pb函數圖

圖5顯示了Pb與Vi之間的關系，其中，Pb表示臨時丟包率，Vi表示分組平均隊列長度，Pmax、Tmin、Tmax分別為最大臨時丟包率、最小緩沖閾值門限、最大緩沖閾值門限。

1)分組到來時，首先計算平均隊列長度Vi。

2)隨機丟包率的計算。

a)當Vi>Tmax時，所有到達的數據包都被丟棄；

b)當Vi

c)當Tmin

數據包被丟棄的概率

其中，β表示網絡通信發(fā)生擁塞丟包后達到的數據包的個數，從式中可得出P與Pb成正比關系，則在某種意義上，信息傳送中丟包率的控制可看作是對臨時丟包率的控制。由圖5可知，當 Tmin

4 結論

基于嵌入式網絡的智能小區(qū)監(jiān)測系統(tǒng)，因其傳輸途徑的高效性、方便遠程集中管理等特點，有效地將系統(tǒng)、服務、管理融為一體，為小區(qū)用戶提供了安全、便利的居住環(huán)境。與普通小區(qū)相比，智能小區(qū)將居住環(huán)境轉變?yōu)榫哂心軇又腔鄣墓ぞ?，幫助家庭與外界保持信息交流暢通，同時又優(yōu)化了人們的生活方式，增強用戶居住環(huán)境的安全性。本文雖然完善了特定的網絡協(xié)議，解決了網絡通信過程中數據擁塞的問題，但是，智能小區(qū)的監(jiān)測系統(tǒng)中的資源優(yōu)化和實時性能優(yōu)化的問題有待解決。

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[責任編校： 張巖芳]

On the Intelligent Community Monitoring System Based on the Embedded Network

FAN Tao1, ZHANG Zipeng1, WANG Shuqing2

(1SchoolofComputerSci.,HubeiUniv.ofTech.,Wuhan430068,China;2SchoolofElectrical&ElectronicEngin.,HubeiUniv.ofTech.,Wuhan430068,China)

This paper proposed a secure, reliable, intelligent community monitoring system based on embedded network. At the same time, it proposed an access method based on the embedded network interconnect technology and designed the interface of embedded network. For the practical application, the standard TCP/IP protocol has been streamlined, thus improving the embedded network protocol. In order to solve the data congestion problem during transmission, through the optimization of the RED algorithm, the method increased greatly the efficiency and accuracy of data transmission, improving the performance of the intelligence community monitoring system.

intelligent Community; network interface; network protocols; RED algorithm

2014-09-28

范 濤(1988-)， 男， 湖北荊州人，湖北工業(yè)大學碩士研究生，研究方向為計算機應用技術

1003-4684(2015)01-0029-03

TP399.021

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