基于W7100A的可擴(kuò)展物聯(lián)網(wǎng)采集系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

李敏　王朋濤

摘要：通過多個(gè)基于W7100A的高速物聯(lián)網(wǎng)采集器實(shí)現(xiàn)了一個(gè)采集系統(tǒng)，并給出了該系統(tǒng)的外圍電路設(shè)計(jì)， 對(duì)溫濕度采集和顯示模塊進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，編寫了相關(guān)的顯示和采集程序，實(shí)現(xiàn)了以太網(wǎng)遠(yuǎn)程高速數(shù)據(jù)采集。由于W7100A是硬核TCP/IP 技術(shù)來進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，所以可以作為物聯(lián)網(wǎng)采集器的一種實(shí)現(xiàn)方式，且可以通過撥碼開關(guān)區(qū)分IP地址，實(shí)現(xiàn)模塊化。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；W7100A；DS18B20；TCP/IP

中圖分類號(hào)：TP39文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2017.09.002

0引言

物聯(lián)網(wǎng)用途廣泛，遍及智能交通、環(huán)境保護(hù)、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工業(yè)監(jiān)測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、路燈照明管控、景觀照明管控、樓宇照明管控、廣場(chǎng)照明管控、老人護(hù)理、個(gè)人健康、花卉栽培、水系監(jiān)測(cè)、食品溯源、敵情偵查和情報(bào)搜集等多個(gè)領(lǐng)域，其中采集器是物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)環(huán)節(jié)中的重要一環(huán)。

1采集系統(tǒng)框架

該系統(tǒng)包含多個(gè)W7100A采集控制器，每個(gè)采集器通過交換機(jī)與控制服務(wù)器相連接組成控制系統(tǒng)。通過設(shè)定每個(gè)板子上撥碼開關(guān)的值來調(diào)整相應(yīng)的IP地址，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)采集控制器的動(dòng)態(tài)加入。其中每個(gè)控制器又包含KEY輸入、LCD顯示、溫濕度傳感器、PWM、UART串行口、繼電器和以太網(wǎng)模塊。按鍵通過595芯片做串行移位，僅用一個(gè)IO端口就可以實(shí)現(xiàn)8個(gè)按鍵的輸入。顯示部分采用LCD12232液晶作為顯示模塊，與移位按鍵配合做設(shè)定報(bào)警信息和實(shí)時(shí)顯示。溫度傳感器采用數(shù)字溫度器件DS18B20采集溫度；UART用于連接其他采集控制模塊；繼電器用于控制其他機(jī)械設(shè)備的啟動(dòng)和停止；PWM用于精確控制機(jī)械傳動(dòng)中的電磁閥。

該系統(tǒng)通過交換機(jī)把多個(gè)模塊采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器，由服務(wù)器實(shí)時(shí)處理后保存到本地?cái)?shù)據(jù)庫并發(fā)送到Internet。向下通過每塊W7100A控制器的IO口采集當(dāng)前環(huán)境的信息數(shù)據(jù)，利用W7100A自帶的以太網(wǎng)模塊把采集到的數(shù)據(jù)和服務(wù)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2硬件電路設(shè)計(jì)

2.1顯示電路設(shè)計(jì)

LCD選用帶中文字庫的LCM12864R，由于W7100A是可以直接驅(qū)動(dòng)LCD12864R，兩個(gè)器件相互連接的時(shí)候無需進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，采用串行輸入方式。其接口和電路如圖2和圖3所示。

2.2可擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)

可擴(kuò)展部分采用撥碼開關(guān)設(shè)計(jì)，利用W7100A的IO口讀取撥碼開關(guān)的狀態(tài)來判斷自身的IP地址。使用的時(shí)候，只需設(shè)置撥碼開關(guān)的撥齒到不同的位置，極大地方便了現(xiàn)場(chǎng)的使用。其電路如圖4所示。

2.3以太網(wǎng)設(shè)計(jì)

由于W7100A內(nèi)部不僅集成了MAC模塊還集成了PHY模塊，所以簡化了電路部分的設(shè)計(jì)，但是需要注意布局和布線，同時(shí)還要考慮W7100A的散熱。一般集成MAC和PHY的芯片正常工作的時(shí)候發(fā)熱都比較嚴(yán)重，可以考慮加裝散熱片來解決。對(duì)于布局布線主要是對(duì)差分線對(duì)的處理，這點(diǎn)比較重要。芯片出來的RX+/TX+、RX-/TX-為差分線對(duì)（切勿走成RX+/RX-和TX+/TX-），應(yīng)該優(yōu)先布差分線，保持平行、等長和緊靠，且避免交叉。同時(shí)應(yīng)避免差分線周圍走其他信號(hào)線，而且差分線要包地，包地的周圍隔一段距離就要打地孔。這兩組差分信號(hào)布的好壞，會(huì)嚴(yán)重影響網(wǎng)卡的工作。電路如圖5所示。

3軟件設(shè)計(jì)流程

該采集系統(tǒng)在軟件設(shè)計(jì)上分為兩部分：一部分是W7100A采集控制器的控制和上傳數(shù)據(jù)程序；另一部分是服務(wù)器上上位機(jī)各個(gè)采集器集中處理的程序。服務(wù)器通過TCP/IP收集各個(gè)控制器上傳的數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行信息融合后，做出判斷，再發(fā)出控制命令使各個(gè)采集器執(zhí)行不同的機(jī)械動(dòng)作。同時(shí)也可以以外接GPRS模塊短信命令來實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

3.1采集器程序設(shè)計(jì)

采集器的程序分為5個(gè)部分，分別是：按鍵處理、LCD12864顯示、網(wǎng)絡(luò)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)、繼電器的接通和斷開以及IP地址的識(shí)別。

按鍵硬件上接上拉電阻，因此有鍵按下時(shí)電平是低電平。按鍵采用循環(huán)掃描的模式來處理。

顯示程序主要根據(jù)LCD12864的時(shí)序把需要顯示的數(shù)據(jù)寫入顯存里。

網(wǎng)絡(luò)收發(fā)數(shù)據(jù)采用循環(huán)掃描的方法不斷查詢是否有數(shù)據(jù)要發(fā)送或接收，先查詢Sock0_Connect標(biāo)志位，若為高電平表明已經(jīng)建立了TCP連接，如果已經(jīng)建立了連接，則查詢Sock0_Recv標(biāo)志，若為Sock0_Recv高電平則先清零該標(biāo)志，再去讀取網(wǎng)絡(luò)緩沖區(qū)里面數(shù)據(jù)幀的幀頭數(shù)據(jù)。如果幀頭是0x66、0xA8、0x55說明主機(jī)發(fā)送的是上傳數(shù)據(jù)命令，此時(shí)同時(shí)把上傳標(biāo)志upload_flag置1。主程序會(huì)根據(jù)upload_flag的標(biāo)志轉(zhuǎn)去執(zhí)行上傳數(shù)據(jù)函數(shù)；如果幀頭是0x66、0xA8、0xAA說明主機(jī)發(fā)送的是寫入命令，W7100A需要從緩沖區(qū)的第4個(gè)字節(jié)開始讀取且連續(xù)讀取22個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，然后根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)執(zhí)行相應(yīng)的命令。

3.2上位機(jī)程序

上位機(jī)用VC編寫，基于socket的服務(wù)器。Socket是應(yīng)用層與TCP/IP協(xié)議族通信的中間軟件抽象層，它是一組接口。在設(shè)計(jì)中，Socket其實(shí)就是一個(gè)門面模式，它把復(fù)雜的TCP/IP協(xié)議族隱藏在Socket接口后面，對(duì)用戶來說，一組簡單的接口就是全部。

編寫步驟一般是先加載套接字接口，再綁定套接字到IP和端口，其次監(jiān)聽套接字接口以等待連接請(qǐng)求的到來，然后根據(jù)各個(gè)采集器上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合并發(fā)送數(shù)據(jù)，最后關(guān)閉套接字接口。在該系統(tǒng)中綁定的TCP端口為9998，待連接請(qǐng)求到來時(shí)，讀取數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。通信結(jié)束，則返回并關(guān)閉套接字。采集到的數(shù)據(jù)如圖6 所示。

4總結(jié)

本文以集成硬件TCP/IP核的W7100A設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)采集控制器的子系統(tǒng)，再經(jīng)過多個(gè)采集子系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)整體的可擴(kuò)展的控制系統(tǒng)，然后通過網(wǎng)絡(luò)上傳數(shù)據(jù)到服務(wù)器。基本實(shí)現(xiàn)了顯示、溫濕度、繼電器通斷的控制。相比傳統(tǒng)的8051控制器，系統(tǒng)具有較高的實(shí)時(shí)行和大的數(shù)據(jù)吞吐量，同時(shí)也易于擴(kuò)展，且設(shè)置靈活，有一定的實(shí)用性。

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