基于物聯網的網絡控制器設計*

周恩浩， 李玉玲， 何均健

(華南農業大學 現代教育技術中心， 廣州 510642)

隨著各行各業不同信息之間的相互交互，物聯網的概念被提出[1-2].物聯網技術的最終目的是通過不同傳感器組成的網絡節點將不同事物連接起來，使人和物之間隨時隨地都能夠很好地進行信息交互.對于傳統通信網絡而言，一般都是在終端設備中嵌入對應的數據收發模塊，然后再利用以太網等接入至網絡當中，最后再通過PC機或者手機來對其進行訪問，以獲取傳輸來的信息[3-4].隨著物聯網規模的不斷提升，若要實現多源信息的順暢交互，傳感器網絡需由布置多種感知類節點的網絡所構成.然而不同的傳感器節點具有不同的協議，且綜合考慮遠距離聯網能力、功耗要求以及系統成本等因素，多終端設備直接接入網絡具有一定的難度，無法真正的實現物聯網體系的互聯互通[5-6].因此，需要一種新型的網絡控制器，能夠使物聯網系統的多種終端設備無縫連接至網絡當中.

本文設計了一種基于物聯網的網絡控制器控制方案，提出了物聯網網絡控制器的整體設計方案和系統整體框架，并在此基礎上闡述了網絡控制器系統的硬件和軟件實現部分，最后對物聯網網絡控制器的整體性能進行了測試.

1 網絡控制器系統方案

物聯網網絡控制器主要是連接物聯網節點的通信網絡和傳感器網絡，并對其實施管理.本文首先通過數據采集終端進行數據采集，并通過無線傳感器模塊傳送至網關模塊，再將該數據通過現場總線等通信方式傳輸至上位機的監控中心，對通信網絡的數據和傳感器網絡數據進行深度融合，最后實現數據的統一安全管理.

網絡控制器系統具備的主要功能有：1)無線、有線網絡接入能力.網絡控制器系統需要通過無線、有線網絡與監控中心進行遠程通信，其中無線通信是采用移動通信與互聯網連接，而有線通信則是構建局域通信網絡.2)無線傳感器網絡接入能力.為實現不同采集終端數據的收集，網絡控制器需具備和無線傳感網絡進行通信的功能，進而實現物聯網系統所有傳感網絡節點的連接.3)數據協議轉換能力.為實現無線網絡、有線網絡以及無線傳感網絡之間的數據轉換，需統一不同感知網絡的協議，網絡控制器需具備不同數據協議轉換能力.4)管理控制能力.無線傳感網絡的控制中心是網絡控制器，因此無線傳感網絡的啟動、組網和刪除增加監測點等功能由網絡控制器進行管理和控制.5)數據存儲能力.網絡控制器能夠實時地存儲采集的終端數據，便于監控中心實時查看.

物聯網網絡控制器系統的整體方案如圖1所示，采集終端對所需要的數據進行采集，采用ZigBee無線傳感器網絡連接至網關設備，而網關設備又采用3G無線網、有線網絡以及工業總線等網絡與遠程監控PC進行數據交互，進而實現物聯網系統所有節點的統一管理.

2 網絡控制器系統的硬件設計

根據物聯網的基本功能，中國通信標準化協會(CCSA)將物聯網分為感知層、傳送層和應用層，而物聯網網絡控制器處于傳送層.其中感知層具備檢測以及近距離通信功能，主要組成為傳感網絡和數據采集設備，傳感網絡又是由多種數據采集設備、傳感器設備節點等組成，而數據采集設備由各類傳感器和ZigBee模塊等組成；傳送層具備遠程通信及網絡調節的功能，在以太網基礎上，遠程傳輸感知層采集的數據信息，實現感知層網絡與以太網絡的結合；應用層則根據處理的數據信息為用戶提供應用和服務，處理和控制多種通信設備的信息.

圖1 物聯網網絡控制系統方案設計圖Fig.1 Scheme design of network control system based on Internet of Things

基于物聯網的網絡控制器系統硬件總體結構如圖2所示，主要是負責無線傳感器網絡、3G無線網絡以及CAN/RS-485工業網絡的數據交互和管理，需完成各類通信數據的協議轉換.物聯網網絡控制器具體由微處理芯片、通信模塊、無線通信模塊、外部接口電路、電源、存儲模塊及以太網接口等幾部分組成.

圖2 硬件總體結構圖Fig.2 Overall hardware architecture diagram

根據系統的功能需求，選用型號為Marvel PXA310的ARM9作為核心處理器[7]來構建網絡控制器的最小系統，外圍擴展功能模塊主要有網絡模塊、3G模塊、CAN模塊、RS-485模塊以及ZigBee模塊[8-9]，其中ZigBee模塊用于數據采集終端，是無線傳感器網絡的協調器.

在外圍擴展模塊電路中，網絡模塊采用型號為DM9000AEP的芯片，該芯片是一款高速的以太網控制器芯片，以太網傳輸協議為802.3；3G模塊選用的是LC5740模塊，能夠實現3G網絡的功能，完成與監控系統的數據交互；CAN模塊與處理器的接口采用的是SPI接口，分別采用MCP2515芯片和SN65HVD230D將SPI格式的數據轉換為CAN總線數據；RS-485與處理器接口采用的是UART接口，采用SN65HVD11D芯片將UART接口電平轉換為RS-485總線電平.

除了ARM核心處理器和擴招模塊之外，還應配備滿足系統正常運行的外圍最小系統電路，如圖3所示，主要有電源電路、時鐘電路、存儲器系統、JTAG接口和復位電路等模塊，其中電源電路為各個子系統提供電力支撐，所需要的直流電壓等級有12、5、3.3和1.8 V.

圖3 外圍最小系統電路Fig.3 Minimum peripheral system circuit

對于無線傳感器網絡，數據采集終端ZigBee的型號為FZB5000的無線模塊，其頻段為2.4 GHz，對應的標準協議棧為ZigBee-Pro.ZigBee與數據采集終端以及網絡控制器平臺都是采用UART接口.

3 網絡控制器系統的軟件設計

基于物聯網的網絡控制器軟件部分主要是在硬件的基礎上，實現不同通信協議的轉換以及完成數據采集終端、監控中心的連接，將嵌入式Linux操作系統植入到ARM處理器，實現所有程序的統一管理.網絡控制器系統的軟件結構如圖4所示，軟件平臺在Linux系統上實現，主要包括數據處理層和協議棧層，協議棧包含的協議有以太網協議、ZigBee-Pro協議等，數據處理層主要是對數據進行管理和轉發.

嵌入式系統的核心部分是網絡控制器的主應用程序，主要功能包括：各種不同通信模塊之間協調傳輸、不同通信協議之間轉換以及數據信息采集功能.所有的程序采用Linux C進行編寫，系統軟件部分最開始運行的是主函數部分，主函數首先完成變量的定義以及初始化，然后完成各個子模塊的對應功能，并使主函數進入死循環，其流程圖如圖5所示.

圖4 網絡控制器系統的軟件結構Fig.4 Software structure of network controller system

圖5 主程序流程圖Fig.5 Flow chart of main program

網絡控制系統中通信任務的主體流程圖如圖6所示，首先將各自通信設備打開并對其初始化，初始化之后便開始等待服務器發送命令，若出現命令，便對命令碼和命令長度進行讀取，以判斷該命令碼是否存在.如果存在命令碼，則根據命令長度接收命令內容，再一次判斷該命令是否需由命令處理線程進行處理，直至處理成功.

4 網絡控制器系統實驗測試

首先，本文對網絡控制器的主控模塊進行了測試，網絡控制器主控模塊主要是接收Zigbee傳送的數據，并通過解析將其發送至IP網絡.網絡控制器IP地址為192.168.139.72，終端網絡客戶端的IP地址是192.168.139.73，通過解析后得到的數據結果如圖7所示.從圖中可以看出，節點的網絡地址、網絡控制器Zigbee模塊的地址以及節點電壓、溫度等信息能夠有效讀取.該測試結果表明，該網絡控制器能夠實現Zigbee無線網絡和IP網絡的聯通.

圖6 通信任務主體流程圖Fig.6 Main flow chart of communication task

圖7 IP客戶端結果Fig.7 Results of IP client terminal

在基于物聯網的網絡控制系統中，網絡傳感器讀取串口數據的丟包率以及網絡控制器與以太網之間的數據傳輸延時是兩個重要的指標，為驗證系統的可行性和有效性，對兩項指標進行了性能測試.本次實驗測試中，設置了20組不同的無線傳感器網絡節點，數據信息的發送周期為5 s，以1 000個數據包為一個間隔來測量丟包率，第1～1 000個數據包記為第1組，第1 001～2 000個數據包記為第2組，以此類推，第19 001～20 000個數據包記為第20組，兩項指標的實驗結果如圖8、9所示.

圖8 網絡控制器系統丟包圖Fig.8 Packet loss diagram of network controller system

圖9 網絡控制器系統信息延時圖Fig.9 Information delay diagram of network controller system

由圖8可知，20次實驗結果的平均丟包率為0.27%，測試結果遠低于中國通信標準化協會規定的最大丟包率1%，因此滿足要求.由圖9可知，20次實驗結果的平均時延分別為：8.878 49、8.736 04、9.100 39、8.928 68、9.023 81、8.788 69、8.896 75、8.998 92、9.010 12、8.981 02、8.828 06、8.789 18、8.729 23、9.058 92、8.796 78、8.812 13、8.997 91、8.879 26、8.971 52、9.019 82 ms，也低于規定平均時延的最大值100 ms，因此也滿足要求.綜上所述，文中所設計的網絡控制器系統能夠滿足實際應用的要求.

最后，對通信距離進行了測試，對于無線傳感器網絡分別采用圓柱天線和陶瓷天線進行了無線通信距離的測試，網絡控制器系統的其他參數保持不變.兩種天線的測試結果都符合CCSA標準，當網絡控制器系統的協調器采用是圓柱天線，而終端節點采用圓柱或者陶瓷天線時，兩個不同節點之間的最大通信距離是90 m.當網絡控制器系統的協調器采用是陶瓷天線，而終端節點采用圓柱或者陶瓷天線時，兩個不同節點之間的最大通信距離是30 m.

5 結 論

本文設計了一種基于物聯網的網絡控制器設計方案，提出了物聯網網絡控制器的整體設計框架，并基于此介紹了網絡控制器各子系統的硬件和軟件實現方法.該網絡控制器具有多種無線網絡接入、協議轉換、數據采集、數據存儲及網絡傳輸等功能，其傳感器系統實現了無線傳感網絡和工業總線網絡之間數據的交互、不同網絡協議的轉換以及物聯網系統的統一管理.最后通過實驗測試網絡控制器的主控模塊特性、網絡傳感器讀取串口數據的丟包率以及網絡控制器與以太網之間的無線通信延時情況，實驗驗證了物聯網網絡控制器的良好性能.