一種基于嵌入式處理器的多協議網關設計

張帥，鄭金龍，李猛，李岳煬

（濟南大學 自動化與電氣工程學院，山東濟南，250022）

0 引言

伴隨著傳感器網絡、工業現場總線、嵌入式系統等技術的快速發展，物聯網技術在農業生產、智慧交通、環境保護、智能家居等方面都有著越來越廣泛的發展前景[1,2]。但是隨之也出現了物聯網內部缺乏統一通信標準，必須利用網關處理多協議之間的兼容等問題[3]。

網關又稱為協議轉換器，能夠起到連接不同網絡的設備，使之能夠各部分之間互聯互通。文獻[4]設計了一種智能家居安全系統，該系統結合物聯網技術，使系統能夠檢測室內多項空氣參數并通過WIFI將數據上傳至PC端，提高了智能家居系統感知空氣質量的能力。文獻[5]提出了一種基于物聯網的智能家居控制方案，系統主要由STM32主控制器和STC12單片機組成，系統能夠遠程控制家居并采集環境信息。文獻[6]結合物聯網技術，設計了一種農業大棚生產環境監控系統。能夠通過多種方式完成多種參數的傳輸，提高了管理效率并降低了人工成本。

但在物聯網快速發展同時，物聯網領域仍存在著一些問題，制約著進一步的發展與應用。

首先是網內設備的傳輸信息問題。物聯網內部的傳感器型號、類型繁雜，沒有統一的標準。未經轉換直接將傳感器與通信網絡相連，則會使服務器網絡擔負大量的處理協議轉換的任務，影響服務器性能。多協議網關能夠更高效、快速的處理、轉發傳感器網絡中的數據，減輕服務器的負擔，使服務器能夠更好的處理其他任務，提高整個系統的運行效率，使系統網絡能夠以較低的成本擴展傳感器網絡[7]。

其次是數據傳輸量過大，網絡負荷過重的問題。若采用傳感器直接向服務器傳輸數據的方式不僅傳輸量大且效率低下，增加傳感器的數量就會導致數據傳輸量也大幅增加，進一步加重服務器的負擔。使用多協議網絡能夠使各層設備的任務更加專一，提高系統的效率，降低運行成本[8]。

最后是規模節點設備組網的問題。傳感器受自身功率限制無法實現遠距離通信，且傳感器之間通常為了采集不同位置的數據信息而布置在間隔較遠的位置，故依賴傳感器本身進行通信與組網經常受到以上問題的限制，很難能夠建立起大規模、遠距離的傳感器網絡。使用網關與傳感器和服務器相連接就能夠實現組網，并能夠優化整個網絡的配置與分布，使其更加合理與高效[9]。

目前國內外對于物聯網與網關的研究與應用不斷取得新的進展，其強大的兼容能力能夠滿足不同行業的各種需求，并且其自身具備的通信與管理能力則會使得設備更加智能化[10,11]。目前發展的重點在于提升網關的通用性、降低系統功耗和增強兼容能力。

針對上述存在的不足，本文設計了一種新型的多協議網關，具有多個模擬量接口和串口，能夠實現采集模擬量、RS-232和RS-485信號并進行處理和顯示，再將上傳數據至服務器的功能。

1 總體設計

1.1 功能要求

通過分析上述物聯網當前存在的問題與現實需求，本系統設計的多協議網關具備以下功能要求：

(1)7路RS-232和2路RS-485接口；

(2)5路模擬量輸入通道，支持4~20mA電流信號，0~5V電壓信號；

(3)3路繼電器輸出，負載能力為24V DC/1A；

(4)內置以太網口，可連接外網或內網；

(5)內置電池和外部供電兩種方式供電；

(6)具備多路現場數據的采集、轉換、轉發功能。

1.2 總體方案

本系統的硬件系統由數據采集模塊、數據上傳模塊和其他相關模塊組成。系統整體框架圖如圖1所示。

圖 1 系統整體框架圖

為了滿足多協議網關系統的數據采集和處理的需求，本系統采用了AM3354BZ作為主控芯片。該芯片采用臺積電40nm工藝，頻率為1GHz的ARM Cortex-A8內核；納秒級高頻時鐘等。同時核心板上有ROM存儲器和SDRAM等必要芯片，同時滿足高性能與低功耗的需求。

數據采集模塊是連接傳感器網絡與網關的橋梁，使網關能夠采集傳感器網絡的數據，從而完成進一步的處理與上傳的功能。

數據上傳模塊能夠上傳網關所采集的數據到指定的服務器，實現遠程監控的功能。

其他模塊包括USB接口、電源、顯示部分組成，使系統能夠正常運行并且增加其他功能，使系統更加容易操作和配置。

除了上述的數據采集部分與數據上傳部分設計，本系統還包括USB接口、電源、顯示部分的設計，使系統能夠正常運行與維護。

2 數據采集設計

數據采集部分由模擬量輸入模塊、數字量輸入模塊、RS232通信模塊和RS285通信模塊組成，實現多種信號采集的功能。

2.1 模擬量輸入

圖2為模擬量輸入部分電路原理圖，電路中設置了阻值為1M的上拉電阻用于提供參考信號，串接了100Ω的電阻與后面的電容共同起到抑制高頻干擾信號的作用。

圖 2 模擬量輸入采集電路原理圖

圖3為TPS08U采集芯片的引腳設計圖，該模塊能夠采集8路4~20mA電流信號輸入和 0~5V的電壓信號輸入。

圖 3 TPS08U采集芯片接線圖

2.2 開關量模塊

開關量部分電路原理圖如圖4所示，電路中通過使用光耦隔離器將外部輸入與網關內部隔離，使二者沒有電的連接，隔絕了外部的干擾。

圖 4 開關量采集電路原理圖

2.3 RS232通信模塊

RS232通信電路原理如圖5所示，設計了MAX33232E多通道RS-232線路驅動器和接收器，電路由兩個線路驅動器、兩個線路接收器和一個雙電荷泵電路組成。其工作范圍為3~5.5V，傳輸速率最高可達250kbit/s，能夠滿足數據傳輸的要求。

圖 5 RS232通信電路原理圖

圖 6 RS485通信電路原理圖

2.4 RS485通信模塊

圖6為RS485采集電路原理圖，在此電路設計中使用了自動收發隔離RS-485收發器，該模塊使用3.3V的電壓供電，集成了自動收發控制、電源隔離、電氣隔離等功能，通信速率最大可達500 kbit/s。

3 數據上傳部分設計

系統采集并處理現場傳感器數據之后，還需要將數據上傳。本系統主要采用無線4G和有線以太網兩種傳輸方式實現數據的上傳。

3.1 無線4G通信模塊

無線4G通信模塊電路原理圖如圖7所示，設計選用了WH-LTE-7S4 V2 4G通信芯片，該芯片工作電壓為5~16V，最高上行速率可達128kbps。

圖7 無線4G通信模塊電路原理圖

3.2 以太網通信模塊

由于本系統所采用的A6G2C核心板支持100M以太網控制器，故在設計中將RMII接口與以太網連接，實現數據上傳的功能。以太網通信模塊電路原理圖如圖8所示。

圖8 以太網通信模塊電路原理圖

4 其他相關模塊設計

除了上述的數據采集部分與數據上傳部分設計，本系統還包括USB接口、電源、顯示部分的設計，使系統能夠正常運行與維護。

4.1 USB接口電路

USB接口電路原理如圖9所示，A6G2C核心板支持USB OTG接口，因此外接OTG接口電路即可實現OTG功能。并且電路允許通過較大的電流，適用于對啟動電流有較高要求的場合。

圖9 USB接口電路原理圖

4.2 電源設計

電源電路原理圖如圖10所示，其中電源芯片選擇了MR33630ADDAR，輸入電壓范圍為3.8~36V，輸出電壓范圍為1~24V，具有使用靈活，轉換效率高的特點。能夠滿足網關的供電要求。

圖10 電源電路原理圖

4.3 顯示電路設計

基于LCD控制器，設計了顯示電路，電路中包含一個通用LCD接口0.5mm FFC連接器，此連接器能夠兼容LCD_TM070RDH12_24B 7寸液晶套件，實現預計的顯示功能。

5 軟件部分

除了上述的多協議網關的硬件部分，還設計了對應的軟件部分以使設備能夠正常運行，軟件設計基于Linux平臺并使用C++語言進行軟件編程。軟件總體結構如圖11所示。

圖11 軟件總體結構圖

軟件包括初始化程序、數據采集與處理程序、數據通信程序、界面顯示和其他程序。

初始化程序主要用于設備上電后，檢測接口接入的數量和類型，讀取設備和串口的配置，在檢測到錯誤后及時報警。

數據采集與處理程序、數據通信程序是整個系統的核心，初始化完成后，根據配置的串口參數進行數據采集，根據系統的設置判斷采集4~20mA的電流或是0~5V電壓信號。隨后依據對應的通訊協議進行處理數據并顯示采集到的數據。同時系統根據配置開始與服務器進行通訊，將采集到的數據上傳至服務器。數據采集、處理和通信工作流程圖如圖12所示。

圖12 數據采集、處理與傳輸程序流程圖

顯示界面能夠通過液晶屏實時顯示多協議網關的狀態和采集到的數據，并使用戶能夠更改系統的配置。

其他程序包括用戶管理和數據導出程序，用戶管理程序中包含普通用戶和管理員兩類用戶，不同用戶擁有不同的操作權限，系統允許添加或刪除不同類型的用戶。數據導出程序在系統插入存儲卡后用戶可以向存儲卡內導入采集到的數據。

6 系統測試

多協議網關硬件實物圖如圖13所示。載入軟件程序，對多協議網關進行整體的功能測試。如圖14和圖15所示，系統能夠采集RS232、RS485、模擬量信號并實時顯示在屏幕中，通過觸摸屏即可對串口參數等系統參數進行配置。設置服務器參數后即可進行數據上傳與通信，實現遠程監控的功能。

圖13 系統硬件實物圖

圖14 系統主界面

圖15 串口配置界面

7 結語

本文設計的多協議網關可以高效、可靠的采集模擬量輸入、數字量輸入、RS232與RS485多種傳感器信號，并對信號進行處理與顯示，以及通過以太網上傳至指定的服務器。多協議網關有效地解決了傳感器網絡種存在的傳輸數據需要占用大量的服務器資源和帶寬、傳感器的傳輸協議不兼容的問題。未來在環境監測、工業生產與監控、智能家居、智能交通等各個領域將有著廣泛的應用前景。