網絡通信中嵌入式TCP/IP協議單片機技術運用分析

包虹璐

(1.江蘇省聯合職業技術學院南通分院; 2.江蘇省南通中等職業學校江蘇南通 226000)

隨著互聯網技術的廣泛普及，在當前網絡信息通信中應用到TCP/IP 協議模式下的嵌入式單片機技術。這一技術的應用，顯著提升了我國的網絡通信技術水平，對于實現智能化、自動化的高速共享信息通信效果具有積極促進作用。而為了在使用嵌入式TCP/IP 協議單片機技術的過程當中能夠充分展現出該技術的核心優勢，需要進一步深入研究其中涉及的設計與應用等綜合內容，以此促進我國通信領域與互聯網的快速融合。

1 嵌入式TCP/IP協議單片機技術概述

1.1 嵌入式協議概念

作為一種典型的將信息交互作為目的，在互聯網Internet中嵌入模塊形式的電子設備，從而生成的全新網絡通信技術就是嵌入式的界定。而建立在嵌入式的信息通信系統上，達成各個子系統之間的相互連接效果，便于共享信息，并實現基于同步狀態的信息控制，完成高速通信狀態下的信息交互需求。近年來，在廣泛應用互聯網的背景下，為滿足高速且海量的信息交互需求，嵌入式的Internet網絡應用逐漸呈現出擴大范圍的趨勢，并且在更加先進的技術支撐下打造了高水平的應用效果[1]。

在實際應用嵌入式網絡通信協議的過程當中，要求達成硬件協調軟件共同應用的效果，進而確保以強大的系統支撐人們的信息交互需求。但是基于實際來講，想要實現真正意義上的網絡化通信，除了依靠原有的互聯網系統硬件與軟件，還需要在其中充分結合TCP/IP 的嵌入式協議同步運行，并借助于網絡接口控制器連接Internet。相較于一般的PC 系統，嵌入式的系統在應用中最為顯著的差異就在于不同的運行方式。嵌入式的協議更加能夠適應網絡通信協議的需求。對比傳統通信協議，嵌入式協議展現出了更加強大的通信時效性表現，并且能夠達到更加安全可靠的應用效果。

基于嵌入式網絡通信協議的優勢特征，其在眾多特殊的領域當中都能夠實現更加良好的應用。并且在應用中更是展現出強大的靈活性與可裁剪性，進而充分適應多種不同狀態下的通信協議效果。一般情況下，TCP/IP協議處于完整狀態下的規模相對較大，使用時需要相應的精簡化處理，因此促使嵌入式協議擁有了多樣化的特征。

1.2 單片機嵌入式TCP/IP協議

單片機是單片微型計算機的簡稱，并且在通信專業技術領域當中，將單片機叫作MCU為控制單元。了解單片機的運行原理，需要基于其性能表現進行研究，具體來講，單片機的結構相對較為簡單，能夠達到較高的數據處理效果，且展現出較強的功能性。當前階段在工業制造、日常生活等眾多領域當中已經逐步可見單片機的使用性能[2]。例如：在生活中的全自動洗衣機以及公交IC卡等設計中均是由單片機的技術構成的，基于此不難看出在實際當中單片機的應用優勢?；谇度胧降腡CP/IP協議單片機技術最為主要的作用在于能夠形成更加簡便的數據傳遞與溝通端口，在單片機的結構體系中進行拆解，則可以分為4個部分，包括傳輸層、應用層、網絡層以及網絡接口層。

對應每一層的功能均有所不同。其中，傳輸層的主要作用在于獲取數據信息并將其向應用層中進行傳遞。應用層接收到來自傳輸層中的FTP、HTTP、Telnet等不同類型的數據之后，對各種不同的數據進行解釋，并將解釋結果向網絡層中傳遞。隨后網絡層在獲取到這樣的經過解釋的數據結果之后，將其上傳到基于TCP/IP協議中的任意計算機系統當中。最后網絡接口層也是鏈路層，其主要是負責完成IP數據包的接收與傳輸。

基于嵌入式的TCP/IP協議棧之所以能夠應用在單片機結構上，主要的原因就是在于能夠促使網絡系統的硬件以及軟件之間形成基于嵌入式的結構效果，進而基于整體角度優化了系統性能。這樣的結果就意味著單片機在通信協議中的應用獲得了更為適宜的運行環境，這就促使基于嵌入式的單片機TCP/IP協議在網絡通信應用中展現出更加卓越的智能化應用表現。

2 嵌入式TCP/IP協議單片機系統結構

2.1 硬件結構

基于嵌入式的TCP/IP 協議單片機技術中，主要包括了基礎的硬件構成，也就是單片機的選擇，以及系統軟件，通過程序編碼，從而完成完整的嵌入式TCP/IP協議單片機技術創建。因此其中的硬件結構，單片機的選擇至關重要。

基于實際而言，由于單片機是基于TCP/IP 網絡通信協議系統當中最為關鍵的核心部分，并且需要借助于RTL8019AS 以太網控制芯片從而實現遠程通信功能。因此，在實際當中，需要綜合TCP/IP 協議的實際應用需求及其基礎特征表現等，考慮到協議組內較大的容量與高速度的網絡通信系統運行表現，從而綜合界定單片機的性能是否能夠滿足以上要求，最終選擇最為適宜的單片機結構[3]。

根據常規狀態下的網絡通信協議需求，則單片機硬件結構建議選擇X5045。這是由于該類型的單片機在應用過程中能夠展現出外部擴展功能的最大化表現，滿足理想運行狀態需求。并且在實際當中，X5045單片機具有更加卓越的信息配置功能以及對IP地址的高效率儲存優勢。除此之外，在使用X5045單片機的過程當中，能夠實時動態監控網絡通信系統的運行電壓。

系統硬件結構如圖1所示。

圖1 系統硬件結構示意圖

基于在圖1 中的相關內容不難發現，在設計嵌入式的TCP/IP 協議單片機結構時，其中負責連接的單片機端口本身具有一定的物理介質作用?；谖锢砻浇闋顟B下的傳遞通道，促使單片機能夠輕松實現嵌入式的功能需求。并且在基于整體性的硬件結構實施設計的過程當中，可能會形成基于眾多不同類型的單片機硬件結構組合形成的應用效果。因此，在對嵌入式的TCP/IP 協議單片機硬件結構進行設計的過程中，要求相關設計人員考慮到實際性能表現，從而科學合理地設計硬件系統，確保最終的單片機硬件結構系統展現出更加卓越的實用性與功能性表現。進而以強有力的硬件結構系統滿足軟件的運營支撐需求，創建更加穩健的運行環境。

2.2 軟件結構

當應用嵌入式的TCP/IP 協議單片機技術時，完成硬件結構的設計之后，需要及時展開相對應的軟件設置，從而確保基于整體性的角度上實現軟件與硬件結構的良好融合配套應用效果。通過更加合理的軟件設計滿足系統協議的科學性運行需求。在設計網卡控制器驅動程序時，分析TCP/IP 協議的應用需求，確保最終能夠形成更為合理的設定效果。基于實際的網絡通信協議系統應用而言，其中作為最為典型的上層協議，TCP/IP 協議除了具有較高的執行性之外，其本身卻也存在著較強的獨立性運行表現。因此，在設計TCP/IP協議的編程代碼時，除了促使其獲取到相應的價值功能表現之外，同時也需要加以賦能，保障TCP/IP 協議在實際應用中充分展現出功能性表現。

由于TCP/IP 協議的特殊獨立性，因此在設計時可以忽略有關關聯性的設計需求，僅僅是需要達到一定程度的相互聯通效果即可。基于這樣的狀態，則在實際當中能夠形成更加良好的應用表現。滿足功能設計需求，要求為TCP/IP 協議的軟件系統設定更多不同的功能模塊?；诠δ軐傩赃M行劃分，展開詳細且嚴密的設計優化，促使每一對應的模塊都能夠獲取到相對應的功能屬性。

在應用系統軟件之前，首先需要實施初始化處理，包括促使ARP 表、PING 表以及TCP 運行等，形成處置初始化處理之后，形成更加良好的運行結構。隨后則需要再次進入網絡通信的主程序當中，通過完成TCP定時?；畈⒏翧RP表等處理，則可以正式促使其投入應用當中[4]。

3 系統運作流程

基于嵌入式的TCP/IP 協議單片機系統運行的具體流程包括初始化、數據采集、網絡連接、TCP/IP鏈接、打包數據、服務器接收、服務器應答等眾多不同的模塊，從而通過以上眾多模塊啟動運行之后，則能夠實現對數據信息的傳遞處理。單片機的主要作用則是在于對數據的解包與打包處理，從RJ45中獲取到相應的數據之后，則由單片機對該數據實施全面的分析處理。若所傳遞的數據其屬于物理地址解析狀態下的數據包，則相應地由程序向ARP處理程度進行轉移。若對數據進行檢測，發現其屬于IP 地址狀態下的數據包，則相應的是經過UDR協議傳輸而來，處于正確的端口狀態，則可以認定為當前為正確數據報，完成數據解包之后，利用串口將數據輸出。相反，若從串口中獲取到相應數據，需要根據UDP 協議模式對數據進行打包，隨后將其向CS8900進行傳遞，最終完成向局域網終端的傳遞輸出。

基于實際當中的單片機應用系統的運行工作，首先，則是需要促使系統結構整體完成初始化處理，將所有程序與功能等重置，避免其中存在任何數據殘留影響數據采集與傳輸的精準性。其次，數據采集模塊則可以開始數據采集工作，基于系統指令執行相應的數據采集任務，并將采集之后的數據進行集中的整合之后，向MCU 進行發送。在這一過程當中，則需要相應的檢查ESP8266 是否能夠正常連接網絡。若當前ESP8266 處于尚未連接網絡的狀態，則需要及時對其進行處理，通過無線Wi-Fi下的AT指令促使其與網絡相互連接[5]。

另外，需要開展查詢工作，通過這一環節確保信息采集模塊能夠與后臺之間形成基于TCP/IP協議的通信連接狀態。若檢查到并未連接后臺服務器，則需要及時地通過無線Wi-Fi下的AT指令完成連接處理。當確認連接良好后，通過MCU串口將與該數據同等長度的相關數據信息發送出去。經過以上各個流程處理之后，則促使MCU重新返回到服務器狀態，進而開展下一環節的流程操作。

4 嵌入式TCP/IP協議單片機協議棧設計

4.1 ARP協議

在嵌入式的TCP/IP協議單片機協議棧中存在著眾多不同的協議模塊，這些協議模塊是支撐單片機系統整體運作的核心技術。其中對于ARP協議而言，主要是接收與返回網絡層中的數據，通過這一過程構成了對應的協議功能。與此同時也需要向主機傳遞中多含有目標IP地址的數據信息等眾多內容。但是在ARP協議獲取到返回信息之后，需要在本機當中儲存該IP地址，并將其對應的物理地址保存下來。盡管在這一過程當中對應單片機儲存系統以緩存方式完成相關地址的儲存，但是仍舊需要在系統當中占用較長的儲存時間。與此同時，由于嵌入式的單片機系統在制定遠程操作任務的過程中處于被動狀態，為了保障數據能夠更加快速且及時地進行傳遞，則需要通過相應的網絡接口說明，促使系統整體在實際當中的應用能夠充分展現出更加卓越的應用表現。

在充分應用通信協議地址的過程中，需要關注到以下幾方面的內容。首先，在實際當中則是考慮到系統的運行階段問題，若在實際當中處于初始化階段中，則需要對初始化的進度進行分析，并根據其相應的進程時間，發送ARP 協議請求，若在運營中出現與要求不相符的地址協議，則需要相應做出取舍，避免留存過多地址協議占用儲存空間，確保系統傳遞的數據信息始終處于有效狀態。其次，若存在著一定的必要性，需要及時針對處IP 地址之外所有涉及的數據信息等眾多內容進行解析，便于對數據信息中的價值進行深度挖掘，才能夠高效利用數據信息打造基于完整狀態下的信息內容。

4.2 IP協議

在嵌入式的單片機協議棧中，通過設計IP 協議，則能夠在網絡主機當中通過多種不同的方式完成數據包的傳遞處理[6]?；谶@樣的運行模式表現，發現從某種角度上而言，IP 協議在實際當中的運行效果與路由器之間形成了微妙的較高相似度表現。并且在實際當中的IP協議能夠滿足數據重組需求，根據數據的既定效果進行重新優化設計，但是在實際操作過程中無須對其進行連接操作，進而則將會則導致其在實際當中的應用面臨著一定的安全性問題，可能會促使數據丟失。

5 嵌入式TCP/IP協議單片機技術應用實例

對于單片機技術，采用嵌入式的TCP/IP 協議形式，值得深入研究，這樣才能在網絡通信展現出作用，本文分析的是智能形式的呼吸訓練器，借助這個案例去驗證協議價值。在本案例中，主控單元主要為MCU形式，可以對呼吸訓練過程形成的數據進行獲取，利用后臺服務器構建連接形式，對系統庫中的數據進行分析。

5.1 創建TCP/IP連接

應用客戶端期間，執行數據發送功能之前，需要預先進行準備工作，搭建TCP/IP 的連接形式。建立本連接環節，為了在遠距離制約服務器，需要借助MCU 的功能來操控，關于詳細的操作流程：（1）對socket 進行創建，創建數量為1；（2）了解連接中的服務器，明確其具體的IP 地址，掌握端口具備的屬性，展開合理化設置；（3）明確服務器的位置，選取并利用connect的函數形式，展開遠距離連接處理，對目標數據進行接收，同時也可以完成發送過程。另外，對于服務器來講，也需要構建協議的TCP/IP 形式，應該遵循規范的處理過程：（1）對socket進行創建，創建數量為1；（2）運用函數的bind形式，無論是對于IP地址，還是對于端口信息，都要完成綁定處理；（3）在系統中啟動監視收聽功能；（4）當遇到客戶端發送來的數據時，需要進行對應的接收、發送處理。在案例服務設備中，運用了特定框架，主要為EasySwoole 形式，此功能服務器會提供對應的功能，對main Server Create 形式的事件比較敏感，實行回調注冊處理，同時也要進行監視收聽，做到系統化服務，啟動TCP形式。對于工作人員，可以在需要的時間里進行監視收聽，主要針對于客戶端，在連接、斷開方面控制操作，還可以保證在規范的時間段里，得到客戶端傳遞的信息內容。

5.2 上傳數據

通過對數據進行獲取，處理為數據包，進行規范輸送，最終到達系統的數據庫中。在各個數據包中，都會涉及幀頭、幀尾，需要對這兩個位置進行處理，增加一個適當的標識符。從幀頭位置開始，再到結尾部分，將整體字節加在一起，然后取一定的位數，為32位，從字節的角度看就是4個[7]。MCU利用AT的正確指令，保證調用處理有序進行，然后利用send的函數形式，觀察整體的數據上傳過程，全部數據上傳完成即可。對于各個數據包，為了準確區分，需要利用到ID，此時也需要利用到服務器，它主要用于處理CRC32，檢查正確程度。若是察覺到錯誤代碼形式，需要第一時間處理，將其返回到客戶端，到達客戶端之后，在ID數據包的約束下，再次發送新的正確代碼。

6 結語

當前，現代信息網絡環境中呈現出了各種不同的網絡通信技術，其中最為前沿的嵌入式TCP/IP 協議單片機技術，基于其良好的安全性與數據傳輸的高效性，實現了在通信領域當中的高效使用效果。隨著人們對網絡通信質量的要求逐漸提高，促使當前網絡通信技術實現了更加廣泛的創新發展，在不久的將來嵌入式的TCP/IP協議單片機技術將會實現全范圍的應用，不僅能夠促使通信網絡水平顯著提升，同時也將會極大程度地提升網絡通信系統功能價值，進而創建出更加安全、高效、實用且極具經濟性能的應用技術。