物聯網網路接入模塊設計

摘 要：在物聯網應用場景下，基于網絡通信的若干節點之間通常采用交換機或路由器等星型拓撲結構進行互聯，當節點之間的距離較遠時，采用星型拓撲結構會造成大量的通信鏈路浪費，特別是節點間距離接近百米時，星型拓撲結構將無法實現有效通信，同時會造成交換機等設備的浪費。本文通過學習網絡拓撲結構、查閱交換機的實現原理、研究網絡通信接口技術，實現了一套低成本的、借以實現類總線拓撲結構通信組網形式的網路接入模塊，在蘇州黑盾、云碩集倉等公司的實際應用中，獲得了較好的應用效果，提高了網路接入便捷性的同時，降低了總體成本。

關鍵詞：網絡拓撲結構；網路接入；交換機；云碩集倉

一、網路接入模塊研究意義

（一）常見網絡拓撲結構

網絡拓撲結構是指網絡中各個節點（如計算機、智能屏、路由器等）之間的連接方式和布局，不同的網絡拓撲結構會影響網絡的性能、可靠性、可擴展性和成本。常見的網絡拓撲結構有星型拓撲、總線拓撲、樹狀拓撲和網狀拓撲結構等，其結構如圖1-1所示。

從圖1-1可以看出，網狀拓撲結構可靠性最好，但相同節點數量下耗費的線纜資源也最多，當網絡節點較多時，該拓撲結構的實現浪費大量的人力物力；當網絡節點較密集時，星型、樹狀結構使用的線纜資源基本相同，總線結構使用的最省，但星型網絡結構更單純，便于維護；當網絡節點數量較多，且節點之間的距離較遠時，總線結構成本最省，因此在網吧、機房等場景下，網絡節點間通常使用交換機建設新型網絡；在路燈、信號中繼設備等應用場景下，多采用總線型拓撲結構實現。

（二）網絡顯示屏應用場景

本文作者開發的網絡顯示屏，是一種能實現信號采集、設備控制及信息顯示為一體的帶有7寸觸摸顯示屏的網絡設備，顯示屏間外通信接口采用以太網接口實現，這些設備主要用于智能工廠內的環境檢測和控制，在偌大的智能工廠車間內以及車間之間實現高速通信，在約為60米-90米以內的范圍內布設一臺設備，廠區總計有200個左右的節點，分布不通過對網絡拓撲結構的分析，在這種應用場景下顯然是不適合采用星型拓撲結構，不增加中繼的情況下，100米的網絡有效通信距離內節點僅有2個，星型拓撲會大量浪費交換機等通信器材，樹形拓撲結構和網絡拓撲結構更不適合，因此考慮采用總線型結構實現。

（三）函待解決的問題

1.以太網沒有實現總線拓撲的專用總線掛載設備，可以通過路由器實現類總線結構，但市面上的路由器成本較高；

2.一旦網線布設好，比如80米網線連接了兩臺網絡設備，當在40米處需要接入另一臺網絡設備時，需要增加一臺路由器，成本較高；

3.兩臺網絡設備之間的最長通信距離通常是100米，當通信距離超過100米是，需要增加中繼設備，成本較高。

因此，項目上需要設計一款既方便用戶接入網絡設備，有具有中繼功能增加有效通信距離，且成本低廉的網路接入模塊，成本控制在30元以內，通信速率100Mbps。

二、網路接入模塊設計與實現

（一）芯片選型

通過對需求的分析可知，網路接入模塊需要具備高速通信能力，且總體成本要求很嚴格，因此本文要選擇一款低成本的、帶有100Mbps通信能力、至少具有“一進一出一掛載”3個以上的以太網接口的芯片，通過對市面上芯片的分析選型，本文選擇RTL8305芯片作為核心芯片，芯片的功能如圖2-1所示。

RTL8305具備10M/100M自適應能力；集成RX0/TX0～RX4/TX4共計5路網絡接口；外圍電路簡單，設計方便，僅需增加外部晶振電路、電源電路、網絡隔離及網口等簡單電路即可完成設計；成本較低，1K批量訂購價約為3.8元/片。

（二）RTL8305外圍電路設計

1、時鐘電路設計

RLT8305需要一顆25Mhz的外部晶振，為芯片提供時鐘源信號，外部晶振采用貼片封裝的4腳形式，其中第2、4引腳接地，第1、3引腳分別接入到RTL8305芯片的外部時鐘信號輸入輸出引腳上，即芯片第39、40引腳，如圖2-2所示。

2.復位電路及電源濾波電路設計

復位按鈕和復位電路是實現用戶按鍵后系統重啟的重要人機交互方式，復位電路可以確保芯片在無需復位時穩定運行，在需要復位時有效復位重啟；電源濾波電路可以確保芯片電源引腳的電平穩定性，防止尖峰電壓或其它干擾源引起的電源波動造成系統工作不穩定的現象發生，確保系統正常運行。

RTL8305的第27引腳為復位引腳，低電平有效，因此在外部需要設計上拉電阻，將該引腳的電平維持在高電平，并通過按鈕接地，實現按鍵是引腳接到低電平的需求，電路設計如圖2-2右下角，上拉電阻為R4，阻值為10KΩ；SW1為按鍵按下接通后，引腳27接到GND變成低電平，可以實現芯片復位重啟的功能；另外，還設計了電源濾波電路，分別在芯片的所有AVDD、DVDDH和DVDDL處，設計0.1uf的濾波電容。

（三）網絡隔離設計

以太網隔離芯片是用于以太網通信中的一類特殊芯片，是在電氣隔離狀態下實現信號耦合傳輸的芯片，它能夠確保數據信號在兩個不同區域之間進行傳輸，同時避免電流在這兩個區域之間流通，從而確保沒有實際的電氣連接。這種隔離技術主要用于防止高壓系統中的處理器損壞、切斷通信網絡中的接地回路以及滿足安全法規的要求。在選擇以太網隔離芯片時，需要考慮以下性能指標：隔離電壓，確保芯片能夠承受的電氣隔離電壓；傳輸速率，芯片支持的數據傳輸速率，通常以Mbps或Gbps為單位；隔離芯片集成的通道個數；此外，還需要考慮芯片的兼容性、功耗、封裝形式、工作溫度范圍、可靠性等因素。以太網隔離芯片的類型多樣，主要基于不同的隔離技術，包括光耦隔離、磁耦隔離、容耦隔離等形式，本文需要“一進一出二接入”的4個網絡口，因此需要選擇至少包含8通道隔離的以太網隔離芯片，通過價格等因素的對比，本文選擇磁聯達的磁耦隔離式G4801S網絡隔離芯片，該芯片1K批量訂購價約為2.5元/片，芯片功能如圖2-3所示。

如圖2-3所示，G4801S芯片包含8個隔離通道，正好符合4個以太網接口的收、發電路需求，電路設計如圖2-4所示，每個網絡接口僅使用了1、2、3、6四個引腳作為數據傳輸信號引腳，后續設計中，再利用空閑引腳設計供電功能。圖中還設計了4個LED指示燈，用于指示四個以太網接口的工作狀態，有數據通信時，接口對應的指示燈會閃爍。

（四）電源設計

系統的主控芯片RTL8305采用3.3V電壓標準，因此系統需要設計電源電路提供3.3V電，考慮到系統電源穩定性及兼容性，電源對外接口供電范圍設計為9VDC-24VDC供電，內部采用DCDC轉換芯片MP2315GJ，將9VDC-24VDC電轉換成5VDC，然后使用AS1117-3.3芯片將5VDC轉換成3.3V電源供系統使用。

（五）PCB設計

本文采用純國產軟件立創EDA進行原理圖和PCB設計，在EDA中將原理圖轉換成PCB，并在PCB圖紙中進行元器件布局、布線等操作，制作好的電路板如圖2-5所示，焊接完成后的成品如圖2-6所示。

2-6 網路接入模塊實物圖

圖2-6中連接了兩塊網路接入模塊，將模塊A的出，通過網線接入到模塊B的如上，需要新接入的設備，可以通過模塊A和B上的增A和增B進行掛載接入，如果不掛載新設備，則該模塊可以當中繼器使用，可有效延長網絡通信距離90米以上。

三、總結

本文實現了一款支持兩路網絡設備接入到已有網絡的接入模塊，在需要新增設備的位置，只要將網線截斷并做好網線頭后，將該設備的進、出兩個端口接到剛斷開的網線接頭上，即實現了網絡中繼功能，將需要掛載的新設備通過模塊上的增A和增B接口可以很便捷的接入到網絡中，成功實現了所屬項目中網絡顯示屏的通信功能，該模塊總計成本為22元，符合設計預期，該模塊在智能工廠的環境檢測控制項目的應用中表現非常穩定可靠，獲得了用戶的認可。