一個面向物聯(lián)網(wǎng)應用的通用競賽平臺設計

徐朝農，劉志卓

（中國石油大學 信息科學與工程學院，北京 102200）

黨中央和國務院高度重視物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，明確指出要加快推動物聯(lián)網(wǎng)技術研發(fā)和應用示范。大部分地區(qū)也將物聯(lián)網(wǎng)作為發(fā)展重點，出臺了相應的發(fā)展規(guī)劃和行動計劃，許多行業(yè)部門將物聯(lián)網(wǎng)應用作為推動本行業(yè)發(fā)展的重點工作加以支持。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術不斷推向應用，全國各類物聯(lián)網(wǎng)設計競賽也不斷涌現(xiàn)，這些競賽大大促發(fā)大學生們學習物聯(lián)網(wǎng)技術的熱情。然而，物聯(lián)網(wǎng)技術是典型的軟硬件結合技術，對研發(fā)平臺有一定的穩(wěn)定性要求，硬件只要稍有變化，都會帶來系統(tǒng)的各種故障[1]。而這些故障的解決需要很強的計算機硬件和軟件技能以及現(xiàn)場應用經(jīng)驗，學生一般難以自行解決。事實上，調試的結果往往是因為設備移動等造成的連線故障、連線錯接等，這些本來很不必要的麻煩會牽扯巨大的精力投入，讓帶隊教師疲于應付。為克服上述困難，方便學生學習和教師指導，設計一個面向物聯(lián)網(wǎng)應用的通用競賽平臺已成為教學與實踐改革的重點。本文介紹了這樣一個平臺的設計與應用。

1 平臺的建立的原因

出現(xiàn)上述問題，主要是因為參與競賽的硬件設備種類較多，設備的機械、電氣接口不統(tǒng)一造成的。可以說，學生要想憑實力獲得比較好的競賽成績，相對固定的場所是必要的，具有統(tǒng)一接口的研發(fā)平臺也是極其重要的，這樣，學生可以在這個研發(fā)平臺上暫時擺脫由于硬件不穩(wěn)定而帶來的困擾，集中精力逐步熟悉軟硬協(xié)同的操作，并逐步過渡到研發(fā)過程。有了自主設計能力，學生的學習興趣和能力一定大增，參加競賽獲獎的概率就自然提高了[2]。

本文力圖建立具有統(tǒng)一接口的物聯(lián)網(wǎng)競賽軟硬件平臺，讓學生熟悉物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)的流程和過程，并逐步增強設計能力，為學生參加全國競賽打下先期條件。當然，在全國競賽上獲獎，不僅是對學生巨大的激勵，也表明了學校在學生培養(yǎng)方面工作具有實效性，是學校對外最好的宣傳名片。建立該平臺的必要性自然是不言而喻的。

市面上已擁有多款物聯(lián)網(wǎng)平臺，其中Particle 物聯(lián)網(wǎng)平臺是一款企業(yè)級物聯(lián)網(wǎng)平臺，它的優(yōu)勢在于可與其開發(fā)套件進行網(wǎng)狀連接，適用于原型設計。Adafruit IoT 平臺用于可穿戴設備或手持設備，具有靈活、便攜和輕便的特點。Arduino IoT 平臺優(yōu)勢在于擁有軟件工具和第三方庫的支持，用戶可以方便地從社區(qū)獲取資源和支持。本文所介紹的物聯(lián)網(wǎng)競賽平臺面向學生競賽使用需求來設計，可供指導老師和學生遠程開發(fā)、在線調試和仿真使用，使得老師和學生可以進行實時遠程交互，極大地方便老師指導和學生調試；此外，底層硬件設計完全開放給學生，學生可根據(jù)參賽設計需求自行添加模塊和進行二次開發(fā)。下面將分兩部分介紹該平臺的設計，包括硬件設備研制及軟件平臺研發(fā)。

2 硬件平臺設計

在進行硬件平臺設計時，需要堅持一些設計原則，包括高可用性、高擴展性和高安全性。并進行統(tǒng)一規(guī)劃，以保證平臺使用的便利性和運行的穩(wěn)定性。

本文所設計的物聯(lián)網(wǎng)競賽平臺，作用是將物聯(lián)網(wǎng)設備以有線、無線的方式集成起來，構建成一個統(tǒng)一的物聯(lián)網(wǎng)平臺。

如圖1 展示了一種通用物聯(lián)網(wǎng)競賽平臺。市面上的傳感器和智能設備等可以用海量來形容，為了使得這些設備可以盡可能地融入該平臺，將容易布線的傳感器設備直接與該平臺相連；同時，該平臺提供了無線基站模塊，以使得距離較遠的、不易布線的傳感器和控制器等設備可以通過無線方式與該平臺建立連接。

圖1 平臺實物圖Fig.1 Physical map of the platform

2.1 與本地傳感器接口

由于本地傳感器安裝位置與物聯(lián)網(wǎng)平臺距離較近，具有容易布線的特點，因此針對這些本地傳感器，物聯(lián)網(wǎng)平臺提供有線接口來將它們接入。本地傳感器具有多種接口類型，物聯(lián)網(wǎng)平臺包括與之匹配的多種接口類型，基本上涵蓋市面上現(xiàn)有的通信協(xié)議。按照本地傳感器對通信速率需求的不同，物聯(lián)網(wǎng)平臺提供高速與低速兩種通信接口。如圖2 所示，高速通信接口包括PCIe、USB、SATA、HDMI 和RJ-45 接口等；低速接口包括UART、SPI、JTAG 和I2C接口等。

圖2 與本地傳感器接口Fig.2 Interface with the local sensor

2.2 與遠程傳感器接口

一些傳感器布置較為分散，與物聯(lián)網(wǎng)平臺距離遠，無法通過有線方式進行通信，稱這些傳感器為遠程傳感器。對于這些遠程傳感器，物聯(lián)網(wǎng)競賽平臺為其提供無線通信接口。

物聯(lián)網(wǎng)競賽平臺遠程通信接口支持ZigBee、Lo-Ra、WIFI、藍牙和433M 無線通信等協(xié)議，以滿足傳感器的遠程通信需求。物聯(lián)網(wǎng)競賽平臺有自動識別與保存功能。具體的，在遠程傳感器設備首次與物聯(lián)網(wǎng)競賽平臺連接后，平臺將自動保存?zhèn)鞲衅黝愋筒⒕幪枺瑫r提供編輯功能，使得學生可以自主地對傳感器進行分組和打標簽等操作。平臺會定時對已連接傳感器發(fā)送握手報文，以驗證各傳感器在線狀態(tài)，如發(fā)現(xiàn)傳感器長時間無回應則判斷為斷連，平臺會及時更新傳感器狀態(tài)并通知用戶。在學生實驗中時常需要發(fā)送報文給遠程傳感器，物聯(lián)網(wǎng)競賽平臺提供單發(fā)與群發(fā)功能，在執(zhí)行完上述操作后一定時間內，平臺會自動發(fā)送查詢報文以驗證傳感器執(zhí)行結果，方便了學生對傳感器的管理與控制。

2.3 對可靠性方面考慮

針對大學生競賽而言，穩(wěn)定性是學生取得好成績的重要前提，這就對物聯(lián)網(wǎng)競賽平臺的可靠性提出很高的要求。

在物聯(lián)網(wǎng)競賽平臺使用時，由于學生誤操作等原因，可能會發(fā)生數(shù)據(jù)掉電丟失現(xiàn)象，這就需要在設計中考慮數(shù)據(jù)保護功能。在設計中，物聯(lián)網(wǎng)競賽平臺加入了保險絲、防反接模塊、限流措施等，保證了用電安全，增加了操作的容錯性。提供直流不間斷電源與掉電自動檢測功能，在發(fā)生掉電現(xiàn)象時平臺會立即檢測到這一現(xiàn)象并通知用戶，同時切換到直流不間斷電源供電。雖然直流不間斷電源電量有限，但為學生保存實驗過程中的數(shù)據(jù)提供了寶貴的時間。提供數(shù)據(jù)自動保存功能，物聯(lián)網(wǎng)平臺會定時對暫存數(shù)據(jù)進行保存；特別的，在異常情況發(fā)生后，系統(tǒng)會立即執(zhí)行一次數(shù)據(jù)保存操作。在系統(tǒng)從異常狀態(tài)中恢復后，學生可自行恢復數(shù)據(jù)。

2.4 底層統(tǒng)一接口

在對物聯(lián)網(wǎng)競賽的需求進行全面調研后，平臺將多種傳感器，如溫濕度傳感器、氣體傳感器、熱電偶傳感器、超聲波傳感器、壓力傳感器等聯(lián)合起來，建立統(tǒng)一的“采集-報送-儲存”機制。同樣與傳感器一樣，智能設備在近幾年也逐漸興起，成為物聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分。物聯(lián)網(wǎng)平臺將智能電表、智能門鎖和智能水表等設備統(tǒng)一起來，設計一致的接口。為了保證數(shù)據(jù)的及時性和有效性，為這些設備設定統(tǒng)一的數(shù)據(jù)幀格式，并針對每個設備的特點設定上報時間、上報間隔等，這些設定是可調的。平臺收集到這些數(shù)據(jù)后就進行計算、處理和打包，以向上提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)報送接口。

3 軟件平臺研發(fā)

建立一個物聯(lián)網(wǎng)競賽硬件平臺，在該設備上搭載一個軟件平臺，使得該平臺的功能可以被參賽選手直接使用。

由于Linux 具有系統(tǒng)內核小、開放源代碼、效率高和內核網(wǎng)絡結構完整等特點[3]，因此平臺選用Linux 作為操作系統(tǒng)。不僅方便指導教師的教學，同時學生可以從網(wǎng)絡上方便地獲取文檔和技術支持。相對于其它系統(tǒng)，Linux 系統(tǒng)運行穩(wěn)定，有助于學生日常訓練和競賽使用，滿足平臺設計之初對穩(wěn)定性的要求。

搭建交叉開發(fā)環(huán)境，使得在PC 機開發(fā)的程序可以在嵌入式系統(tǒng)上運行。如圖3 為軟件平臺開發(fā)流程，分為BootLoader 移植、Linux 內核的配置與設備驅動添加、設備樹文件的修改和文件系統(tǒng)的構建四個部分[4]。開發(fā)完成后進行系統(tǒng)集成測試，以驗證移植是否成功。

圖3 軟件平臺開發(fā)流程Fig.3 Software platform development process

3.1 BootLoader 移植

BootLoader，即引導加載程序。與PC 端的BIOS 類似，BootLoader 在操作系統(tǒng)內核運行之前運行，它的作用包括初始化硬件設備、建立內存空間映射圖等，從而為操作系統(tǒng)內核的正確運行提供合適的環(huán)境。由于U-Boot 適配多種嵌入式操作系統(tǒng)內核，具有高可靠性和穩(wěn)定性。因此在本平臺軟件平臺開發(fā)時，使用UBoot 這種BootLoader。

按照如圖4 流程進行U-Boot 移植。U-Boot 目的主要有兩個，即初始化內存和將內核搬運到內存中運行。其主要分為兩個階段，第一階段對所有硬件設備進行初始化，為后續(xù)啟動設置合適的內存空間，以及設置堆棧等。然后跳轉到第二階段，在初始化本階段所使用的硬件設備后，U-Boot 將內核映像加載到內存中。最后調用內核。

圖4 U-Boot 移植流程Fig.4 The migration process of U-Boot

3.2 Linux 內核的配置與設備驅動添加

Linux 系統(tǒng)的內核包括了進程調度、內存管理、文件系統(tǒng)、設備驅動等，這些模塊擁有直接操控底層硬件的能力，對Linux 內核配置并將其移植到本平臺上。

如圖5 為Linux 內核移植流程。在配置內核選項時，添加所有平臺模塊對應的驅動以及對文件系統(tǒng)的支持。完成后便開始編譯和安裝。至此Linux 內核移植完成。

圖5 內核移植流程Fig.5 The kernel migration process

3.3 設備樹文件的修改

設備樹作用在于描述硬件平臺所擁有的硬件資源，Linux 內核不直接訪問硬件本身而是通過訪問設備樹來間接獲取硬件信息。

在修改設備樹的過程中最重要的部分為節(jié)點屬性的添加，后續(xù)的驅動則通過函數(shù)來獲取這些節(jié)點屬性信息。將平臺所有的硬件資源添加至設備樹文件中。后續(xù)只需更新設備樹文件即可。

3.4 文件系統(tǒng)的構建

在Linux 系統(tǒng)移植的最后部分，平臺進行文件系統(tǒng)的構建，即創(chuàng)建根文件系統(tǒng)。在文件系統(tǒng)中添加庫函數(shù)、配置信息、常用的軟件等，至此完成了一個完整的Linux 最小系統(tǒng)。后續(xù)可在這個系統(tǒng)上添加一些第三方組件，使得Linux 系統(tǒng)功能更為齊全與完善。

3.5 系統(tǒng)集成測試

將制作好的U-Boot 文件、內核文件、設備樹文件和系統(tǒng)鏡像下載到平臺上，即可開始測試。觀察啟動信息表明U-Boot 成功引導內核啟動，成功加載了設備樹文件和驅動文件，以及文件系統(tǒng)掛載成功。

4 平臺使用效果

本校物聯(lián)網(wǎng)競賽參賽隊伍已開始使用本平臺，針對參賽隊伍訓練過程中的反饋進行了優(yōu)化。目前，該平臺處于穩(wěn)定運行狀態(tài)。學生使用該平臺可以方便地進行上層軟件的開發(fā)和對硬件的二次開發(fā)，為后續(xù)學生參加各種物聯(lián)網(wǎng)設計競賽提供了強有力的幫助，為本校物聯(lián)網(wǎng)競賽取得好成績打下了堅實的基礎。