張帥，鄭金龍，李猛，李岳煬

（濟(jì)南大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，山東濟(jì)南，250022）

0 引言

伴隨著傳感器網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線、嵌入式系統(tǒng)等技術(shù)的快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、智慧交通、環(huán)境保護(hù)、智能家居等方面都有著越來(lái)越廣泛的發(fā)展前景[1,2]。但是隨之也出現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)部缺乏統(tǒng)一通信標(biāo)準(zhǔn)，必須利用網(wǎng)關(guān)處理多協(xié)議之間的兼容等問(wèn)題[3]。

網(wǎng)關(guān)又稱(chēng)為協(xié)議轉(zhuǎn)換器，能夠起到連接不同網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備，使之能夠各部分之間互聯(lián)互通。文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)了一種智能家居安全系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，使系統(tǒng)能夠檢測(cè)室內(nèi)多項(xiàng)空氣參數(shù)并通過(guò)WIFI將數(shù)據(jù)上傳至PC端，提高了智能家居系統(tǒng)感知空氣質(zhì)量的能力。文獻(xiàn)[5]提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居控制方案，系統(tǒng)主要由STM32主控制器和STC12單片機(jī)組成，系統(tǒng)能夠遠(yuǎn)程控制家居并采集環(huán)境信息。文獻(xiàn)[6]結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種農(nóng)業(yè)大棚生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。能夠通過(guò)多種方式完成多種參數(shù)的傳輸，提高了管理效率并降低了人工成本。

但在物聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展同時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域仍存在著一些問(wèn)題，制約著進(jìn)一步的發(fā)展與應(yīng)用。

首先是網(wǎng)內(nèi)設(shè)備的傳輸信息問(wèn)題。物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)部的傳感器型號(hào)、類(lèi)型繁雜，沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。未經(jīng)轉(zhuǎn)換直接將傳感器與通信網(wǎng)絡(luò)相連，則會(huì)使服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)擔(dān)負(fù)大量的處理協(xié)議轉(zhuǎn)換的任務(wù)，影響服務(wù)器性能。多協(xié)議網(wǎng)關(guān)能夠更高效、快速的處理、轉(zhuǎn)發(fā)傳感器網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)，減輕服務(wù)器的負(fù)擔(dān)，使服務(wù)器能夠更好的處理其他任務(wù)，提高整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率，使系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)能夠以較低的成本擴(kuò)展傳感器網(wǎng)絡(luò)[7]。

其次是數(shù)據(jù)傳輸量過(guò)大，網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷過(guò)重的問(wèn)題。若采用傳感器直接向服務(wù)器傳輸數(shù)據(jù)的方式不僅傳輸量大且效率低下，增加傳感器的數(shù)量就會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸量也大幅增加，進(jìn)一步加重服務(wù)器的負(fù)擔(dān)。使用多協(xié)議網(wǎng)絡(luò)能夠使各層設(shè)備的任務(wù)更加專(zhuān)一，提高系統(tǒng)的效率，降低運(yùn)行成本[8]。

最后是規(guī)模節(jié)點(diǎn)設(shè)備組網(wǎng)的問(wèn)題。傳感器受自身功率限制無(wú)法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信，且傳感器之間通常為了采集不同位置的數(shù)據(jù)信息而布置在間隔較遠(yuǎn)的位置，故依賴(lài)傳感器本身進(jìn)行通信與組網(wǎng)經(jīng)常受到以上問(wèn)題的限制，很難能夠建立起大規(guī)模、遠(yuǎn)距離的傳感器網(wǎng)絡(luò)。使用網(wǎng)關(guān)與傳感器和服務(wù)器相連接就能夠?qū)崿F(xiàn)組網(wǎng)，并能夠優(yōu)化整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的配置與分布，使其更加合理與高效[9]。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)與網(wǎng)關(guān)的研究與應(yīng)用不斷取得新的進(jìn)展，其強(qiáng)大的兼容能力能夠滿(mǎn)足不同行業(yè)的各種需求，并且其自身具備的通信與管理能力則會(huì)使得設(shè)備更加智能化[10,11]。目前發(fā)展的重點(diǎn)在于提升網(wǎng)關(guān)的通用性、降低系統(tǒng)功耗和增強(qiáng)兼容能力。

針對(duì)上述存在的不足，本文設(shè)計(jì)了一種新型的多協(xié)議網(wǎng)關(guān)，具有多個(gè)模擬量接口和串口，能夠?qū)崿F(xiàn)采集模擬量、RS-232和RS-485信號(hào)并進(jìn)行處理和顯示，再將上傳數(shù)據(jù)至服務(wù)器的功能。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 功能要求

通過(guò)分析上述物聯(lián)網(wǎng)當(dāng)前存在的問(wèn)題與現(xiàn)實(shí)需求，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的多協(xié)議網(wǎng)關(guān)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(hào)，0~5V電壓信號(hào)；

(3)3路繼電器輸出，負(fù)載能力為24V DC/1A；

(4)內(nèi)置以太網(wǎng)口，可連接外網(wǎng)或內(nèi)網(wǎng)；

(5)內(nèi)置電池和外部供電兩種方式供電；

(6)具備多路現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集、轉(zhuǎn)換、轉(zhuǎn)發(fā)功能。

1.2 總體方案

本系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)上傳模塊和其他相關(guān)模塊組成。系統(tǒng)整體框架圖如圖1所示。

圖 1 系統(tǒng)整體框架圖

為了滿(mǎn)足多協(xié)議網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和處理的需求，本系統(tǒng)采用了AM3354BZ作為主控芯片。該芯片采用臺(tái)積電40nm工藝，頻率為1GHz的ARM Cortex-A8內(nèi)核；納秒級(jí)高頻時(shí)鐘等。同時(shí)核心板上有ROM存儲(chǔ)器和SDRAM等必要芯片，同時(shí)滿(mǎn)足高性能與低功耗的需求。

數(shù)據(jù)采集模塊是連接傳感器網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)關(guān)的橋梁，使網(wǎng)關(guān)能夠采集傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)，從而完成進(jìn)一步的處理與上傳的功能。

數(shù)據(jù)上傳模塊能夠上傳網(wǎng)關(guān)所采集的數(shù)據(jù)到指定的服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能。

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

除了上述的數(shù)據(jù)采集部分與數(shù)據(jù)上傳部分設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)還包括USB接口、電源、顯示部分的設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行與維護(hù)。

2 數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集部分由模擬量輸入模塊、數(shù)字量輸入模塊、RS232通信模塊和RS285通信模塊組成，實(shí)現(xiàn)多種信號(hào)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(shè)置了阻值為1M的上拉電阻用于提供參考信號(hào)，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(hào)的作用。

圖 2 模擬量輸入采集電路原理圖

圖3為T(mén)PS08U采集芯片的引腳設(shè)計(jì)圖，該模塊能夠采集8路4~20mA電流信號(hào)輸入和 0~5V的電壓信號(hào)輸入。

圖 3 TPS08U采集芯片接線圖

2.2 開(kāi)關(guān)量模塊

開(kāi)關(guān)量部分電路原理圖如圖4所示，電路中通過(guò)使用光耦隔離器將外部輸入與網(wǎng)關(guān)內(nèi)部隔離，使二者沒(méi)有電的連接，隔絕了外部的干擾。

圖 4 開(kāi)關(guān)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(shè)計(jì)了MAX33232E多通道RS-232線路驅(qū)動(dòng)器和接收器，電路由兩個(gè)線路驅(qū)動(dòng)器、兩個(gè)線路接收器和一個(gè)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(dá)250kbit/s，能夠滿(mǎn)足數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆?/p>

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(shè)計(jì)中使用了自動(dòng)收發(fā)隔離RS-485收發(fā)器，該模塊使用3.3V的電壓供電，集成了自動(dòng)收發(fā)控制、電源隔離、電氣隔離等功能，通信速率最大可達(dá)500 kbit/s。

3 數(shù)據(jù)上傳部分設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采集并處理現(xiàn)場(chǎng)傳感器數(shù)據(jù)之后，還需要將數(shù)據(jù)上傳。本系統(tǒng)主要采用無(wú)線4G和有線以太網(wǎng)兩種傳輸方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳。

3.1 無(wú)線4G通信模塊

無(wú)線4G通信模塊電路原理圖如圖7所示，設(shè)計(jì)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(dá)128kbps。

圖7 無(wú)線4G通信模塊電路原理圖

3.2 以太網(wǎng)通信模塊

由于本系統(tǒng)所采用的A6G2C核心板支持100M以太網(wǎng)控制器，故在設(shè)計(jì)中將RMII接口與以太網(wǎng)連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳的功能。以太網(wǎng)通信模塊電路原理圖如圖8所示。

圖8 以太網(wǎng)通信模塊電路原理圖

4 其他相關(guān)模塊設(shè)計(jì)

除了上述的數(shù)據(jù)采集部分與數(shù)據(jù)上傳部分設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)還包括USB接口、電源、顯示部分的設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行與維護(hù)。

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(shí)現(xiàn)OTG功能。并且電路允許通過(guò)較大的電流，適用于對(duì)啟動(dòng)電流有較高要求的場(chǎng)合。

圖9 USB接口電路原理圖

4.2 電源設(shè)計(jì)

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(zhuǎn)換效率高的特點(diǎn)。能夠滿(mǎn)足網(wǎng)關(guān)的供電要求。

圖10 電源電路原理圖

4.3 顯示電路設(shè)計(jì)

基于LCD控制器，設(shè)計(jì)了顯示電路，電路中包含一個(gè)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(shí)現(xiàn)預(yù)計(jì)的顯示功能。

5 軟件部分

除了上述的多協(xié)議網(wǎng)關(guān)的硬件部分，還設(shè)計(jì)了對(duì)應(yīng)的軟件部分以使設(shè)備能夠正常運(yùn)行，軟件設(shè)計(jì)基于Linux平臺(tái)并使用C++語(yǔ)言進(jìn)行軟件編程。軟件總體結(jié)構(gòu)如圖11所示。

圖11 軟件總體結(jié)構(gòu)圖

軟件包括初始化程序、數(shù)據(jù)采集與處理程序、數(shù)據(jù)通信程序、界面顯示和其他程序。

初始化程序主要用于設(shè)備上電后，檢測(cè)接口接入的數(shù)量和類(lèi)型，讀取設(shè)備和串口的配置，在檢測(cè)到錯(cuò)誤后及時(shí)報(bào)警。

數(shù)據(jù)采集與處理程序、數(shù)據(jù)通信程序是整個(gè)系統(tǒng)的核心，初始化完成后，根據(jù)配置的串口參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)置判斷采集4~20mA的電流或是0~5V電壓信號(hào)。隨后依據(jù)對(duì)應(yīng)的通訊協(xié)議進(jìn)行處理數(shù)據(jù)并顯示采集到的數(shù)據(jù)。同時(shí)系統(tǒng)根據(jù)配置開(kāi)始與服務(wù)器進(jìn)行通訊，將采集到的數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器。數(shù)據(jù)采集、處理和通信工作流程圖如圖12所示。

圖12 數(shù)據(jù)采集、處理與傳輸程序流程圖

顯示界面能夠通過(guò)液晶屏實(shí)時(shí)顯示多協(xié)議網(wǎng)關(guān)的狀態(tài)和采集到的數(shù)據(jù)，并使用戶(hù)能夠更改系統(tǒng)的配置。

其他程序包括用戶(hù)管理和數(shù)據(jù)導(dǎo)出程序，用戶(hù)管理程序中包含普通用戶(hù)和管理員兩類(lèi)用戶(hù)，不同用戶(hù)擁有不同的操作權(quán)限，系統(tǒng)允許添加或刪除不同類(lèi)型的用戶(hù)。數(shù)據(jù)導(dǎo)出程序在系統(tǒng)插入存儲(chǔ)卡后用戶(hù)可以向存儲(chǔ)卡內(nèi)導(dǎo)入采集到的數(shù)據(jù)。

6 系統(tǒng)測(cè)試

多協(xié)議網(wǎng)關(guān)硬件實(shí)物圖如圖13所示。載入軟件程序，對(duì)多協(xié)議網(wǎng)關(guān)進(jìn)行整體的功能測(cè)試。如圖14和圖15所示，系統(tǒng)能夠采集RS232、RS485、模擬量信號(hào)并實(shí)時(shí)顯示在屏幕中，通過(guò)觸摸屏即可對(duì)串口參數(shù)等系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行配置。設(shè)置服務(wù)器參數(shù)后即可進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳與通信，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能。

圖13 系統(tǒng)硬件實(shí)物圖

圖14 系統(tǒng)主界面

圖15 串口配置界面

7 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的多協(xié)議網(wǎng)關(guān)可以高效、可靠的采集模擬量輸入、數(shù)字量輸入、RS232與RS485多種傳感器信號(hào)，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理與顯示，以及通過(guò)以太網(wǎng)上傳至指定的服務(wù)器。多協(xié)議網(wǎng)關(guān)有效地解決了傳感器網(wǎng)絡(luò)種存在的傳輸數(shù)據(jù)需要占用大量的服務(wù)器資源和帶寬、傳感器的傳輸協(xié)議不兼容的問(wèn)題。未來(lái)在環(huán)境監(jiān)測(cè)、工業(yè)生產(chǎn)與監(jiān)控、智能家居、智能交通等各個(gè)領(lǐng)域?qū)⒂兄鴱V泛的應(yīng)用前景。