【正文】 域?qū)钠髽I(yè)向個人和家庭用戶的方向延伸。 第 8章 物聯(lián)網(wǎng) M2M M2M的應(yīng)用舉例 — 基于嵌入式 ARM處理器的 M2M終端總體設(shè)計 1．系統(tǒng)硬件組成 M2M終端的硬件核心為 GPRS通信模塊 MC35i和 ARM處理器 AT91SAM7S64，它們的接口設(shè)計如圖 。 M2M終端對外留有兩個 RS232串口，通過發(fā)送預(yù)先定義好的數(shù)字指令，可以實現(xiàn) M2M終端的啟動、關(guān)閉等。當(dāng) M2M終端與Inter建立連接后，只需把封裝好的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到M2M終端，由其完成向監(jiān)控中心發(fā)送數(shù)據(jù)的功能。 第 8章 物聯(lián)網(wǎng) M2M 圖 嵌入式 M2M終端的硬件組成 第 8章 物聯(lián)網(wǎng) M2M 1) ?GPRS模塊 GPRS模塊是實現(xiàn) M2M終端平臺的核心部分，設(shè)計中采用西門子公司的 GPRS通信模塊 MC35i。本模塊包括 CPU接口電路、 SIM卡接口電路和 MC35i外圍電路。 MC35i支持 GPRS的四種編碼協(xié)議： CS CS CS3和 CS4，理論上最高傳輸速率可達(dá) 172 kb/s。它具備完整的 GSM和 GPRS功能，可以廣泛應(yīng)用在相關(guān)的 M2M數(shù)據(jù)傳輸平臺上。 MC35i提供了標(biāo)準(zhǔn)AT命令界面和一個 RS232接口，用于與外部應(yīng)用系統(tǒng)連接。 第 8章 物聯(lián)網(wǎng) M2M 2) ?ARM處理器 本數(shù)據(jù)傳輸平臺處理器采用 ATMEL公司生產(chǎn)的 32位ARM7TDMI體系結(jié)構(gòu)處理器 AT91SAM7S64。該芯片采用 V電壓進(jìn)行供電，支持低功耗模式。它具有 64 KB的 FLASH和 16 KB的 SRAM，具備豐富的外圍設(shè)備資源，其中包括 3個UART通信串口和 1個 。利用本芯片完成系統(tǒng)功能的同時可以實現(xiàn)系統(tǒng)的高性價比。 CPU模塊硬件電路包括時鐘電路、 JTAG接口電路和 RS232接口電路等。 第 8章 物聯(lián)網(wǎng) M2M 3) 電源設(shè)計 系統(tǒng)采用 9?V電源進(jìn)行供電，經(jīng)過 TI公司 LDO降壓芯片UA7805進(jìn)行一次降壓，使電壓降至 5 V。 GPRS模塊 MC35i要求的電源電壓為 V～ V，而且要求電源必須能夠提供 2 A的尖峰電流，因此需要將 5 V電源通過一個 V壓降的肖特基二極管 1N5819后輸入 MC35i，同時需要接入耐壓 25 V、1000 μF的電解電容，以為 MC35i提供足夠的尖峰電流。將 5 V電源經(jīng)過 TI公司電源模塊 V，為微處理器及其他芯片提供電源。 第 8章 物聯(lián)網(wǎng) M2M 2．嵌入式軟件設(shè)計 采用嵌入式實時操作系統(tǒng)可以更合適、有效地利用 CPU的資源，簡化應(yīng)用軟件的設(shè)計，縮短系統(tǒng)開發(fā)時間，更好地保證系統(tǒng)的實時性和可靠性。 FreeRTOS是在 Sourcefe網(wǎng)站上發(fā)布的微內(nèi)核嵌入式實時操作系統(tǒng)，它是完全免費(fèi)的操作系統(tǒng)，具有源碼公開、可移植、可裁減、調(diào)度策略靈活的特點(diǎn)。作為一個輕量級的操作系統(tǒng)， FreeRTOS提供的功能包括任務(wù)管理、時間管理、信號量、消息隊列、內(nèi)存管理等。 FreeRTOS支持優(yōu)先級和輪換時間片兩種調(diào)度算法，可根據(jù)用戶需要設(shè)置為可剝奪型內(nèi)核或不可剝奪型內(nèi)核。下面基于 FreeRTOS給出了 M2M終端實現(xiàn) PPP協(xié)商以及數(shù)據(jù)封裝傳輸?shù)能浖O(shè)計方案。 第 8章 物聯(lián)網(wǎng) M2M 1) 基于狀態(tài)機(jī)設(shè)計 GPRS連接任務(wù) 由于網(wǎng)絡(luò)和信號較弱等原因，可能導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)與 GPRS網(wǎng)絡(luò)連接的失敗，采用基于狀態(tài)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法對各個階段產(chǎn)生的錯誤進(jìn)行處理，能保障模塊與 GPRS網(wǎng)絡(luò)建立可靠連接。狀態(tài)機(jī)設(shè)計流程如圖 。 第 8章 物聯(lián)網(wǎng) M2M 圖 GPRS網(wǎng)絡(luò)連接任務(wù)的狀態(tài)機(jī)設(shè)計流程 第 8章 物聯(lián)網(wǎng) M2M 空閑待命態(tài)：此時 MC35i處在離線關(guān)閉狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)處在低功耗模式下，系統(tǒng)復(fù)位后處于此狀態(tài)。 GPRS參數(shù)設(shè)置態(tài)：處理器控制啟動 MC35i模塊后進(jìn)入此狀態(tài)，通過發(fā)送 AT命令對模塊及必要的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，為使各個參數(shù)均設(shè)置成功，軟件設(shè)計中增加了容錯重試機(jī)制 。 第 8章 物聯(lián)網(wǎng) M2M PPP協(xié)商態(tài)： GPRS參數(shù)設(shè)置完成后，通過發(fā)送AT*99***1命令，開始 MC35i模塊與 GPRS網(wǎng)絡(luò) ISP(網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供商 )的 PPP協(xié)商。軟件設(shè)計中采用 LCPHandler()函數(shù)完成 LCP協(xié)商， PAPHandler()完成認(rèn)證，由 IPCPHandler()完成IPCP協(xié)商，如果最后獲得 ISP和本節(jié)點(diǎn)的 IP地址，則進(jìn)入PPPOVER態(tài)，此后就能進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸了。由于 GPRS網(wǎng)絡(luò)等原因， PPP協(xié)商有時會失敗，此時應(yīng)重啟 MC35i模塊，再按照狀態(tài)機(jī)流程重新連接 。 第 8章 物聯(lián)網(wǎng) M2M UDP數(shù)據(jù)傳輸態(tài)：當(dāng)程序采用 UDP方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時，程序進(jìn)入此狀態(tài)，通過 xDataTrsmtTask()任務(wù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的UDP/IP封裝和解析。 TCP數(shù)據(jù)傳輸態(tài)：當(dāng)節(jié)點(diǎn)調(diào)用 uip_cionnect()函數(shù)與監(jiān)控中心建立連接后，程序進(jìn)入 TCP數(shù)據(jù)傳輸態(tài)，進(jìn)行基于 TCP的數(shù)據(jù)傳輸。 第 8章 物聯(lián)網(wǎng) M2M 2) 數(shù)據(jù)的封裝和傳輸 通過 GPRS進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸需要經(jīng)過 Inter網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行中轉(zhuǎn)，因而傳輸?shù)臄?shù)據(jù)封裝必須進(jìn)行 TCP/IP協(xié)議。此處利用軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)封裝，需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)經(jīng)過傳輸層 UDP協(xié)議頭封裝，然后是 IP協(xié)議頭的封裝，最后進(jìn)行 PPP協(xié)議的封裝。 MC35i將接收到的數(shù)據(jù)透明地傳輸?shù)?Inter網(wǎng)絡(luò)中，通過 Inter網(wǎng)絡(luò)路由器中轉(zhuǎn)，最終將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。接收端對接收到的數(shù)據(jù)按照相應(yīng)的層次進(jìn)行解析，從而確定數(shù)據(jù)的目標(biāo)程序。 第 8章 物聯(lián)網(wǎng) M2M 系統(tǒng)軟件設(shè)計采用分層的結(jié)構(gòu)，從底到上分別為串口驅(qū)動層 (物理層 )、 PPP協(xié)議層 (鏈路層 )、 IP協(xié)議層 (網(wǎng)絡(luò)層 )、UDP協(xié)議和 ICMP層 (傳輸層 )以及應(yīng)用層。在移植好的 LwIP協(xié)議棧中，通過在各層中建立相應(yīng)功能的線程，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的封裝。底層軟件為上層軟件提供函數(shù)支持，上層軟件利用底層軟件完成應(yīng)用程序的編寫和實現(xiàn)。軟件采用自底向上的設(shè)計方法逐步實現(xiàn)系統(tǒng)中各個函數(shù)的功能，各部分函數(shù)實現(xiàn)均采用模塊化的設(shè)計方法。每個任務(wù)對應(yīng)一個模塊。對每個任務(wù)單獨(dú)進(jìn)行設(shè)計后，最終由 FreeRTOS操作系統(tǒng)統(tǒng)一管理，通過采用信號量和郵箱的方式實現(xiàn)多個任務(wù)之間的通信。軟件各部分主要函數(shù)之間的關(guān)系如圖 。 第 8章 物聯(lián)網(wǎng) M2M 圖 軟件各部分主要函數(shù)之間的關(guān)系 第 8章 物聯(lián)網(wǎng) M2M 在 MC35SerialISR()中將接收的數(shù)據(jù)存放到 xQRxChars隊列中后，發(fā)送 SemMC35Rx信號量來激活 PPPRxTask()任務(wù)。通過對接收數(shù)據(jù)的解析，確定數(shù)據(jù)包的類型，然后由相應(yīng)的函數(shù)對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。 第 8章 物聯(lián)網(wǎng) M2M 如果接收的數(shù)據(jù)是應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)，將由 IPRx()函數(shù)判斷目標(biāo)主機(jī)是否正確，再經(jīng)過傳輸層解析數(shù)據(jù)從而判定對數(shù)據(jù)處理的應(yīng)用程序。最后由應(yīng)用程序解析數(shù)據(jù)并執(zhí)行相應(yīng)的功能，如將數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到主機(jī)、向數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)送控制命令、接收數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)并發(fā)送等。當(dāng)接收隊列中所有數(shù)據(jù)均處理完畢后，延時 250 ms，如果還沒有接收到數(shù)據(jù)，則任務(wù)通過等待信號量 SemMC35Rx將自己掛起。數(shù)據(jù)的發(fā)送是一個相反的過程。 第 8章 物聯(lián)網(wǎng) M2M 應(yīng)用程序根據(jù)需要的功能建立 UDPTxTask()或ICMPTxTask()任務(wù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到 xAPPTxQ隊列中。相應(yīng)的任務(wù)再調(diào)用 IPTx()和 PPPTx()函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的封裝并將數(shù)據(jù)發(fā)送到 xQTxChars隊列中，從而喚醒 MC35SerialISR()中斷程序?qū)?shù)據(jù)通過串口發(fā)送到 MC35i中進(jìn)行傳輸。為提高系統(tǒng)的實時性， FreeRTOS采用可剝奪內(nèi)核方式進(jìn)行調(diào)度。采用FreeRTOS操作系統(tǒng)對任務(wù)進(jìn)行管理簡化了軟件的編寫難度，同時提高了程序的可讀性和可移植性。 第 8章 物聯(lián)網(wǎng) M2M 3．總結(jié) 基于 GPRS的 M2M產(chǎn)品的無線數(shù)據(jù)傳輸以及遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)是目前國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。本節(jié)采用完全免費(fèi)的操作系統(tǒng)和 TCP/IP協(xié)議棧給出的系統(tǒng)設(shè)計方案具備成本低、性能好、可升級等優(yōu)點(diǎn)，為遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)相關(guān)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)傳輸提供了一個可行的設(shè)計方案。 第 8章 物聯(lián)網(wǎng) M2M 演講完畢，謝謝觀看！