一种基于嵌入式脚本实现的NB-IoT内存优化通信方案设计

徐献圣 张震

摘要：针对基于OpenCPU的NB-IoT模块上作为兼任主处理器和数据传输功能时具有的内存压力，该文设计一种嵌入式脚本Lua脚本语言实现NB-IoT模块的内存优化方案。通过该方案，利用Lua脚本语言中自动内存管理和增量垃圾回收的特点弥补C语言的短板，从而优化内存空间，节省NB-IoT模块资源的消耗，降低功耗。

关键词：OpenCPU;嵌入式脚本;Lua;NB-IoT模块;内存;优化

中图分类号：TP393.409        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）25-0051-02

为了适应物联网的发展，满足更多的应用场景和市场需求，传感网中诞生了一批适合物与物之间远距离通信的无线通信技术，统稱为低功耗广域网，即LPWAN。NB-IoT是一种工作于授权频谱下的LPWAN，其具有广覆盖、低功耗、低成本、大连接等多个优点，深受国内物联网企业的青睐。在传统方案中，往往会将NB-IoT外接至MCU。这种方式主要由MCU接收传感器采集的数据，再通过UART方式将数据传至NB-IoT模组，最后上传至云平台[1-2]。肖磊[3]提出将OpenCPU应用到NB-IoT模组上，让NB-IoT模块本身成为处理器，这样用户能够在NB-IoT模块上同时实现数据采集和数据上云，降低了MCU成本，节省了MCU功耗，提高了系统的稳定性和数据上传的实时效率。但是，由于处理器功能的转移，是以牺牲NB-IoT模组的内部资源作为代价，影响自身的运行效率。

针对此类问题，本文提出一种基于Lua脚本语言实现内置中移M5311模组的LM-NB-M-01模块通信的解决方案，以TCP协议传输作为使用案例。此方案将外围设备数据获取和TCP通信任务都交由Lua虚拟机处理，根据获取的数据，决定是否调用启动关于TCP通信任务的Lua脚本，由此节省NB-IoT模组资源的消耗，提升运行效率。

1 Lua脚本语言简介

Lua[4-6]是一种遵循标准C写成的轻量级嵌入式脚本语言，其具有扩展性好、简单小巧、与平台无关的特点。Lua提供了易于使用的扩展接口和机制，尤其是当C/C++作为其宿主语言时，它们之间很容易完成交互，如同本身就是内置的功能一样，因此Lua非常方便移植到基于C语言的OpenCPU中使用，不会引起硬件增大消耗的额问题。基于Lua实现TCP协议传输的NB-IoT通信方案，主要依靠Lua的下列特点。

（1）Lua是动态类型语言，即其变量没有预定义的类型，值才有类型，并且函数也可以看成是一个值。Lua还提供了一种通用类型的表，用它可以实现数组，哈希表，集合。这些特点使得Lua除了支持面向过程编程和函数式编程，还支持面向对象编程，弥补了C语言在设计上的短板。

（2）Lua简单小巧，Lua5.3.4发行版所有标准库加起来只有640kb大小，编译后仅一百余K，能够有效节省系统内部资源。

（3）Lua具有自动内存管理和增量垃圾回收功能。设计者不需要担心如何管理资源，只需要分配内存，同时这个内存由Lua管理。当程序不需要某个对象时，Lua会自动删除这个失效的对象，节省系统内部资源。

（4）Lua提供的协同进程机制使得Lua脚本作为独立线程，与主程序和其他线程互不影响地同时工作，提升程序的运行效率。

2 设计方案介绍

本方案围绕基于中移M5311 NB-IoT模组的LM-NB-M-01模块与私有云平台实现TCP通信来进行设计，系统设计方案框架如图1所示，系统运行流程图如图2所示。

启动LM-NB-M-01模块，主程序建立OpenCPU任务，等待注册网络。网络在线后，外围传感器设备开始将感知到的数据通过外设接口传入至LM-NB-M-01模块中，接着主程序对数据进行处理，判断是否需要将数据传上云平台。例如数据在所设阈值范围内，不向云平台执行发送行为。这种情况在监测系统[7]尤为常见。当终端模块判断数据超过阈值时，需要发送报警信号给云平台，此时创建Lua虚拟机，将编写的TCP通信的C函数注册到Lua虚拟机中，然后读取Flash文件中独立于C程序的Lua脚本文件，完成TCP任务。之后关闭虚拟机，依靠Lua本身特点自动收集垃圾并清理内存，节省内存资源。

私有云服务器的设计，采用IOCP高并发架构设计，通过花生壳内网穿透软件，实现云服务器与私有内网服务器建立连接，同时把内网端口映射到云端。

3设计方案介绍

为了节省系统内部资源和提升程序的运行效率，本设计重点不在如何实现获取或处理传感器数据，而是着重于采用Lua与C语言混合编程的方案如何实现NB-IoT基于TCP协议的传输。具体步骤如下。

（1）将Lua移植到LM-NB-M-01模块的OpenCPU环境

将Lua5.3.4源码包中src目录内部除了lua.c与luac.c外的所有.c和.h加入到M5311-OPENCPU_SDK 3.3.0中。由于OpenCPU采用make-clean编译方式，因此可以使用Visual Studio Code IDE完成此项工作。但要编译成功，还需要注意将Lua源码中用到的clock（）、remove（filename）以及rename（fromname， toname）函数删掉或修改，否则与原来OpenCPU的源码有冲突。

（2）建立Lua与C交互环境

C与Lua之间通过C API进行交互，其关键在于构建一个虚拟的栈，通过操作栈上的值来实现API调用和C与Lua之间数据交换。

①通过以下格式创建Lua虚拟机。

lua_State *L = NULL;

L = luaL_newstate（）;  //创建Lua状态机