一种基于嵌入式处理器的多协议网关设计

张帅，郑金龙，李猛，李岳炀

（济南大学 自动化与电气工程学院，山东济南，250022）

0 引言

伴随着传感器网络、工业现场总线、嵌入式系统等技术的快速发展，物联网技术在农业生产、智慧交通、环境保护、智能家居等方面都有着越来越广泛的发展前景[1,2]。但是随之也出现了物联网内部缺乏统一通信标准，必须利用网关处理多协议之间的兼容等问题[3]。

网关又称为协议转换器，能够起到连接不同网络的设备，使之能够各部分之间互联互通。文献[4]设计了一种智能家居安全系统，该系统结合物联网技术，使系统能够检测室内多项空气参数并通过WIFI将数据上传至PC端，提高了智能家居系统感知空气质量的能力。文献[5]提出了一种基于物联网的智能家居控制方案，系统主要由STM32主控制器和STC12单片机组成，系统能够远程控制家居并采集环境信息。文献[6]结合物联网技术，设计了一种农业大棚生产环境监控系统。能够通过多种方式完成多种参数的传输，提高了管理效率并降低了人工成本。

但在物联网快速发展同时，物联网领域仍存在着一些问题，制约着进一步的发展与应用。

首先是网内设备的传输信息问题。物联网内部的传感器型号、类型繁杂，没有统一的标准。未经转换直接将传感器与通信网络相连，则会使服务器网络担负大量的处理协议转换的任务，影响服务器性能。多协议网关能够更高效、快速的处理、转发传感器网络中的数据，减轻服务器的负担，使服务器能够更好的处理其他任务，提高整个系统的运行效率，使系统网络能够以较低的成本扩展传感器网络[7]。

其次是数据传输量过大，网络负荷过重的问题。若采用传感器直接向服务器传输数据的方式不仅传输量大且效率低下，增加传感器的数量就会导致数据传输量也大幅增加，进一步加重服务器的负担。使用多协议网络能够使各层设备的任务更加专一，提高系统的效率，降低运行成本[8]。

最后是规模节点设备组网的问题。传感器受自身功率限制无法实现远距离通信，且传感器之间通常为了采集不同位置的数据信息而布置在间隔较远的位置，故依赖传感器本身进行通信与组网经常受到以上问题的限制，很难能够建立起大规模、远距离的传感器网络。使用网关与传感器和服务器相连接就能够实现组网，并能够优化整个网络的配置与分布，使其更加合理与高效[9]。

目前国内外对于物联网与网关的研究与应用不断取得新的进展，其强大的兼容能力能够满足不同行业的各种需求，并且其自身具备的通信与管理能力则会使得设备更加智能化[10,11]。目前发展的重点在于提升网关的通用性、降低系统功耗和增强兼容能力。

针对上述存在的不足，本文设计了一种新型的多协议网关，具有多个模拟量接口和串口，能够实现采集模拟量、RS-232和RS-485信号并进行处理和显示，再将上传数据至服务器的功能。

1 总体设计

1.1 功能要求

通过分析上述物联网当前存在的问题与现实需求，本系统设计的多协议网关具备以下功能要求：

(1)7路RS-232和2路RS-485接口；

(2)5路模拟量输入通道，支持4~20mA电流信号，0~5V电压信号；

(3)3路继电器输出，负载能力为24V DC/1A；

(4)内置以太网口，可连接外网或内网；

(5)内置电池和外部供电两种方式供电；

(6)具备多路现场数据的采集、转换、转发功能。

1.2 总体方案

本系统的硬件系统由数据采集模块、数据上传模块和其他相关模块组成。系统整体框架图如图1所示。

图 1 系统整体框架图

为了满足多协议网关系统的数据采集和处理的需求，本系统采用了AM3354BZ作为主控芯片。该芯片采用台积电40nm工艺，频率为1GHz的ARM Cortex-A8内核；纳秒级高频时钟等。同时核心板上有ROM存储器和SDRAM等必要芯片，同时满足高性能与低功耗的需求。

数据采集模块是连接传感器网络与网关的桥梁，使网关能够采集传感器网络的数据，从而完成进一步的处理与上传的功能。

数据上传模块能够上传网关所采集的数据到指定的服务器，实现远程监控的功能。

其他模块包括USB接口、电源、显示部分组成，使系统能够正常运行并且增加其他功能，使系统更加容易操作和配置。

除了上述的数据采集部分与数据上传部分设计，本系统还包括USB接口、电源、显示部分的设计，使系统能够正常运行与维护。

2 数据采集设计

数据采集部分由模拟量输入模块、数字量输入模块、RS232通信模块和RS285通信模块组成，实现多种信号采集的功能。

2.1 模拟量输入

图2为模拟量输入部分电路原理图，电路中设置了阻值为1M的上拉电阻用于提供参考信号，串接了100Ω的电阻与后面的电容共同起到抑制高频干扰信号的作用。

图 2 模拟量输入采集电路原理图

图3为TPS08U采集芯片的引脚设计图，该模块能够采集8路4~20mA电流信号输入和 0~5V的电压信号输入。

图 3 TPS08U采集芯片接线图

2.2 开关量模块

开关量部分电路原理图如图4所示，电路中通过使用光耦隔离器将外部输入与网关内部隔离，使二者没有电的连接，隔绝了外部的干扰。

图 4 开关量采集电路原理图

2.3 RS232通信模块

RS232通信电路原理如图5所示，设计了MAX33232E多通道RS-232线路驱动器和接收器，电路由两个线路驱动器、两个线路接收器和一个双电荷泵电路组成。其工作范围为3~5.5V，传输速率最高可达250kbit/s，能够满足数据传输的要求。

图 5 RS232通信电路原理图

图 6 RS485通信电路原理图

2.4 RS485通信模块

图6为RS485采集电路原理图，在此电路设计中使用了自动收发隔离RS-485收发器，该模块使用3.3V的电压供电，集成了自动收发控制、电源隔离、电气隔离等功能，通信速率最大可达500 kbit/s。

3 数据上传部分设计

系统采集并处理现场传感器数据之后，还需要将数据上传。本系统主要采用无线4G和有线以太网两种传输方式实现数据的上传。

3.1 无线4G通信模块

无线4G通信模块电路原理图如图7所示，设计选用了WH-LTE-7S4 V2 4G通信芯片，该芯片工作电压为5~16V，最高上行速率可达128kbps。

图7 无线4G通信模块电路原理图

3.2 以太网通信模块

由于本系统所采用的A6G2C核心板支持100M以太网控制器，故在设计中将RMII接口与以太网连接，实现数据上传的功能。以太网通信模块电路原理图如图8所示。

图8 以太网通信模块电路原理图

4 其他相关模块设计

除了上述的数据采集部分与数据上传部分设计，本系统还包括USB接口、电源、显示部分的设计，使系统能够正常运行与维护。

4.1 USB接口电路

USB接口电路原理如图9所示，A6G2C核心板支持USB OTG接口，因此外接OTG接口电路即可实现OTG功能。并且电路允许通过较大的电流，适用于对启动电流有较高要求的场合。

图9 USB接口电路原理图

4.2 电源设计

电源电路原理图如图10所示，其中电源芯片选择了MR33630ADDAR，输入电压范围为3.8~36V，输出电压范围为1~24V，具有使用灵活，转换效率高的特点。能够满足网关的供电要求。

图10 电源电路原理图

4.3 显示电路设计

基于LCD控制器，设计了显示电路，电路中包含一个通用LCD接口0.5mm FFC连接器，此连接器能够兼容LCD_TM070RDH12_24B 7寸液晶套件，实现预计的显示功能。

5 软件部分

除了上述的多协议网关的硬件部分，还设计了对应的软件部分以使设备能够正常运行，软件设计基于Linux平台并使用C++语言进行软件编程。软件总体结构如图11所示。

图11 软件总体结构图

软件包括初始化程序、数据采集与处理程序、数据通信程序、界面显示和其他程序。

初始化程序主要用于设备上电后，检测接口接入的数量和类型，读取设备和串口的配置，在检测到错误后及时报警。

数据采集与处理程序、数据通信程序是整个系统的核心，初始化完成后，根据配置的串口参数进行数据采集，根据系统的设置判断采集4~20mA的电流或是0~5V电压信号。随后依据对应的通讯协议进行处理数据并显示采集到的数据。同时系统根据配置开始与服务器进行通讯，将采集到的数据上传至服务器。数据采集、处理和通信工作流程图如图12所示。

图12 数据采集、处理与传输程序流程图

显示界面能够通过液晶屏实时显示多协议网关的状态和采集到的数据，并使用户能够更改系统的配置。

其他程序包括用户管理和数据导出程序，用户管理程序中包含普通用户和管理员两类用户，不同用户拥有不同的操作权限，系统允许添加或删除不同类型的用户。数据导出程序在系统插入存储卡后用户可以向存储卡内导入采集到的数据。

6 系统测试

多协议网关硬件实物图如图13所示。载入软件程序，对多协议网关进行整体的功能测试。如图14和图15所示，系统能够采集RS232、RS485、模拟量信号并实时显示在屏幕中，通过触摸屏即可对串口参数等系统参数进行配置。设置服务器参数后即可进行数据上传与通信，实现远程监控的功能。

图13 系统硬件实物图

图14 系统主界面

图15 串口配置界面

7 结语

本文设计的多协议网关可以高效、可靠的采集模拟量输入、数字量输入、RS232与RS485多种传感器信号，并对信号进行处理与显示，以及通过以太网上传至指定的服务器。多协议网关有效地解决了传感器网络种存在的传输数据需要占用大量的服务器资源和带宽、传感器的传输协议不兼容的问题。未来在环境监测、工业生产与监控、智能家居、智能交通等各个领域将有着广泛的应用前景。