面向物聯(lián)網的嵌入式以太網終端平臺設計與實現(xiàn)

摘要：為了在面向物聯(lián)網的應用中，完成對RFID讀卡器以及傳感器模塊數據的網絡傳輸，設計并實現(xiàn)了一個基于ARM7的以太網終端平臺。針對低成本嵌入式系統(tǒng)資源匱乏的問題，提出了把瀏覽器請求當作函數調用的辦法，在平臺上實現(xiàn)了動態(tài)網頁服務。該平臺硬件部分采用ATMEL公司AT91SAM7X512微處理器作為主控芯片，軟件部分通過移植LwIP協(xié)議棧并調用其API實現(xiàn)了TCP客戶端和WEB服務器。平臺在取得數據后主動向上位機請求連接并傳送數據，上位機可通過網頁對平臺進行訪問和設置。
關鍵詞：物聯(lián)網；以太網終端；LwIP；嵌入式WEB服務器

物聯(lián)網是在互聯(lián)網的基礎上，將用戶與物品或者物品與物品用互聯(lián)網進行連接，并通過互聯(lián)網進行信息交換和通信的一種概念。物聯(lián)網主要通過信息采集設備以及能夠將這些信息采集設備接入互聯(lián)網的終端平臺來實現(xiàn)。近年來，嵌入式系統(tǒng)以其功能完善，設計方案靈活，功耗可控制等特點，已廣泛應用于生活、商業(yè)、醫(yī)療以及工業(yè)等各個領域。比起通用計算機來，嵌入式系統(tǒng)具有針對性更強、體積更小，成本更低等優(yōu)點，是物聯(lián)網領域應用設計的首選方案。對于一些數據量不大，傳輸速率要求不高的應用，要考慮用較低的成本實現(xiàn)最可靠的物聯(lián)網服務。

1 平臺硬件設計
1．1 平臺結構及原理
該平臺采用ATMEL公司AT91SAM7X512處理器作為主控芯片，該處理器內部集成了以太網控制器、512kbytes FALSH以及128kbytes SRAM。只需外接一片以太網物理層(PHY)收發(fā)芯片DM9161和一個網絡變壓器HR601680，即可構成以太網終端硬件平臺。AT91SAM7X512采用3．3 V和1．8 V雙工作電壓，使用頻率為18．432 MHZ的晶振作為時鐘電路的振蕩源，調試電路采用標準的20針JTAG仿真調試接口。該方案成本低，功耗小，并且所用芯片集成度很高因而保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
AT91SAM7X512的以太網控制模塊實現(xiàn)了一個與IEEE802．3標準兼容的以太網MAC，支持全雙工模式，可通過DMA方式進行數據收發(fā)。當物理層芯片DM9161接收到來自以太網的上位機數據時，ARM通過MII接口(媒體獨立接口)讀取數據，并在內部通過DMA方式將數據讀入SRAM中交給TCP／IP協(xié)議棧進行處理。同時，當RFID射頻讀卡器或者傳感模塊有數據需要傳輸時，平臺也能沿著相同的通道將數據傳輸至上位機。系統(tǒng)整體結構如圖1所示：

1．2 AT91SAM7X512和DM9161的接口電路設計
AT91SAM7X512的以太網控制器和物理層收發(fā)芯片DM9161之間有MII(Media Independent Interface)和RMII(Reduced Media Independent Interface)兩種接口。這兩種接口都能夠工作在10 Mb／s和100 Mb／s共兩種速率下，在本設計中采用MII接口。MII數據接口總共需要16個信號，包括TX_ER，TXD3：0>，TX_EN，TX_CLK，COL，RXD3：0>，RX_EX，RX_CLK，CRS，RX_DV等，在時鐘速率25 MHz的情況下以4-bit并行方式發(fā)送和接收數據。以太網控制器依靠MDIO接口與物理層芯片進行通信，用于自動協(xié)商期間確保以太網控制器和物理層芯片被配置為相同的速度和雙工模式。AT91SAM7X512和DM9161的接口電路如圖2所示。

當系統(tǒng)上電后，由AT91SAM7X512給DM9161提供復位信號及引腳初始化電平，完成DM9161的上電初始化工作。當初始化完成后，系統(tǒng)會通過MII接口讀取DM9161內部狀態(tài)寄存器的值來完成對網絡連接模式和連接狀態(tài)的檢測。

2 平臺軟件的實現(xiàn)
2．1 TCP／IP協(xié)議棧的移植
LwIP是瑞典計算機科學研究院(SICS)設計的一個開源的輕量級TCP／IP協(xié)議棧。它的目的是減少內存使用率和代碼大小，使LwIP能夠適用于資源緊張的嵌入式系統(tǒng)。利用μC／OS-Ⅱ提供的信號量和消息傳遞機制等系統(tǒng)服務可以實現(xiàn)對LwIP的移植。
2．1．1 信號量操作函數
LwIP使用信號量進行通信，這個信號量可以是計數信號量，也可以是二值信號量，所以在sys_arch中需要實現(xiàn)與信號量操作相關的信號量結構體struct sys_sem_t、信號量建立函數sys_sem_new()、信號量釋放函數sys_sem_free()、信號量發(fā)出函數sys_sem_signal()和信號量等待函數sys_arch_sem_wait()。由于在μC／OS-Ⅱ中已經實現(xiàn)了與信號量操作有關的各種函數，而且功能和上述幾個LwIP中所需要實現(xiàn)的函數的功能是完全一致的，所以只要調用μC／OS-Ⅱ中的信號量操作函數來重新包裝成LwIP中的信號量操作函數即可。
2．1．2 郵箱操作函數
LwIP使用郵箱來進行消息傳遞，用戶可以用一個隊列來將其實現(xiàn)，需要注意的一點是，投遞進郵箱中的消息只能是一個指針。因此要根據以上要求來實現(xiàn)消息隊列結構sys_mbox_t，以及相應的操作函數：sys_mbox_new()、sys_mbox_free()、sys_mbox_post()和sys_arch_mbox _fetch()。μC／OS-Ⅱ很好地實現(xiàn)了消息隊列結構及其操作，為消息隊列提供了豐富的管理函數，但μC／OS-Ⅱ沒有對消息隊列中的消息進行管理，因而不能直接使用，必須在μC／OS-Ⅱ的基礎上重新實現(xiàn)。具體實現(xiàn)時，可創(chuàng)建多個郵箱，并使用單向鏈表將這些郵箱鏈接在一起，每個郵箱可接收消息的數量由消息數組的大小來決定。對消息隊列本身的管理用μC／OS-Ⅱ中的隊列操作函數來完成，然后通過對鏈表的操作來實現(xiàn)對消息的創(chuàng)建、使用、刪除和回收，兩部分綜合起來形成了LwIP的郵箱功能。
2．1．3 創(chuàng)建新線程函數
在μC／OS-Ⅱ中只有任務的概念，建立一個新的線程實際上就是建立一個新的任務。因此只需要把OSTaskCreate()封裝一下，就可以實現(xiàn)sys_thread_new()。需要注意的是當前μC／OS-Ⅱ不支持時間片輪番調度法，不允許兩個或兩個以上的任務有同樣的優(yōu)先級，所以用戶要事先為LwIP中創(chuàng)建的線程分配好優(yōu)先級。通過對LwIP中的宏TCPIP_THREAD_PRIO進行包裝，來避免TCPIP線程優(yōu)先級與其他線程相同。
2．1．4 定時器函數
LwIP中每個線程都有一個timeouts鏈表，這個鏈表在建立之后其首地址必須固定。因此用于保存鏈表首地址的sys_timeouts結構必須與線程一一對應，而且其地址不能改變，以便能夠隨時得到鏈表的首地址。可用一個靜態(tài)的sys_timeouts結構數組來存放各個線程的鏈表，以線程的優(yōu)先級號來作為數組索引號，這樣每一個線程就能對應一個sys-timeouts結構體了，并且在系統(tǒng)運行期間對應的結構體數組成員的地址會一直固定不變。移植時通過實現(xiàn)stmctsys_timeouts*sys_arch_timeouts(void)函數，來返回目前正處于運行態(tài)的線程所對應的timeouts隊列指針。
2．2 驅動程序
操作系統(tǒng)是通過各種驅動程序來和各種硬件打交道的，驅動程序為用戶屏蔽了各種各樣的硬件設備，而只提供了簡單明了的函數接口給操作系統(tǒng)調用。LwIP已經設計好了這些框架，用戶只需嚴格按照順序完成與底層硬件相關的部分即可實現(xiàn)網絡接口層和IP層的通信。需要實現(xiàn)的包括：底層網絡接口初始化函數ethernetif_init()、網卡接收函數ethernetif_input()、網卡發(fā)送函數ethernetif_output()和網卡中斷處理函數ethernetif_isr()等。驅動程序完成了對設備的初始化、釋放和管理，并且完成對底層以太網數據包的接收、搬運和發(fā)送。
2．3 應用程序
系統(tǒng)應用程序的任務主要是在嵌入式平臺上實現(xiàn)網絡通信客戶端和HTTP網頁服務器兩方面的功能。利用LwIP提供的API，采用TCP協(xié)議客戶端到服務器通信的模式，實現(xiàn)嵌入式終端和上位機之間的通信。在這種模式下，嵌入式終端定義為客戶端，主動向服務器發(fā)起TCP連接；而上位機(PC)定義為服務器端，始終監(jiān)聽來自網絡的連接。嵌入式終端主要負責采集來自于傳感器或RFID模塊的數據，并將這些數據通過以太網傳送給上位機。同時嵌入式終端平臺上也運行著一個HTTP網頁服務器，上位機(PC)可通過網頁對嵌入式終端平臺進行訪問、查看和設置。