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        基于μC/OS—II的嵌入式電梯物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)

        2016-12-31 00:00:00張晨光苗長云畢長浩
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2016年29期

        摘 要:為提高對電梯的管理維護(hù)水平,提出了一種電梯物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)方案。以ARM微控制器STM32F103VET6為核心研制了系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān),設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種運(yùn)行于該系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)管理協(xié)議,利用μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)創(chuàng)建基于該協(xié)議的SGMP任務(wù),采用分層機(jī)制實(shí)現(xiàn)消息的創(chuàng)建、解析和執(zhí)行。實(shí)驗(yàn)證明網(wǎng)關(guān)具有良好的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性,具有廣泛的管理能力。

        關(guān)鍵詞:物聯(lián)網(wǎng);網(wǎng)關(guān)管理協(xié)議;電梯;SGMP

        1 概述

        隨著電梯數(shù)量的增多,作為一種直接關(guān)系到人們生命安全的特種設(shè)備,如何保障電梯的安全運(yùn)行受到了廣泛關(guān)注。在傳統(tǒng)被動(dòng)的電梯管理模式下各種電梯事故時(shí)有發(fā)生。國內(nèi)外各電梯企業(yè)大多針對各自品牌,采用總線或者公用電話網(wǎng)絡(luò)作為遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)交換的通信依托設(shè)計(jì)了電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。但網(wǎng)絡(luò)布線復(fù)雜,運(yùn)行成本高、可靠性較差并且數(shù)據(jù)交換量有限,各種系統(tǒng)之間互不兼容,可管理能力較低。因而對電梯管理維護(hù)技術(shù)提出了更高的要求。

        文章在充分利用小區(qū)內(nèi)現(xiàn)已搭建完善的局域網(wǎng)系統(tǒng),結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)[1]技術(shù)提出一種電梯物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)方案?;谇度胧郊夹g(shù)設(shè)計(jì)該系統(tǒng)的關(guān)鍵部件——電梯物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)。在網(wǎng)關(guān)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)管理協(xié)議——SGMP(Simplify Gateway Management Protocol)的設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)信令交互、數(shù)據(jù)傳輸過程,使系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,通信可靠,從而提高對電梯的管理維護(hù)水平。

        2 系統(tǒng)方案

        參考物聯(lián)網(wǎng)典型通信系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)電梯物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)模型,如圖1所示。從上至下依次為:應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、感知層[2]。

        為了闡述內(nèi)容的準(zhǔn)確性,定義電梯感知終端為位于感知層內(nèi)能感知電梯運(yùn)行數(shù)據(jù),并具備聯(lián)網(wǎng)和控制能力的有源結(jié)點(diǎn)。構(gòu)建此系統(tǒng)要求電梯感知終端按照既定的標(biāo)準(zhǔn)輸出數(shù)據(jù)信息以便于統(tǒng)一管理。

        位于感知層內(nèi)的電梯感知終端主要負(fù)責(zé)通過電梯控制柜全面感知電梯運(yùn)行數(shù)據(jù),并組建完善的電梯群感知終端局域網(wǎng)。由于各小區(qū)處于不同的局域網(wǎng)內(nèi),無法與公網(wǎng)進(jìn)行通信,因此采用電梯物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)作為網(wǎng)絡(luò)接口來滿足電梯物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的廣域互聯(lián)。應(yīng)用層采用基于SOA(Service-oriented architecture,面向服務(wù)架構(gòu))模型實(shí)現(xiàn)整個(gè)電梯物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)覆蓋,主要通過網(wǎng)管平臺(tái)以及應(yīng)用數(shù)據(jù)庫服務(wù)器實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層事務(wù)處理,可供政府監(jiān)管部門、物聯(lián)網(wǎng)管理部門、電梯廠家等使用。

        3 電梯物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

        電梯物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)位于感知層與網(wǎng)絡(luò)層之間,在嵌入式硬件平臺(tái)上運(yùn)行SGMP協(xié)議,對SGMP消息進(jìn)行智能解析和處理,實(shí)現(xiàn)了感知層與應(yīng)用層業(yè)務(wù)的平穩(wěn)對接,是電梯物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的核心單元。

        3.1 電梯物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

        基于嵌入式技術(shù)、以太網(wǎng)技術(shù)、2G/3G技術(shù),設(shè)計(jì)了本網(wǎng)關(guān),其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

        本網(wǎng)關(guān)以ARM內(nèi)核微控制器STM32F103VET6為核心,通過SPI驅(qū)動(dòng)ENC28J60以太網(wǎng)控制器。根據(jù)電梯運(yùn)行產(chǎn)生的特征數(shù)據(jù)量小、運(yùn)行時(shí)間無間斷性等特點(diǎn),采用華為GTM900-C GPRS無線模塊作為與Internet的接入手段,插入移動(dòng)SIM卡后可獲得公網(wǎng)IP[3],不需要進(jìn)行NAT穿越即可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)與網(wǎng)管平臺(tái)之間的無線通信。

        3.2 電梯物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)管理協(xié)議的設(shè)計(jì)

        本網(wǎng)關(guān)采用的網(wǎng)關(guān)管理協(xié)議SGMP是在參考中國移動(dòng)WMMP協(xié)議(Wireless Machine to Machine Protocol)基礎(chǔ)上結(jié)合電梯物聯(lián)網(wǎng)的具體情況而提出的。SGMP的要點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)與感知層和應(yīng)用層間的消息傳遞以及對具體事務(wù)的處理。SGMP協(xié)議建立在UDP協(xié)議之上,規(guī)定了網(wǎng)關(guān)與感知層和應(yīng)用層間的所有交互命令和消息,并采用消息類型編碼標(biāo)識(shí)每個(gè)命令。其協(xié)議幀格式如圖3所示。依照對協(xié)議的實(shí)際處理過程將其分為四層,分別為應(yīng)用層API,事務(wù)控制層、協(xié)議適配層、傳輸適配層[4]。要求由應(yīng)用層AP I解碼出消息類型代碼,并提取出有用數(shù)據(jù),提交給事務(wù)控制層;傳輸適配層負(fù)責(zé)調(diào)用UDP發(fā)送或接收程序,實(shí)現(xiàn)消息的發(fā)送或接收。

        由于UDP協(xié)議采用無連接方式傳輸,沒有確認(rèn)機(jī)制,為保證協(xié)議運(yùn)行的可靠性將協(xié)議消息采用“命令-響應(yīng)”的握手方式執(zhí)行?;谠搮f(xié)議的信息交互流程如圖4所示。

        3.3 電梯物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的軟件實(shí)現(xiàn)

        網(wǎng)關(guān)面向上層提供與網(wǎng)管平臺(tái)的信息交互功能,面向下層管理感知層內(nèi)各個(gè)感知終端。在STM32F103VET6上穩(wěn)定運(yùn)行μC/OS-II操作系統(tǒng),并移植LWIP協(xié)議棧,建立SGMP任務(wù),SGMP通過Socket套接字綁定感知層一側(cè)的消息接收端口和通過串口接收應(yīng)用層一側(cè)的消息,解析上傳的消息并觸發(fā)網(wǎng)關(guān)管理協(xié)議應(yīng)用層API,利用消息郵箱機(jī)制實(shí)現(xiàn)SGMP任務(wù)與應(yīng)用層API的數(shù)據(jù)通信,并通過OSMboxPend()等待新消息的到來。

        4 實(shí)驗(yàn)與結(jié)論

        為了驗(yàn)證網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)方案的可行性和可靠性,在實(shí)驗(yàn)室100Mb/s帶寬的局域網(wǎng)條件下搭建了模擬電梯物聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),擬將10臺(tái)PC機(jī)作為電梯感知終端進(jìn)行網(wǎng)關(guān)性能測試。使用科來網(wǎng)絡(luò)仿真軟件[5]分析網(wǎng)絡(luò)通信情況。

        圖5為網(wǎng)關(guān)上電或復(fù)位后網(wǎng)關(guān)與感知層、應(yīng)用層建立可靠連接的通信流程。

        經(jīng)實(shí)際測試,文章所設(shè)計(jì)的電梯物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)可以達(dá)到100%正確接收或發(fā)送UDP數(shù)據(jù)包,并能夠?qū)崿F(xiàn)基于SGMP協(xié)議的網(wǎng)關(guān)事務(wù)消息的創(chuàng)建、解析和處理,具有較高的實(shí)時(shí)性和事務(wù)處理能力,可應(yīng)用于小區(qū)智能控制系統(tǒng),具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

        參考文獻(xiàn)

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        作者簡介:張晨光(1988-),女,博士在讀,研究生學(xué)歷,助教,現(xiàn)工作單位:天津工業(yè)大學(xué),研究領(lǐng)域?yàn)橹悄苄畔⑻幚?,?jì)算機(jī)圖形學(xué),嵌入式技術(shù)等。

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