莊云蕾　張瀟銘　潘海婷　張福鼎

摘 要：隨著智能家居不斷發(fā)展，內(nèi)部組網(wǎng)智能電器越來(lái)越多，傳輸流量日益復(fù)雜。文章針對(duì)智能家居云網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)流量控制展開(kāi)研究，設(shè)計(jì)一種基于FPGA的網(wǎng)絡(luò)流量控制系統(tǒng)，具有可靠性強(qiáng)、運(yùn)算速度快、電路簡(jiǎn)單、體積小等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)QuartusII在FPGA板上進(jìn)行仿真實(shí)踐操作，可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)流量控制系統(tǒng)所需功能。

關(guān)鍵詞：FPGA；云網(wǎng)絡(luò)；流量管理

隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”飛速發(fā)展，智能家居得到長(zhǎng)足發(fā)展，隨著接入的智能電器不斷增加，家居系統(tǒng)所要處理的數(shù)據(jù)信息復(fù)雜度不斷提升、數(shù)據(jù)量日益增長(zhǎng)，流量控制問(wèn)題已經(jīng)成為不可忽視的問(wèn)題，尤其在高峰時(shí)段會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸擁擠等嚴(yán)重的突發(fā)情況，對(duì)用戶日常生活及使用體驗(yàn)產(chǎn)生了一定程度困擾[1]?，F(xiàn)在很多方案通過(guò)建設(shè)無(wú)線和增加接入線路來(lái)解決，但對(duì)大多數(shù)系統(tǒng)來(lái)講，成本太高不易實(shí)現(xiàn)。雖然大力發(fā)展高速信息管理系統(tǒng)得到了顯著的成效，但隨著擁入的大量用戶數(shù)據(jù)越來(lái)越多，并且網(wǎng)絡(luò)控制器沒(méi)有及時(shí)有效對(duì)信息通道進(jìn)行升級(jí)管理，使得部分高速通道處于低利用率狀態(tài)。此外，高速通道和一般信息支路交匯處的流量擁塞狀況嚴(yán)重制約了高速通道的數(shù)據(jù)傳輸狀況[2]。

實(shí)際上流量控制器已經(jīng)占據(jù)了家居網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)流量傳輸控制的絕對(duì)重要地位，其效率高低決定了系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)處的流量通行順暢程度。因此，網(wǎng)絡(luò)流量控制系統(tǒng)在逐步優(yōu)化改進(jìn)，同時(shí)控制方式也由“定時(shí)”向“感應(yīng)”轉(zhuǎn)變，由“單支路控制”向“劃片區(qū)域”發(fā)展，甚至應(yīng)用自適應(yīng)控制算法。傳統(tǒng)的流量控制器設(shè)計(jì)方法基于中小規(guī)模集成電路，電路復(fù)雜、故障率高、可靠性低[3]。日益嚴(yán)峻的網(wǎng)絡(luò)流量現(xiàn)狀已經(jīng)不能滿足于流量控制系統(tǒng)只能簡(jiǎn)單控制交叉通道的流量傳輸，而是將單點(diǎn)信號(hào)控制、路徑控制及區(qū)域控制交融于一體的混合型流量控制，實(shí)現(xiàn)指定區(qū)域的信號(hào)協(xié)調(diào)控制和高速信息傳輸?shù)募煽刂?。因此，采用合適流量控制方式，提高家居系統(tǒng)中流量控制效率，已經(jīng)成為緩解家居系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)端口處擁塞的熱點(diǎn)研究問(wèn)題[4]。

1 網(wǎng)絡(luò)流量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 開(kāi)發(fā)軟硬件介紹

FPGA是現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（Field-Programmable Gate Array）縮寫，它的出現(xiàn)解決了為實(shí)現(xiàn)某一現(xiàn)象而特意定制的專有電路的通用性差的缺點(diǎn)[5]，并彌補(bǔ)了原可編程器件中門電路的個(gè)數(shù)限制的不足，以并行運(yùn)算為主，以硬件描述語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)。開(kāi)發(fā)流程主要包括：（1）功能定義與器件選型，（2）代碼/原理圖設(shè)計(jì)，（3）行為仿真，（4）綜合，（5）綜合后仿真，（6）布局布線與時(shí)序仿真，（7）板級(jí)仿真與芯片的編程調(diào)試。

QuartusII是一個(gè)用于PLD/FPGA設(shè)計(jì)的綜合性軟件，支持多種設(shè)計(jì)輸入形式，包括原理圖，VHDL，Verilog等，內(nèi)部自帶綜合器以及仿真器，能夠?qū)崿F(xiàn)整體的PLD設(shè)計(jì)流程。Quartus II提供的開(kāi)發(fā)平臺(tái)非常完備，電路和時(shí)序邏輯功能的仿真很強(qiáng)大，可以進(jìn)行軟件源文件的設(shè)計(jì)并生成編程文件，還可以單次實(shí)現(xiàn)整體的設(shè)計(jì)。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)主體架構(gòu)如圖1所示，主要包括了控制管理模塊、數(shù)據(jù)檢測(cè)模塊、系統(tǒng)檢測(cè)模塊、相鄰檢測(cè)模塊、流量模型模塊、調(diào)度操作模塊及存儲(chǔ)記錄模塊?？刂乒芾砟K是系統(tǒng)核心組成部分，由FPGA開(kāi)發(fā)板處理芯片組成。數(shù)據(jù)檢測(cè)模塊實(shí)施當(dāng)前節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)出統(tǒng)計(jì)分析，系統(tǒng)檢測(cè)模塊執(zhí)行初始化時(shí)各部件是否正常工作，并將響應(yīng)狀態(tài)實(shí)時(shí)反饋。相鄰檢測(cè)模塊針對(duì)通過(guò)無(wú)線方式連接的其他節(jié)點(diǎn)狀態(tài)反饋數(shù)據(jù)，并決策本地流量控制算法。流量模型模塊是依據(jù)歷史統(tǒng)計(jì)信息來(lái)獲取合適的數(shù)學(xué)模型來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)自適應(yīng)匹配。調(diào)度操作模塊根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)信息、流量數(shù)據(jù)及控制算法進(jìn)行節(jié)點(diǎn)傳輸通信控制。存儲(chǔ)記錄模塊用于實(shí)時(shí)記錄各類信息，包括數(shù)據(jù)吞吐量、節(jié)點(diǎn)狀態(tài)等。

為了通過(guò)可視化實(shí)時(shí)掌握流量狀態(tài)，我們?cè)O(shè)計(jì)一個(gè)基礎(chǔ)的流量控制系統(tǒng)，采用4種不同顏色的LED燈來(lái)表示流量當(dāng)前的不同傳輸狀態(tài)，用7段數(shù)碼管顯示兩個(gè)方向各個(gè)傳輸狀態(tài)的剩余時(shí)間，具體實(shí)現(xiàn)流程及狀態(tài)轉(zhuǎn)換如下。首先，設(shè)定8種循環(huán)狀態(tài)，通過(guò)狀態(tài)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)各種通行指令狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換，對(duì)應(yīng)流量控制系統(tǒng)中LED點(diǎn)亮規(guī)律的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表。其中，系統(tǒng)的主要通道與分支通路均由紅綠黃及白燈組成，其中白燈用于表示流量較大的支路分支。目前采用主要通道和分支通路交替?zhèn)鬏敚看斡删G燈和白燈進(jìn)入下一狀態(tài)時(shí)，點(diǎn)亮黃燈，兩次黃燈時(shí)間均為3 s，白燈時(shí)間均為10 s，初始狀態(tài)時(shí)設(shè)置為主干通道綠燈先亮35 s，分支通路亮紅燈，循環(huán)后分支通路綠燈時(shí)間為25 s。燒錄程序運(yùn)行時(shí)，電路板所有燈點(diǎn)亮，控制系統(tǒng)進(jìn)入設(shè)定的初始狀態(tài)，兩方向初始指示燈點(diǎn)亮，從對(duì)應(yīng)設(shè)定時(shí)間開(kāi)始倒計(jì)時(shí)循環(huán)。流量狀態(tài)集群如表1所示。

流量控制系統(tǒng)的端口屬性主要有輸入及輸出兩種，系統(tǒng)時(shí)鐘clk和復(fù)位信號(hào)rst用于輸入，輸出信號(hào)為主要通道與分支通路4種燈狀態(tài)及segs[6..0]7段顯示信息x_y_led，x取值范圍為[n， s， w， e]對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸方向，y取值范圍為[Green， Yellow， White， Red]對(duì)應(yīng)狀態(tài)信息，led表示顯示屬性。FPGA板卡提供時(shí)鐘所采用的晶振信號(hào)源頻率較高，因此，首先需要做分頻處理來(lái)產(chǎn)生適當(dāng)?shù)男盘?hào)時(shí)鐘。segs[6..0]7段顯示信息由7段小燈組成，通過(guò)不同點(diǎn)亮組合方式可以組成不同文字信息，系統(tǒng)采用負(fù)極全連接在共地管腳的共陰數(shù)碼管，就是把每段小燈的負(fù)極連接在一個(gè)共地管腳，正極是分開(kāi)對(duì)應(yīng)相應(yīng)管腳來(lái)控制燈管。用1碼表示該關(guān)鍵狀態(tài)為高，點(diǎn)亮該管腳對(duì)應(yīng)的段碼；0碼則正好相反，目前顯示功能僅用于倒計(jì)時(shí)，則只需單個(gè)數(shù)碼管顯示0-9。

在使用FPGA進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，利用其并行優(yōu)點(diǎn)將N-S，W-E數(shù)據(jù)傳輸鏈路作為兩個(gè)分立的集群進(jìn)行并行操作，且對(duì)應(yīng)相應(yīng)的狀態(tài)圖，其操作規(guī)則如下以保證控制器正常運(yùn)行，N-S數(shù)據(jù)鏈路以綠燈亮為初始狀態(tài)，W-E數(shù)據(jù)鏈路以紅燈亮為初始狀態(tài)；N-S鏈路紅燈亮的時(shí)間與W-E鏈路上其他燈亮的總時(shí)間相同，且兩個(gè)鏈路狀態(tài)運(yùn)行完一圈的時(shí)間相等，則相應(yīng)順序?yàn)镹-S鏈路綠-黃-白-黃-紅-綠，W-E鏈路紅-綠-黃-白-黃-紅。

2 結(jié)語(yǔ)

智能家居云網(wǎng)絡(luò)流量控制系統(tǒng)主要完流量調(diào)度傳輸，采用以FPGA為核心器件，并通過(guò)FPGA板與記錄存儲(chǔ)軟件通信將歷史流量狀態(tài)保存至數(shù)據(jù)庫(kù)。為確保事件響應(yīng)實(shí)時(shí)可視化，硬件采用不同顏色LED燈來(lái)表征當(dāng)前流量傳輸狀態(tài)。整個(gè)系統(tǒng)流量控制系統(tǒng)，無(wú)論是在家庭還是小區(qū)場(chǎng)景下，都可以自由組合，實(shí)現(xiàn)高效經(jīng)濟(jì)安全流量傳輸調(diào)度保護(hù)。

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