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        基于FPGA的智能家居云網(wǎng)絡(luò)流量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        2018-03-01 10:26:16莊云蕾張瀟銘潘海婷張福鼎
        無(wú)線互聯(lián)科技 2018年22期

        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)。

        [參考文獻(xiàn)]

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