李曉明 Thierno Gueye

摘? 要：在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)中，其軟件系統(tǒng)的開發(fā)往往受制于硬件節(jié)點(diǎn)的開發(fā)進(jìn)度和完善程度，造成開發(fā)進(jìn)度緩慢，需求不斷變更，軟件測(cè)試維護(hù)困難等問題。如果能在開發(fā)初期迅速搭建一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的模擬單元?jiǎng)t能夠極大促進(jìn)系統(tǒng)的開發(fā)和完善。Arduino提供了一個(gè)開源的、通用的、簡單易用的硬件平臺(tái)，非常適合模擬物聯(lián)網(wǎng)的硬件節(jié)點(diǎn)功能。本論文基于Arduino及其開發(fā)框架，提出了一個(gè)通用的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的模擬單元模型，基于該模型開發(fā)了智能靶的虛擬節(jié)點(diǎn)用于智能靶網(wǎng)管控系統(tǒng)的開發(fā)，開發(fā)實(shí)踐表明該模型和方法可以快速實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)功能和數(shù)據(jù)的模擬，提高物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的開發(fā)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);Arduino;軟件框架

中圖分類號(hào)：TP311.5? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract：Software development in Internet of Things （IoT） is often constrained by the development progress and the perfection of hardware nodes，resulting in slow development progress，changing requirements，and difficulties in software testing and maintenance.If an IoT node simulation unit can be built in the early stage of the development，it will greatly promote the development of the system.Arduino provides an open-source，universal and easy-to-use hardware platform，which is very suitable for simulating the hardware node functions.This paper presents a general simulation unit model of Internet of Things nodes.Based on this model，a simulated intelligent target node is developed for the intelligent targets control system.The development practice shows that the proposed model and software framework can be used to quickly realize the simulation of functions and the data of nodes in IoT system，and can improve the development quality of IoT system as well.

Keywords：Internet of Things;Arduino;software framework

1? ?引言（Introduction）

物聯(lián)網(wǎng)（IoT， Internet of Things）的繁榮帶動(dòng)了大量的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的開發(fā)需求，一個(gè)完整的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)包括基于智能硬件的節(jié)點(diǎn)開發(fā)，以及移動(dòng)端、PC端的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用開發(fā)，即使是一個(gè)小規(guī)模的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用也是如此。由于硬件開發(fā)的周期較長，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用軟件的開發(fā)則相對(duì)較快，造成了軟件測(cè)試受制于硬件開發(fā)進(jìn)度的矛盾，特別是對(duì)于那些依賴于快速迭代的軟件開發(fā)技術(shù)的項(xiàng)目，會(huì)因此而受到很大的制約。此外，由于軟硬件開發(fā)通常由不同的團(tuán)隊(duì)完成，測(cè)試帶來的人力和協(xié)調(diào)方面的成本也會(huì)很高[1]。

為了解決上述問題，在軟件工程實(shí)踐中，通常是采用標(biāo)準(zhǔn)化的物聯(lián)網(wǎng)通訊協(xié)議或者數(shù)據(jù)封裝來解耦硬件和軟件系統(tǒng)之間的依賴。例如在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)中廣泛使用的MQTT協(xié)議[2，3]，以及基于TLV的數(shù)據(jù)封裝格式[4]等。但由于具體應(yīng)用千變?nèi)f化，物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，感知層網(wǎng)絡(luò)類型不統(tǒng)一等問題的存在，這種方法并不能很好地解決開發(fā)中的問題。半物理仿真的概念是在仿真回路中引入部分實(shí)物，即硬件在環(huán)的方法，進(jìn)行控制系統(tǒng)的仿真[5]，同樣，在軟件開發(fā)和測(cè)試過程中，借鑒半物理仿真的思想，引入通用硬件技術(shù)，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行模擬，可以很好地解決物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)過程中的矛盾。

Arduino是一種開源的通用硬件平臺(tái)，具有開發(fā)簡單，接口豐富，成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，非常適合作為物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的模擬設(shè)備[6]。本論文將基于Arduino硬件平臺(tái)，通過設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)面向物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的節(jié)點(diǎn)模擬軟件框架和模型，并以靶網(wǎng)管理系統(tǒng)軟件開發(fā)為應(yīng)用背景，探討如何實(shí)現(xiàn)智能靶節(jié)點(diǎn)的模擬，以降低軟件開發(fā)的周期和成本。

2? ?軟件系統(tǒng)建模（Software modeling）

2.1? ?框架設(shè)計(jì)

對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用來說，本質(zhì)上是物聯(lián)網(wǎng)智能節(jié)點(diǎn)與服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)交換。由于物聯(lián)網(wǎng)底層和互聯(lián)網(wǎng)通常采用的協(xié)議不同，數(shù)據(jù)交換通常是基于一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)[2，7]。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

物聯(lián)網(wǎng)傳輸協(xié)議有很多種，例如Zigbee、工業(yè)以太網(wǎng)、工業(yè)總線、NB-IoT等。對(duì)于Arduino而言，都有專門的模塊和轉(zhuǎn)接板對(duì)應(yīng)于這些網(wǎng)絡(luò)。通常Arduino與這些模塊之間是通過串口進(jìn)行通訊的，因此在設(shè)計(jì)基于Arduino的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)模擬軟件框架如圖2所示。

該軟件框架是從基于時(shí)間的嵌入式多任務(wù)框架[8]中擴(kuò)展而來，其中方框表示軟件模塊/任務(wù)，而箭頭表示調(diào)用關(guān)系。該框架包括以下內(nèi)容：

（1）“定時(shí)器”模塊提供了多任務(wù)的運(yùn)行時(shí)間片參考。該定時(shí)器使用了Arduino板上單片機(jī)的硬件定時(shí)器，并利用定時(shí)器的中斷服務(wù)來運(yùn)行任務(wù)調(diào)度模塊。

（2）“任務(wù)調(diào)度模塊”實(shí)現(xiàn)了對(duì)任務(wù)的管理和執(zhí)行。任務(wù)調(diào)度模塊會(huì)在定時(shí)器產(chǎn)生的時(shí)間間隔內(nèi)依次調(diào)用系統(tǒng)內(nèi)的任務(wù)模塊，這些任務(wù)模塊實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸入的協(xié)議數(shù)據(jù)的解析，數(shù)據(jù)處理，模擬設(shè)備模型的執(zhí)行，以及生成返回給服務(wù)器的數(shù)據(jù)。這些任務(wù)模塊包括數(shù)據(jù)解析任務(wù)模塊、協(xié)議處理任務(wù)模塊、模擬設(shè)備任務(wù)模塊和數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)模塊。其中模擬設(shè)備任務(wù)模塊是為了模擬節(jié)點(diǎn)的功能，例如和執(zhí)行控制、狀態(tài)更新等。

（3）“數(shù)據(jù)通訊模塊”實(shí)現(xiàn)了基于串口的與通訊設(shè)備的數(shù)據(jù)交換機(jī)制，針對(duì)不同的通訊設(shè)備，該模塊的實(shí)現(xiàn)不同，主要封裝了針對(duì)不同設(shè)備的通訊細(xì)節(jié);“設(shè)備實(shí)體/狀態(tài)模擬模塊”實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)功能和狀態(tài)的仿真，通常情況下是存儲(chǔ)與被模擬節(jié)點(diǎn)相關(guān)的數(shù)據(jù)。

2.2? ?工作原理

該框架的工作原理如圖3所示。根據(jù)程序流程分為Setup（設(shè)置）和Loop（運(yùn)行）兩個(gè)部分，前者主要完成調(diào)度器的初始化，后者主要負(fù)責(zé)執(zhí)行任務(wù)和與通訊設(shè)備通訊。

首先，系統(tǒng)上電后執(zhí)行Setup（）部分，該部分主要是初始化任務(wù)調(diào)度器，并將需要運(yùn)行的任務(wù)增加到任務(wù)列表中，并在最后啟動(dòng)任務(wù)調(diào)度器的執(zhí)行，完成初始化的工作。然后系統(tǒng)進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，開始循環(huán)調(diào)用loop（）部分。在這部分主要工作是（1）根據(jù)調(diào)度結(jié)果執(zhí)行任務(wù)調(diào)度器中的任務(wù)，主要包括獲取接收緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)，根據(jù)具體的應(yīng)用協(xié)議進(jìn)行解析，然后根據(jù)解析的結(jié)果執(zhí)行對(duì)應(yīng)的操作，之后運(yùn)行被模擬設(shè)備的控制功能，并更新被模擬設(shè)備的狀態(tài)。最后根據(jù)應(yīng)用協(xié)議的要求生成相應(yīng)的數(shù)據(jù)并放入發(fā)送緩沖區(qū)。（2）處理串口應(yīng)用層數(shù)據(jù)的收發(fā)。其主要操作是判斷是否有串口數(shù)據(jù)需要讀取，如有數(shù)據(jù)則根據(jù)具體設(shè)備的傳輸層通訊協(xié)議進(jìn)行解析和接收，將收到的合法數(shù)據(jù)存入接收緩沖區(qū)內(nèi)。然后判斷發(fā)送緩沖區(qū)是否有數(shù)據(jù)需要發(fā)送，如有則將其按照傳輸協(xié)議寫入串口中。除了loop（）主線程外，還有定時(shí)器周期觸發(fā)的中斷線程，在該線程中主要是進(jìn)行任務(wù)的調(diào)度[5]。

3? ?系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)（Implementation）

3.1? ?Arduino的編程框架

Arduino的編程是采用一種類似Java和C的語言，本質(zhì)是C++的語言，因此采用C程序設(shè)計(jì)的風(fēng)格對(duì)上一節(jié)描述的框架進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)。

將整個(gè)框架功能分散在多個(gè)C和h文件中實(shí)現(xiàn)，其中TaskManager、Main等有具體的代碼實(shí)現(xiàn)，并提供Jobs和Communication的頭文件，供用戶在進(jìn)行具體測(cè)試應(yīng)用時(shí)進(jìn)行開發(fā)。

3.2? ?接收/發(fā)送緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

考慮到存在變長數(shù)據(jù)幀的情況，將通訊數(shù)據(jù)緩沖區(qū)長度設(shè)置為1024個(gè)字節(jié)，同時(shí)只存放一幀數(shù)據(jù)（即最新），并設(shè)置一個(gè)Ready變量解決讀寫的同步問題。即對(duì)于輸入緩沖區(qū)通訊模塊在寫完完整一幀數(shù)據(jù)后將ready置1，對(duì)于輸出緩沖區(qū)則只有在ready為1時(shí)才讀取并發(fā)送。

4 應(yīng)用：智能靶網(wǎng)控制系統(tǒng)軟件測(cè)試（Application：Testing in target network control software system）

4.1? ?智能靶網(wǎng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及靶網(wǎng)節(jié)點(diǎn)功能

智能靶網(wǎng)控制系統(tǒng)是將智能靶機(jī)組合成網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合控制軟件和觸控面板，用于部隊(duì)射擊和戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練的一整套系統(tǒng)。其核心是智能靶機(jī)組成的物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

智能靶與服務(wù)器通過Zigbee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，操作人員可通過服務(wù)器控制靶的動(dòng)作（舉靶、倒靶），對(duì)靶進(jìn)行編組，并進(jìn)行成組控制，可控制多個(gè)靶和靶組按照指定的順序進(jìn)行動(dòng)作等。智能靶同時(shí)可以通過Zigbee網(wǎng)絡(luò)上傳靶機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)，并且在射擊時(shí)主動(dòng)上報(bào)射擊成績等。由于靶機(jī)數(shù)量多、功能多，靶網(wǎng)數(shù)據(jù)流量較大（隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)目增多而增大），Zigbee通訊不穩(wěn)定等問題會(huì)導(dǎo)致服務(wù)器端軟件開發(fā)簡單但調(diào)試工作量巨大。另外智能靶機(jī)成本高，體積重量大，移動(dòng)困難，可用于調(diào)試的靶機(jī)數(shù)量不能滿足開發(fā)需要，造成后期開發(fā)人力成本居高不下。

4.2? ?智能靶網(wǎng)節(jié)點(diǎn)模擬方案

為了解決上述問題，基于Arduino和物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)模擬框架，開發(fā)了智能靶網(wǎng)節(jié)點(diǎn)模擬單元，以一塊Arduino板代替了圖5中的“智能靶”硬件設(shè)備，降低了測(cè)試成本，提高了開發(fā)效率。

在圖6中，Arduino板子上外接了一塊XBee/Zigbee通訊模塊用于和服務(wù)器通訊，并基于Arduino的I/O口模擬了報(bào)靶、故障注入、靶機(jī)編碼等觸發(fā)功能和立倒?fàn)顟B(tài)指示燈等顯示功能。其中狀態(tài)指示燈利用的Arduino的板載LED代替，這樣幾乎就沒有什么外接設(shè)備。

4.3? ?具體模塊實(shí)現(xiàn)

（1）數(shù)據(jù)通訊模塊

數(shù)據(jù)通訊模塊實(shí)現(xiàn)有兩種方案，一種是基于XBee提供的Arduino開發(fā)庫開發(fā)[9]。使用該庫使得Arduino與Zigbee設(shè)備的通訊極大簡化，并使得通訊更為可靠。另外一種是使用XBee提供的透傳模式[10]。在透傳模式下只需要根據(jù)應(yīng)用協(xié)議檢測(cè)數(shù)據(jù)的幀頭并按長度接收即可。不過透傳模式無法對(duì)XBee設(shè)備進(jìn)行更多的控制，犧牲了靈活性。本系統(tǒng)中使用XBee的透傳模式，根據(jù)應(yīng)用協(xié)議，服務(wù)器發(fā)送的數(shù)據(jù)是以0x55開頭，固定長度的數(shù)據(jù)包，根據(jù)該特點(diǎn)就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊模塊的接收。發(fā)送數(shù)據(jù)由于是已經(jīng)按照應(yīng)用協(xié)議編碼之后的數(shù)據(jù)，因此可以直接發(fā)送。

（2）協(xié)議解析與處理

根據(jù)靶網(wǎng)通訊協(xié)議，節(jié)點(diǎn)與服務(wù)器之間的通訊主要包括以下過程，如圖8所示。其中每一行代表一條通訊協(xié)議。其中協(xié)議1—4需要按照流程順序執(zhí)行，而協(xié)議6—8則根據(jù)需要隨機(jī)發(fā)起，協(xié)議5則為周期性發(fā)送的狀態(tài)數(shù)據(jù)。協(xié)議解析與處理模塊主要工作流程為：a.解析協(xié)議，判斷其為協(xié)議1—8中的哪種;b.執(zhí)行對(duì)應(yīng)協(xié)議的命令動(dòng)作;c.對(duì)于NETINIT和SETID協(xié)議，生成應(yīng)答數(shù)據(jù)幀并存入發(fā)送緩沖區(qū)。

（3）設(shè)備模擬模塊

設(shè)備模擬模塊主要存儲(chǔ)了靶機(jī)的狀態(tài)（ID、服務(wù)器節(jié)點(diǎn)MAC地址、立/倒?fàn)顟B(tài)、配置參數(shù)、分組編號(hào)、模擬的GPS數(shù)據(jù)等），并在立靶/倒靶命令時(shí)加入時(shí)延，模擬物理靶機(jī)執(zhí)行所需的時(shí)間。設(shè)備模擬模塊根據(jù)協(xié)議解析模塊收到的命令和數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的虛擬動(dòng)作，并根據(jù)狀態(tài)變化發(fā)送到I/O口顯示靶機(jī)狀態(tài)。

（4）數(shù)據(jù)發(fā)送模塊

根據(jù)協(xié)議要求，靶機(jī)節(jié)點(diǎn)需要定期發(fā)送狀態(tài)信息給服務(wù)器，該功能由數(shù)據(jù)發(fā)送模塊實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)發(fā)送模塊根據(jù)設(shè)備模擬模塊的數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝后寫入通訊模塊的發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。該模塊按照一定的頻率（默認(rèn)執(zhí)行周期為5秒）由任務(wù)調(diào)度器調(diào)度執(zhí)行，同時(shí)如果發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)已有其他數(shù)據(jù)則暫緩一個(gè)周期的數(shù)據(jù)發(fā)送。

以上各個(gè)模塊通過全局?jǐn)?shù)據(jù)變量（定義在Main模塊中）進(jìn)行之間的數(shù)據(jù)交換。

4.4? ?測(cè)試

按照上述設(shè)計(jì)編寫程序后下載到Arduino上執(zhí)行。然后在計(jì)算機(jī)上連接XBee的模塊，搭建測(cè)試系統(tǒng)如圖7所示，通過串口調(diào)試助手發(fā)送和接收測(cè)試數(shù)據(jù)。上位機(jī)的XBee模塊工作在API模式下，因此發(fā)送和接收數(shù)據(jù)時(shí)候包含了XBee本身的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)。以下為網(wǎng)絡(luò)初始化指令（NETINIT）和狀態(tài)指令（STATUS）為例說明測(cè)試結(jié)果。

圖9顯示了發(fā)送網(wǎng)絡(luò)初始化NETINIT指令數(shù)據(jù)，以及收到的應(yīng)答數(shù)據(jù)。發(fā)送區(qū)發(fā)送的是網(wǎng)絡(luò)初始化指令（0x55后的0x01），收到的是應(yīng)答指令（接收區(qū)兩個(gè)連續(xù)的0x01，第一個(gè)0x01表示NETINIT_READY，第二個(gè)表示靶機(jī)內(nèi)部保存的ID，此例為1）。

報(bào)靶指令是將IO口（2）與Arduino電源相連，觸發(fā)高電平，模擬子彈射中靶板的狀態(tài)，此時(shí)Arduino將模擬的命中數(shù)據(jù)發(fā)送給服務(wù)器。其中0x06表示SHOOT指令，0x01為模擬的靶ID，0x0C代表命中區(qū)域，0x09代表命中環(huán)數(shù)。

5? ?結(jié)論（Conclusion）

本文提出了一種以Arduino作為硬件載體模擬物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)功能及其通訊的模型，用于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用軟件的測(cè)試，采用半實(shí)物仿真的思想，讓軟件測(cè)試過程更接近真實(shí)場(chǎng)景，從而加速軟件開發(fā)的進(jìn)程，提高物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用軟件系統(tǒng)的開發(fā)效率，降低開發(fā)成本。所開發(fā)的模擬節(jié)點(diǎn)獲得的經(jīng)驗(yàn)更可以用于指導(dǎo)真實(shí)物聯(lián)網(wǎng)智能硬件節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)和開發(fā)。本文提出了基于Arduino的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的模擬軟件框架和實(shí)現(xiàn)方法，該軟件框架和實(shí)現(xiàn)在智能靶網(wǎng)控制軟件中進(jìn)行了應(yīng)用，所獲得的模擬靶機(jī)硬件能夠真實(shí)地模擬靶機(jī)的功能和交互，為靶網(wǎng)控制軟件的快速迭代發(fā)揮了重要作用。

目前該軟件框架以源碼的方式應(yīng)用在開發(fā)中，在將來可以將其封裝成Arduino的庫，以庫的形式集成在應(yīng)用中，這樣可以進(jìn)一步簡化開發(fā)，實(shí)現(xiàn)代碼分離。

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