摘 要： 以飛思卡爾MCIMX27為控制器，設(shè)計了一款基于WIFI的串口數(shù)據(jù)無線收發(fā)模塊，實現(xiàn)了通過串口配置模塊參數(shù)以及用戶串口數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)化。通過UART-WIFI模塊，傳統(tǒng)的串口設(shè)備也能輕松接入無線網(wǎng)絡(luò)。著重介紹了系統(tǒng)軟件設(shè)計整體架構(gòu)、自定義協(xié)議以及實現(xiàn)中需要解決的關(guān)鍵問題。實驗結(jié)果表明模塊無線通信性能好、穩(wěn)定性強。
關(guān)鍵詞： 物聯(lián)網(wǎng)；網(wǎng)關(guān)；WIFI；UART
物聯(lián)網(wǎng)作為互聯(lián)網(wǎng)的延伸和擴展，使得通信的主體不再是人與人之間的通信，還有人與物、物與物之間的通信。隨著物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，各種老式設(shè)備也有了接入網(wǎng)絡(luò)的需求，在工業(yè)控制和通信設(shè)備中，很多是符合RS232標準的串口設(shè)備，通常很難在作業(yè)現(xiàn)場鋪設(shè)有線網(wǎng)絡(luò)。如何保證在原來設(shè)備不做太大改動的基礎(chǔ)上實現(xiàn)這些設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)，便成了一個首先需要解決的問題。
面向物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的UART-WIFI網(wǎng)關(guān)，基于目前成熟的WIFI無線傳輸解決方案實現(xiàn)串口數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)化傳輸。本文設(shè)計的方案，使得只要具有UART接口的設(shè)備即可接入網(wǎng)絡(luò)，提高了設(shè)備的智能化水平，簡化了設(shè)備組網(wǎng)流程[1]，具有很重要的現(xiàn)實意義和使用價值。
1 系統(tǒng)整體架構(gòu)
UART-WIFI網(wǎng)關(guān)在用戶側(cè)留有標準RS232接口，使得設(shè)備只要具有串口就可以接入網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)關(guān)的應(yīng)用場景如圖1所示。
網(wǎng)關(guān)從功能上分為串口數(shù)據(jù)收發(fā)模塊、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收發(fā)模塊和用戶數(shù)據(jù)處理模塊等。依據(jù)數(shù)據(jù)流向，系統(tǒng)模塊組成原理框圖如圖2所示。系統(tǒng)通過串口配置網(wǎng)卡參數(shù)，實現(xiàn)串口數(shù)據(jù)的無線透明傳輸。
串口數(shù)據(jù)收發(fā)模塊負責用戶主機與網(wǎng)卡之間的數(shù)據(jù)交互；無線網(wǎng)卡模塊負責收發(fā)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，進行802.11與802.3協(xié)議之間的相互轉(zhuǎn)換并交由操作系統(tǒng)處理；用戶數(shù)據(jù)處理模塊負責識別主機側(cè)用戶接口數(shù)據(jù)，用于配置網(wǎng)卡參數(shù)或進行數(shù)據(jù)透明傳輸。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
2.1 系統(tǒng)硬件原理框圖
硬件系統(tǒng)主要由處理器、無線網(wǎng)卡、標準RS232收發(fā)器模塊、外部存儲器以及系統(tǒng)電源組成。系統(tǒng)硬件原理框圖如圖3所示。
2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計及選型
系統(tǒng)原型開發(fā)選用飛思卡爾半導(dǎo)體面向多媒體應(yīng)用的MCIMX27處理器，該處理器采用ARM926-EJS內(nèi)核，工作頻率可達400 MHz，其內(nèi)建的MMU功能，能很方便地實現(xiàn)嵌入式Linux的移植。
系統(tǒng)存儲系統(tǒng)由兩片DDR SDRAM 和一片NAND Flash構(gòu)成。處理器內(nèi)嵌的SDIO主控制器提供4 bit模式下最高100 Mb/s的數(shù)據(jù)速率。無線網(wǎng)絡(luò)收發(fā)模塊選用Marvell的WLAN片上系統(tǒng)芯片88W8686設(shè)計，芯片集成IEEE802.11a/g/b MAC/Baseband/RF等功能模塊，支持典型的WLAN數(shù)據(jù)速率；支持SDIO接口的主機接口單元（HUI），允許主機控制器使用SDIO總線協(xié)議與WLAN設(shè)備進行通信。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
3.1 系統(tǒng)軟件整體架構(gòu)
在Linux操作系統(tǒng)下通過對各個功能模塊的劃分實現(xiàn)了對WLAN的完美支持，圖4所示為Linux下典型的WLAN層次模型[2]。
硬件層是軟件運行的承載體和通信的物理實現(xiàn)層；固件(Firmware)層向驅(qū)動程序屏蔽具體的物理細節(jié)，提供驅(qū)動訪問硬件的接口；驅(qū)動程序向WT(Wireless-Tools)或者其他配置工具提供訪問底層的接口；配置程序?qū)酉蛏蠈犹峁┮粋€統(tǒng)一的Linux用戶接口；用戶使用相關(guān)配置工具來訪問和配置不同的無線網(wǎng)卡。本設(shè)計軟件整體架構(gòu)參照Linux操作系統(tǒng)下典型的WLAN層次模型來設(shè)計，系統(tǒng)軟件整體架構(gòu)如圖5所示。
3.2 Linux操作系統(tǒng)
嵌入式Linux以其內(nèi)核高效穩(wěn)定、網(wǎng)絡(luò)功能強大等特性，成為嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域中的佼佼者[3]。本設(shè)計選用成熟的Linux-2.6.19.2操作系統(tǒng)內(nèi)核，編譯器使用專用arm-926ejs-linux-gcc交叉編譯器。
3.3 WT工具
Wireless Tools for Linux是一個Linux命令行工具包，用來設(shè)置支持Linux Wireless Extension的無線設(shè)備。Wireless-Extension(WE)是一組通用的API，能在用戶空間對通用Wireless LANs進行配置和統(tǒng)計。
WT(Wireless-Tools)就是用來操作Wireless-Extensions的工具集合，支持所有Wireless-Extension，它主要包括iwconfig、iwlist和iwpriv等工具。
3.4 網(wǎng)卡驅(qū)動和固件
按照主機驅(qū)動與設(shè)備驅(qū)動分離設(shè)計的思想，一個標準的無線收發(fā)系統(tǒng)軟件包含主機驅(qū)動和WLAN固件兩部分。
WLAN固件主要實現(xiàn)802.11和802.3協(xié)議幀格式之間的轉(zhuǎn)換。在系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)時，網(wǎng)卡接收符合標準802.11協(xié)議的數(shù)據(jù)，由WLAN固件轉(zhuǎn)換成符合802.3協(xié)議的幀格式，通過SDIO接口送達主機驅(qū)動；在發(fā)送串口用戶數(shù)據(jù)時，應(yīng)用層程序?qū)⒎?02.3協(xié)議的數(shù)據(jù)通過SDIO接口發(fā)送到WLAN固件，固件將其轉(zhuǎn)換為802.11協(xié)議數(shù)據(jù)幀，通過無線方式發(fā)往服務(wù)器端。
主機驅(qū)動模塊主要包含三部分：Ethernet Driver、802.11Extensions和Hardware Interface Driver。Ethernet Driver實現(xiàn)標準的以太網(wǎng)驅(qū)動；802.11Extensions擴展標準以太網(wǎng)驅(qū)動以控制WLAN Adapter的狀態(tài)；Hardware Interface Driver即硬件接口驅(qū)動控制在主機側(cè)的硬件接口。
3.5 通信協(xié)議設(shè)計
通過UART接口在用戶終端設(shè)備與UART-WIFI之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)稱之為用戶接口數(shù)據(jù)，接口數(shù)據(jù)分為控制數(shù)據(jù)和用戶數(shù)據(jù)兩種類型：
(1)控制數(shù)據(jù)
用于用戶終端設(shè)備與UART-WIFI之間的控制信息傳輸,配置模塊的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和系統(tǒng)參數(shù)。
(2)用戶數(shù)據(jù)
模塊用于數(shù)據(jù)透明傳輸時遵循用戶數(shù)據(jù)幀格式，協(xié)議由用戶自定義。
3.6 系統(tǒng)軟件工作流程設(shè)計
在系統(tǒng)中軟件將分為兩個線程工作，一個線程接收串口數(shù)據(jù)，用于系統(tǒng)參數(shù)配置或者網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸；另一個線程用于接收服務(wù)器端信息，并通過串口發(fā)送至主機端。
系統(tǒng)完成初始化相關(guān)參數(shù)設(shè)置后，創(chuàng)建兩個線程來使系統(tǒng)進入穩(wěn)定工作狀態(tài)。主要代碼如下：
i=pthread_create(&thread_a,NULL,(void *)
UartDataProcessFun,NULL);
if(i==0) //創(chuàng)建線程1
printf("Create thread1 success!\n");
else{
printf("Create thread1failure!\n");
exit(0);
}
j=pthread_create(&thread_b,NULL,(void *)
NetDataProcessFun,NULL);
if(j==0) //創(chuàng)建線程2
printf("Create thread2 success!\n");
else{
printf("Create thread2 failure!\n");
exit(0);
}
pthread_join(thread_a,NULL); //等待串口數(shù)據(jù)
處理線程結(jié)束
pthread_join(thread_b,NULL); //等待網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)
處理線程結(jié)束
其中(void *) UartDataProcessFun和(void *)NetDataProcess-
Fun是指向在函數(shù)外部定義的兩個線程處理函數(shù)的指針，線程創(chuàng)建后將同時開始執(zhí)行。
3.7 系統(tǒng)設(shè)計中的多線程同步方法
多線程的引入降低了系統(tǒng)實現(xiàn)的復(fù)雜度，提高了系統(tǒng)執(zhí)行效率。多線程程序在執(zhí)行時，除了局部變量外，其他所有變量都將在一個進程中的所有線程之間共享，為了改變程序執(zhí)行時序，保護共享資源，需要引入線程同步方法。
Linux提供了多種線程同步的機制，其中有互斥鎖、信號量、條件變量等[5]。單獨使用互斥鎖容易發(fā)生死鎖；信號量分為簡單的二進制信號量和計數(shù)信號量；條件變量通過允許線程阻塞和等待一個線程發(fā)送信號的方式彌補了互斥鎖的不足，常和互斥鎖一起使用。使用時條件變量用來阻塞一個線程，條件不滿足時，線程解開互斥鎖等待條件發(fā)生變化。當某個線程改變了條件變量后，它將通知相應(yīng)的條件變量喚醒一個或者多個正被此條件變量阻塞的線程。本設(shè)計中的線程同步采用互斥鎖加條件變量的方式。使用條件變量需要的頭文件是pthread.h。使用條件變量標識符pthread_cond_t創(chuàng)建一個靜態(tài)條件變量時使用PTHREAD_COND_INITIALIZER常量，例如：pthread_cond_t cond=PTHREAD_COND_INITIA-
LIZER。等待條件變量使用到的函數(shù)有：
int pthrea_cond_wait(pthread_cond_t *cond,pthread_mutex_
t *mutex)
int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *cond,
pthread_mutex_t *mutex,const struct timespec *abtime)
激發(fā)條件變量使用到的函數(shù)有：
pthread_cond_signal() //激活一個等待該條件的線程
pthread_cond_broadcast() //激活所有等待線程
互斥鎖加條件變量實現(xiàn)多線程同步的一般方法如下：
線程1代碼：
pthread_mutex_lock(&mutex); //上鎖
if（條件滿足）
pthread_cond_signal(&cond)；//激活等待該條件變量的線程
pthread_mutex_unlock(&mutex); //解鎖
線程2代碼：
pthread_mutex_lock(&mutex)；//上鎖
while(條件不滿足)
pthread_cond_wait(&cond,&mutex); //阻塞等待條件滿足
pthread_mutex_unlock(&mutex); //上鎖
在上述代碼執(zhí)行過程中，條件變量一旦滿足，線程1立即通知等待該條件變量的線程2，同時釋放互斥鎖，線程2在捕獲到條件變量滿足的消息便被激活，執(zhí)行相關(guān)操作。
本文設(shè)計了一款面向物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的UART-WIFI網(wǎng)關(guān)，重點分析了基于Linux操作系統(tǒng)的WLAN軟件架構(gòu)，介紹了Linux下多線程同步的處理方式，重點分析了使用互斥鎖和條件變量進行同步的方法。本文設(shè)計的UART-WIFI網(wǎng)關(guān)具有成本低、易部署的特點。經(jīng)過測試，證實該網(wǎng)關(guān)具有良好的穩(wěn)定性和通信性能，可滿足當前物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的需求，具有很好的使用和推廣價值。
參考文獻
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