物联网智能网关应用系统的一般设计方法

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随着互联网的日益普及、信息共享程度的要求不断提高,各种家电设备、仪器仪表以及工业生产中的数据采集与控制设别在逐步走向网络化,以便利用庞大的网络资源,实现分布式远程监控、信息交换与共享。物联网的发展更是为网络技术的应用起到了巨大的推动作用。

利用以太网实现远程控制系统,通过互联网共享以单片机应用系统为核心的小型嵌入式信息采集系统的信息,是物联网应用的关键内容。

单片机网络化应用系统的基本设计原则是:可靠性高、性能价格比高、操作简便以及设计周期短。

在进行物联网智能网关应用系统方案设计时,可以采用下述一般设计方法作为指导。

1. 确定系统功能与性能

由需求调查确定物联网智能网关应用系统的设计目标,这一目标包括系统功能与性能。系统功能主要由数据采集、数据处理、输出控制等。

2. 确定系统基本结构

物联网智能网关应用系统结构一般是以单片机为核心外部扩展相关电路的形式。确定了系统中的单片机、存储器分配以及输入/输出方式就可答题确定出物联网智能网关应用系统的基本组成。

⑴单片机

在系统详细方案设计时,先要确定单片机的型号。所选单片机的型号不同,组成的系统结构也就不同。

⑵存储器分配

不同的单片机具有不同的存储器组织。应根据应用系统的需要合理进行存储器的分配。

⑶I/O方式

采用不同的输入/输出方式,对于单片机应用系统的软、硬件结构有直接的影响。在单片机应用系统中,常用的I/O方式主要有:无条件传送方式(同步传送方式)、查询方式、中断方式。

⑷网络控制器

性能稳定,结构简单,编程易实现的网络控制器对于优化物联网智能网关应用系统起着关键性的作用。

物联网智能网关应用系统的工作模式可以分为两类,服务器端和客户端。无论工作于何种模式,都需要对以太网控制器进行网络参数配置,以实现最基本的物理连接(即能够ping通)。

3. 硬件设计

物联网智能网关应用系统硬件设计是围绕着单片机及网络控制器做外部功能扩展而展开的,其基本结构如图所示。

物理网网关设计

 

图1 物联网智能网关应用系统结构图

⑴ 程序存储器

传统的单片机内无片内程序存储器或存储容量不够大,需外部扩展程序存储器。外部扩展的存储器通常选用FLASH存储器。现在的单片机一般都集成了较大容量的程序存储器,使用时,不需要进行程序存储器的扩展。

⑵ 数据存储器

数据存储器用于暂时保存程序运行中的中间结果,一般由RAM 构成。大多数单片机都提供了小容量的片内数据存储器,只有当片内数据存储器不够用时才扩展外部数据存储器。无论是程序存储器还是数据存储器,存储器的设计原则是:在存储容量能够满足要求的前提下,尽可能减少存储芯片的数量。

⑶ I/O接口

由于外设多种多样,使得单片机与外设之间的接口电路也各种不相同。因此,I/O接口常常是单片机应用系统中设计最复杂也是最困难的部分之一。

⑷ 译码电路

当需要外部扩展电路时,常常需要设计译码电路。译码电路要尽可能简单,要求存储器空间分配合理,译码方式选择得当。

⑸ 总线驱动器

如果单片机外部扩展的器件较多,负载过重,就要考虑设计总线驱动器。

⑹ 抗干扰电路

针对可能出现的各种干扰,应考虑抗干扰电路的设计。在单片机应用系统中,一个不可缺少的抗干扰电路就是抗电源干扰电路。最简单的实现方法是在系统弱电部分(以单片机为核心)的电源入口处对地跨接1个100uf 左右的电容和1个0.1uf左右的电容,在系统内部各芯片的电源端对地跨接1个0.01~0.1uf的小电容。

4. 软件设计

软件是物联网智能网关应用系统中的一个重要组成部分,一般计算机应用系统的软件包括系统软件和用户软件,而物联网智能网关应用系统中的软件一般只有用户软件,即应用系统软件。软件设计的关键是确定软件应完成的任务及选择相应的软件结构。

⑴任务确定

根据系统软、硬件的功能分工,确定出软件应完成什么功能。作为实现控制功能的软件应明确控制对象、控制信号及控制时序;作为实现处理功能的软件应明确输入是什么、要做什么样的处理(即处理算法)、产生何种输出。

⑵ 软件结构

软件结构与程序设计技术密切相关。程序设计技术提供了程序设计的基本方法,最常用的程序设计方法是模块化程序设计。模块化程序设计具有结构清晰、功能明确、设计简便、程序模块可共享、便于功能扩展及便于程序维护等特点。为了编制模块程序,先要将软件功能划分为若干子功能模块,然后确定出各模块的输入、输出及相互间的联系。

节选自《物联网智能网关设计与应用》

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