物聯(lián)網(wǎng)是在互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上,，將用戶與物品或者物品與物品用互聯(lián)網(wǎng)進行連接，并通過互聯(lián)網(wǎng)進行信息交換和通信的一種概念,。物聯(lián)網(wǎng)主要通過信息采集設(shè)備以及能夠?qū)⑦@些信息采集設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng)的終端平臺來實現(xiàn),。近年來，嵌入式系統(tǒng)以其功能完善,，設(shè)計方案靈活,，功耗可控制等特點，已廣泛應(yīng)用于生活,、商業(yè),、醫(yī)療以及工業(yè)等各個領(lǐng)域。比起通用計算機來,，嵌入式系統(tǒng)具有針對性更強,、體積更小，成本更低等優(yōu)點,，是物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域應(yīng)用設(shè)計的首選方案,。對于一些數(shù)據(jù)量不大，傳輸速率要求不高的應(yīng)用,，要考慮用較低的成本實現(xiàn)最可靠的物聯(lián)網(wǎng)服務(wù),。

1 平臺硬件設(shè)計

1．1 平臺結(jié)構(gòu)及原理

該平臺采用ATMEL公司AT91SAM7X512處理器作為主控芯片，該處理器內(nèi)部集成了以太網(wǎng)控制器,、512kbytes FALSH以及128kbytes SRAM,。只需外接一片以太網(wǎng)物理層（PHY）收發(fā)芯片DM9161和一個網(wǎng)絡(luò)變壓器HR601680，即可構(gòu)成以太網(wǎng)終端硬件平臺,。 AT91SAM7X512采用3．3 V和1．8 V雙工作電壓,，使用頻率為18．432 MHZ的晶振作為時鐘電路的振蕩源，調(diào)試電路采用標準的20針JTAG仿真調(diào)試接口,。該方案成本低,，功耗小，并且所用芯片集成度很高因而保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性,。

AT91SAM7X512的以太網(wǎng)控制模塊實現(xiàn)了一個與IEEE802．3標準兼容的以太網(wǎng)MAC,，支持全雙工模式，可通過DMA方式進行數(shù)據(jù)收發(fā),。當物理層芯片DM9161接收到來自以太網(wǎng)的上位機數(shù)據(jù)時,，ARM通過MII接口（媒體獨立接口）讀取數(shù)據(jù)，并在內(nèi)部通過DMA方式將數(shù)據(jù)讀入 SRAM中交給TCP／IP協(xié)議棧進行處理,。同時,，當RFID射頻讀卡器或者傳感模塊有數(shù)據(jù)需要傳輸時，平臺也能沿著相同的通道將數(shù)據(jù)傳輸至上位機。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示：

1．2 AT91SAM7X512和DM9161的接口電路設(shè)計

AT91SAM7X512的以太網(wǎng)控制器和物理層收發(fā)芯片 DM9161之間有MII（Media Independent Interface）和RMII（Reduced Media Independent Interface）兩種接口,。這兩種接口都能夠工作在10 Mb／s和100 Mb／s共兩種速率下,，在本設(shè)計中采用MII接口。MII數(shù)據(jù)接口總共需要16個信號,，包括 TX_ER,，TXD《3：0》，TX_EN,，TX_CLK,，COL，RXD《3：0》,，RX_EX,，RX_CLK，CRS,，RX_DV 等,，在時鐘速率25 MHz的情況下以4-bit并行方式發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。以太網(wǎng)控制器依靠MDIO接口與物理層芯片進行通信,，用于自動協(xié)商期間確保以太網(wǎng)控制器和物理層芯片被配置為相同的速度和雙工模式,。AT91SAM7X512和DM9161的接口電路如圖2所示。

當系統(tǒng)上電后,，由AT91SAM7X512給DM9161提供復位信號及引腳初始化電平,，完成DM9161的上電初始化工作。當初始化完成后,，系統(tǒng)會通過MII接口讀取DM9161內(nèi)部狀態(tài)寄存器的值來完成對網(wǎng)絡(luò)連接模式和連接狀態(tài)的檢測,。

2 平臺軟件的實現(xiàn)

2．1 TCP／IP協(xié)議棧的移植

LwIP是瑞典計算機科學研究院（SICS）設(shè)計的一個開源的輕量級TCP／IP協(xié)議棧。它的目的是減少內(nèi)存使用率和代碼大小,，使LwIP能夠適用于資源緊張的嵌入式系統(tǒng),。利用μC／OS-Ⅱ提供的信號量和消息傳遞機制等系統(tǒng)服務(wù)可以實現(xiàn)對LwIP的移植。

2．1．1 信號量操作函數(shù)

LwIP 使用信號量進行通信,，這個信號量可以是計數(shù)信號量,，也可以是二值信號量，所以在sys_arch中需要實現(xiàn)與信號量操作相關(guān)的信號量結(jié)構(gòu)體struct sys_sem_t,、信號量建立函數(shù)sys_sem_new（）,、信號量釋放函數(shù)sys_sem_free（）、信號量發(fā)出函數(shù) sys_sem_signal（）和信號量等待函數(shù)sys_arch_sem_wait（）,。由于在μC／OS-Ⅱ中已經(jīng)實現(xiàn)了與信號量操作有關(guān)的各種函數(shù)，而且功能和上述幾個LwIP中所需要實現(xiàn)的函數(shù)的功能是完全一致的,，所以只要調(diào)用μC／OS-Ⅱ中的信號量操作函數(shù)來重新包裝成LwIP中的信號量操作函數(shù)即可,。

2．1．2 郵箱操作函數(shù)

LwIP使用郵箱來進行消息傳遞,，用戶可以用一個隊列來將其實現(xiàn)，需要注意的一點是,，投遞進郵箱中的消息只能是一個指針,。因此要根據(jù)以上要求來實現(xiàn)消息隊列結(jié)構(gòu)sys_mbox_t，以及相應(yīng)的操作函數(shù)：sys_mbox_new（）,、 sys_mbox_free（）,、sys_mbox_post（）和sys_arch_mbox _fetch（）。μC／OS-Ⅱ很好地實現(xiàn)了消息隊列結(jié)構(gòu)及其操作,，為消息隊列提供了豐富的管理函數(shù),，但μC／OS-Ⅱ沒有對消息隊列中的消息進行管理，因而不能直接使用,，必須在μC／OS-Ⅱ的基礎(chǔ)上重新實現(xiàn),。具體實現(xiàn)時，可創(chuàng)建多個郵箱,，并使用單向鏈表將這些郵箱鏈接在一起,，每個郵箱可接收消息的數(shù)量由消息數(shù)組的大小來決定。對消息隊列本身的管理用μC／OS-Ⅱ中的隊列操作函數(shù)來完成,，然后通過對鏈表的操作來實現(xiàn)對消息的創(chuàng)建,、使用、刪除和回收,，兩部分綜合起來形成了LwIP的郵箱功能,。

2．1．3 創(chuàng)建新線程函數(shù)

在μC／OS-Ⅱ中只有任務(wù)的概念，建立一個新的線程實際上就是建立一個新的任務(wù),。因此只需要把OSTaskCreate（）封裝一下,，就可以實現(xiàn)sys_thread_new（）。需要注意的是當前μC／OS-Ⅱ 不支持時間片輪番調(diào)度法,，不允許兩個或兩個以上的任務(wù)有同樣的優(yōu)先級,，所以用戶要事先為LwIP中創(chuàng)建的線程分配好優(yōu)先級。通過對LwIP中的宏 TCPIP_THREAD_PRIO進行包裝,，來避免TCPIP線程優(yōu)先級與其他線程相同,。

2．1．4 定時器函數(shù)

LwIP中每個線程都有一個timeouts鏈表，這個鏈表在建立之后其首地址必須固定,。因此用于保存鏈表首地址的sys_timeouts結(jié)構(gòu)必須與線程一一對應(yīng),，而且其地址不能改變，以便能夠隨時得到鏈表的首地址,?？捎靡粋€靜態(tài)的sys_timeouts結(jié)構(gòu)數(shù)組來存放各個線程的鏈表，以線程的優(yōu)先級號來作為數(shù)組索引號,，這樣每一個線程就能對應(yīng)一個sys-timeouts結(jié)構(gòu)體了,，并且在系統(tǒng)運行期間對應(yīng)的結(jié)構(gòu)體數(shù)組成員的地址會一直固定不變,。移植時通過實現(xiàn) stmctsys_timeouts*sys_arch_timeouts（void）函數(shù)，來返回目前正處于運行態(tài)的線程所對應(yīng)的timeouts隊列指針,。

2．2 驅(qū)動程序

操作系統(tǒng)是通過各種驅(qū)動程序來和各種硬件打交道的,，驅(qū)動程序為用戶屏蔽了各種各樣的硬件設(shè)備，而只提供了簡單明了的函數(shù)接口給操作系統(tǒng)調(diào)用,。LwIP已經(jīng)設(shè)計好了這些框架,，用戶只需嚴格按照順序完成與底層硬件相關(guān)的部分即可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接口層和IP層的通信。需要實現(xiàn)的包括：底層網(wǎng)絡(luò)接口初始化函數(shù)ethernetif_init（）,、網(wǎng)卡接收函數(shù)ethernetif_input（）,、網(wǎng)卡發(fā)送函數(shù) ethernetif_output（）和網(wǎng)卡中斷處理函數(shù)ethernetif_isr（）等。驅(qū)動程序完成了對設(shè)備的初始化,、釋放和管理,，并且完成對底層以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包的接收、搬運和發(fā)送,。

2．3 應(yīng)用程序

系統(tǒng)應(yīng)用程序的任務(wù)主要是在嵌入式平臺上實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信客戶端和HTTP網(wǎng)頁服務(wù)器兩方面的功能,。利用LwIP提供的API，采用TCP協(xié)議客戶端到服務(wù)器通信的模式,，實現(xiàn)嵌入式終端和上位機之間的通信,。在這種模式下，嵌入式終端定義為客戶端,，主動向服務(wù)器發(fā)起TCP連接,；而上位機（PC）定義為服務(wù)器端，始終監(jiān)聽來自網(wǎng)絡(luò)的連接,。嵌入式終端主要負責采集來自于傳感器或RFID模塊的數(shù)據(jù),，并將這些數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳送給上位機。同時嵌入式終端平臺上也運行著一個HTTP網(wǎng)頁服務(wù)器,，上位機（PC）可通過網(wǎng)頁對嵌入式終端平臺進行訪問,、查看和設(shè)置。

3 WEB服務(wù)器的實現(xiàn)

HTTP定義了瀏覽器與服務(wù)器交互的不同方法,，最基本的方法有4種,。本系統(tǒng)的實現(xiàn)只涉及到GET和POST這兩種最基本的方法。GET一般用于向服務(wù)器獲取和查詢資源信息,，而POST一般用于向服務(wù)器上傳和更新沒有長度限制的,、大容量的資源信息。一個基本的WEB服務(wù)器要實現(xiàn)動態(tài)網(wǎng)頁服務(wù)的關(guān)鍵是要能夠?qū)g覽器發(fā)送的GET或POST請求做出響應(yīng),。一般情況下制作動態(tài)網(wǎng)頁需要使用語言：HTML+ASP或 HTML+PHP或HTML+ JSP等,。要在資源有限的嵌入式系統(tǒng)上實現(xiàn)這樣的功能是不現(xiàn)實的，一種明智的辦法是通過使用回調(diào)函數(shù)的方式,，為瀏覽器的每一種請求都設(shè)計一個服務(wù)函數(shù)與之對應(yīng),。當有新增加的GET或POST請求時,，則只需要增加相應(yīng)的服務(wù)函數(shù)即可,。具體實現(xiàn)時可設(shè)計一個存放服務(wù)函數(shù)地址的結(jié)構(gòu)體,，其成員包括所請求服務(wù)參數(shù)的長度、名稱和對應(yīng)服務(wù)函數(shù)的地址,。然后將所有的結(jié)構(gòu)體都初始化在一個數(shù)組中,，代碼如下：

在編寫應(yīng)用程序的時候，只需抓取瀏覽器所發(fā)送的請求類型和參數(shù),，即可根據(jù)不同的請求來調(diào)用相應(yīng)的服務(wù)函數(shù),。當有新的GET或者POST請求增加時，只需要增加與之對應(yīng)的服務(wù)函數(shù)即可,，這樣就實現(xiàn)了擴展性很強的動態(tài)網(wǎng)頁服務(wù),。WEB服務(wù)器響應(yīng)瀏覽器訪問的流程如圖3所示。

POST請求分為帶參數(shù)和不帶參數(shù)兩類,，帶參數(shù)的POST請求,，如：設(shè)置IP地址，子網(wǎng)掩碼等操作,，需要提取相關(guān)參數(shù)后再調(diào)用服務(wù)函數(shù)進行處理,。不帶參數(shù)的POST請求只需直接調(diào)用相應(yīng)服務(wù)函數(shù)即可，如：重啟系統(tǒng),、恢復默認參數(shù)等操作,。遠端PC可以通過該動態(tài)WEB服務(wù)器來對平臺進行訪問，完成上述幾項操作,。在第一次啟動本系統(tǒng)時,，系統(tǒng)通過運行DHCP客戶端程序，向DHCP服務(wù)器（路由器等設(shè)備）主動申請IP地址,，獲得IP后,，遠端PC即可通過該IP地址對本系統(tǒng)進行訪問和設(shè)置。網(wǎng)頁界面如圖4所示,。

4 結(jié)束語

平臺采用AT91SAM7X512處理器和DM9161以太網(wǎng)物理層芯片,。兩者通過MII接口連接，高集成度的處理器提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性,，降低了數(shù)據(jù)傳輸出錯機率,。通過向終端平臺移植LwIP協(xié)議，使終端具備連入以太網(wǎng)的能力,，并通過調(diào)用函數(shù)的方式在該低成本平臺上實現(xiàn)了動態(tài)網(wǎng)頁服務(wù)器,。在局域網(wǎng)條件下運行該終端和上位機PC進行連接，能很好的通過網(wǎng)絡(luò)傳遞RFID讀卡器采集的信息,，并且上位機PC能夠通過網(wǎng)頁對本終端進行訪問和參數(shù)設(shè)置,。針對更復雜的遠程網(wǎng)絡(luò)連接和訪問,，網(wǎng)絡(luò)延遲和丟包等問題還有待進一步的研究。