单体液压支柱无线监测系统中嵌入式网关设计侯立兵

·21·2017年第1卷第10期（总第10期）VOL.1NO.102017(CumulativetyNO.10)中国高新科技ChinaHigh-tech1　单体液压支柱无线监测系统嵌入式网关总体设计煤矿井下液压支柱数目较多，难以集中监测。本文通过设计基于无线传感器网络的单体液压支柱监测系统，实现井下液压支柱压力监测。如图1所示，本系统主要由监测主机、以太网及嵌入式网关、传感器节点、中缝节点、Zigbee网络等部件组成。图1　单体液压支柱无线监测系统方案该系统具体工作运行原理如下：（1）系统传感器节点首先需采集液压支柱各个状态参数信息。（2）将系统传感器节点收到的信息由中继节点传送至网关，网关需分析、处理上传数据。（3）由Internet将分析、处理后的相关数据传输至本系统上位监视主机。通过嵌入式网关对Zigbee与Internet协议相互转换，配合网络芯片通过串口将其与无集成传感器的Zigbee节点相连接，共同实现在系统不同协议之间合理转换。与此同时，该系统通过串口向网关传送中继节点模块收到的无线信息，再由Internet经网关将数据信息发送至以太网环。该无线传感器节点技术成熟，可降低开发设计难度。因此，采用以下设计方案对系统嵌入式网关进行科学设计。2　硬件设计2.1　硬件结构本嵌入式网关提供了一个保证其能与Zigbee中继节点相连接的网络串口。在设计时，为了便于将相关数据及时传输至矿井中，配置了1个网口与2个串口。在此基础上，对系统RAM模块与ROM模块进行外扩。图2为本单体液压支柱无线监测系统嵌入式网关主要结构组成示意图。图2　单体液压支柱无线监测系统中嵌入式网关的硬件结构单体液压支柱无线监测系统中嵌入式网关设计侯立兵1　闫　旭2（1．徐州博轩自动化科技有限公司，江苏徐州221116；2．徐州电子技术研究所，江苏徐州221009）摘要：无线传感器网络系统设计的核心在于网关。文章结合该系统无线监测功能性与非功能性需求，基于UDP/IP协议栈，提出了一种自编自写、高度精简的嵌入式网关转换设计方案。该系统以S3C44B0X模块为基础，旨在实现Zigbee、Internet两大基本协议相互转换。实际应用表明，该系统结构紧凑、无操作系统植入、程序稳定兼容，监测结果可靠、稳定，且能在不同平台中移植应用。关键词：单体液压支柱；无线监测；网关设计；嵌入式　　文献标识码：A　　中图分类号：TD355文章编号：2096-4137（2017）10-021-03　　　　DOI：10.13535/j.cnki.10-1507/n.2017.10.07收稿日期：2017-09-26作者简介：侯立兵（1978-），男，江苏丰县人，徐州博轩自动化科技有限公司工程师，研究方向：电子通信及自动化控制。·22·2.2　嵌入式网关网络接口电路设计选用一种即插即用、全双工的RTL8019AS网络控制芯片作为Internet控制器。由网络发送/接收滤波器20F001完成网络介质间的连接，提高本单体液压支柱无线监测系统网络通信抗干扰能力。图3为单体液压支柱无线监测系统网络接口电路设计示意图。图3　网络接口架构数据处理过程描述如下：（1）当Internet中某节点欲向系统CAN现场总线或网络节点发送相关数据时，该Internet节点首先会向本系统嵌入式网关发送以太帧。（2）当系统网关收到发送数据时，解析、拆包以太网，同时按总线/网络协议格式结合网关配置情况封装数据，最后将其发送至目标节点。（3）当系统总线/网络中的某节点欲向Internet节点发送数据时，则按上述数据处理流程原路返回。3　软件设计本系统软件运行程序主要包括协议转换及系统引导程序，程序运行端可分为主、从两部分。（1）通过移植U-boot获得系统引导运行程序，然后进入协议转换程序。（2）终端从串口获取Zigbee中继节点发送的信息数据，并对以太网帧进行填写。（3）基于以太网帧格式，经Internet、UDP及ARP协议，采用UDP方式，将相关监测数据信息发送至矿井监测主机。（4）系统协议转换程序主要通过ARP协议对目标主机中的MAC地址进行获取。按照上述流程，当系统软件程序开始运行后，需对网卡进行初始化设置。在此操作过程中，若运行失败，则系统会自动提示错误；随后，可连续3次发送ARP请求。若系统尚未收到ARP应答，则本系统会自动报错提示，然后等待对系统串口数据进行接收。在接收过程中，若有数据则需对数据进行分析，从而形成新的UDP数据，并将其加载至UDP数据报中由Internet负责发送。图4为本监测系统中嵌入式网关的软件程序流程图。图4　本监测系统中嵌入式网关的软件程序流程图3.1　系统BootLoader引导程序设计BootLoader程序也称系统引导程序，主要是指在本监测系统复位后执行的首段代码。在U-boot程序移植过程中，首先，需对系统存储区映射、时钟等硬件模块进行初始化；其次，对系统堆栈指针进行设置，并通过建立S3C44B0X内存空间映射图，为本监测系统正常、稳定运行提供一种可靠的环境与状态，以便用户合理操作系统应用程序，及对操作系统内核进行最终调用。3.2　系统UDP/IP协议栈的设计本监测系统协议栈程序主要包括由mac.c文件、eth.c文件、arp.c文件、ip.c文件、udp.c文件及MAIN.c文件组成的精简UDP/IP协议。如表1所示，mac.c、eth.c、arp.c、ip.c和udp.c、MAIN.c文件构成了该监测系统协议栈程序。4　结语综上所述，本文针对矿井下无法进行长距离信·23·息传输的问题，设计了一种基于UDP/IP协议栈的单体液压支柱无线监测系统。本系统主要由监测主机、以太网及嵌入式网关、传感器节点、中缝节点、Zigbee网络等部件组成。通过嵌入式网关，对Zigbee与以太网协议进行相互转换，以不带无线收、发模块的网关为核心，配合网络芯片通过串口将其与无集成传感器的Zigbee节点相连接，共同实现系统不同协议之间的合理转换。在本系统网络接口设计时，选用一种全双工即插即用的RTL8019AS网络控制芯片，构成系统以太网控制器。最终，分别基于mac.c文件、eth.c文件、arp.c文件、ip.c文件与udp.c和MAIN.c文件实现对各监测信息数据的传输与发送，有效提高了系统监测效率。参考文献[1]　王桃，刘晓文，乔欣，等．基于无线传感器网络的液压支架压力监测系统设计[J]．工矿自动化，2014，40（6）.[2]　白亚腾，孙彦景，孙建光，等．基于无线传感器网络的液压支架压力监测系统设计[J]．煤炭科学技术，2014，42（12）.[3]　刘亚辉．SmartMeshIP无线网络在液压支架压力监测系统的应用设计[J]．煤矿机械，2016，37（6）.[4]　丁恩杰，孟祥，李晓，等．基于无线传感器网络的井下液压支架压力监测系统设计[J]．煤矿机械，2010，31（10）.[5]　胡亮．无线低功耗液压支架压力监测系统设计[J]．工矿自动化，2017，43（6）.（责任编辑：周加转）表1　系统UDP/IP协议栈文件类型调用函数文件功能操作方式mac.cs3c44b0_eth_rcv；s3c44b0_eth_send；s3c44b0_eth_init()①对RTL8019模块初始化操作；②调用函数InitRS8019()；③读取缓冲区数据-eth.ceth_send函数；eth_rcv函数对系统以太网帧进行操作调用函数s3c44b0_eth_send()arp.carp_rcv_packet函数；arp_send_req函数；arp_get_eth_addr函数①发送arp包；②获取目标主机MAC地址采用函数arp_rcv_packet()处理系统收到的arp包；调用函数eth_send()发送ARP请求包Ip.cip_send；ip_rcv_packet；ip_rcv_packet()添加IP头各字段采用函数ip_rcv_packet()区别系统各种服务；采用ip_send()函数添加IP头；调用eth_send()函数发送各字段udp.cudp_send处理UDP数据报-MAIN.cnet_handle()函数；SendUdpstart()函数为系统相关应用程序运行提供基础调取net_handle()函数与SendUdpstart()函数；合理判断IP或ARP包