物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)的一般設(shè)計方法

隨著互聯(lián)網(wǎng)的日益普及、信息共享程度的要求不斷提高，各種家電設(shè)備、儀器儀表以及工業(yè)生產(chǎn)中的數(shù)據(jù)采集與控制設(shè)別在逐步走向網(wǎng)絡(luò)化，以便利用龐大的網(wǎng)絡(luò)資源，實現(xiàn)分布式遠(yuǎn)程監(jiān)控、信息交換與共享。物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展更是為網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用起到了巨大的推動作用。

利用以太網(wǎng)實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，通過互聯(lián)網(wǎng)共享以單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)為核心的小型嵌入式信息采集系統(tǒng)的信息，是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的關(guān)鍵內(nèi)容。

單片機(jī)網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用系統(tǒng)的基本設(shè)計原則是：可靠性高、性能價格比高、操作簡便以及設(shè)計周期短。

在進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)方案設(shè)計時，可以采用下述一般設(shè)計方法作為指導(dǎo)。

1. 確定系統(tǒng)功能與性能

由需求調(diào)查確定物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)，這一目標(biāo)包括系統(tǒng)功能與性能。系統(tǒng)功能主要由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、輸出控制等。

2. 確定系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一般是以單片機(jī)為核心外部擴(kuò)展相關(guān)電路的形式。確定了系統(tǒng)中的單片機(jī)、存儲器分配以及輸入/輸出方式就可答題確定出物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)的基本組成。

⑴單片機(jī)

在系統(tǒng)詳細(xì)方案設(shè)計時，先要確定單片機(jī)的型號。所選單片機(jī)的型號不同，組成的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也就不同。

⑵存儲器分配

不同的單片機(jī)具有不同的存儲器組織。應(yīng)根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)的需要合理進(jìn)行存儲器的分配。

⑶I/O方式

采用不同的輸入/輸出方式，對于單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的軟、硬件結(jié)構(gòu)有直接的影響。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，常用的I/O方式主要有：無條件傳送方式(同步傳送方式)、查詢方式、中斷方式。

⑷網(wǎng)絡(luò)控制器

性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，編程易實現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)控制器對于優(yōu)化物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)起著關(guān)鍵性的作用。

物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)的工作模式可以分為兩類，服務(wù)器端和客戶端。無論工作于何種模式，都需要對以太網(wǎng)控制器進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置，以實現(xiàn)最基本的物理連接(即能夠ping通)。

3. 硬件設(shè)計

物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)硬件設(shè)計是圍繞著單片機(jī)及網(wǎng)絡(luò)控制器做外部功能擴(kuò)展而展開的，其基本結(jié)構(gòu)如圖所示。

⑴ 程序存儲器

傳統(tǒng)的單片機(jī)內(nèi)無片內(nèi)程序存儲器或存儲容量不夠大，需外部擴(kuò)展程序存儲器。外部擴(kuò)展的存儲器通常選用FLASH存儲器。現(xiàn)在的單片機(jī)一般都集成了較大容量的程序存儲器，使用時，不需要進(jìn)行程序存儲器的擴(kuò)展。

⑵ 數(shù)據(jù)存儲器

數(shù)據(jù)存儲器用于暫時保存程序運(yùn)行中的中間結(jié)果，一般由RAM 構(gòu)成。大多數(shù)單片機(jī)都提供了小容量的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器，只有當(dāng)片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器不夠用時才擴(kuò)展外部數(shù)據(jù)存儲器。無論是程序存儲器還是數(shù)據(jù)存儲器，存儲器的設(shè)計原則是：在存儲容量能夠滿足要求的前提下，盡可能減少存儲芯片的數(shù)量。

⑶ I/O接口

由于外設(shè)多種多樣，使得單片機(jī)與外設(shè)之間的接口電路也各種不相同。因此，I/O接口常常是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中設(shè)計最復(fù)雜也是最困難的部分之一。

⑷ 譯碼電路

當(dāng)需要外部擴(kuò)展電路時，常常需要設(shè)計譯碼電路。譯碼電路要盡可能簡單，要求存儲器空間分配合理，譯碼方式選擇得當(dāng)。

⑸ 總線驅(qū)動器

如果單片機(jī)外部擴(kuò)展的器件較多，負(fù)載過重，就要考慮設(shè)計總線驅(qū)動器。

⑹ 抗干擾電路

針對可能出現(xiàn)的各種干擾，應(yīng)考慮抗干擾電路的設(shè)計。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，一個不可缺少的抗干擾電路就是抗電源干擾電路。最簡單的實現(xiàn)方法是在系統(tǒng)弱電部分(以單片機(jī)為核心)的電源入口處對地跨接1個100uf 左右的電容和1個0.1uf左右的電容，在系統(tǒng)內(nèi)部各芯片的電源端對地跨接1個0.01~0.1uf的小電容。

4. 軟件設(shè)計

軟件是物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)中的一個重要組成部分，一般計算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的軟件包括系統(tǒng)軟件和用戶軟件，而物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)中的軟件一般只有用戶軟件，即應(yīng)用系統(tǒng)軟件。軟件設(shè)計的關(guān)鍵是確定軟件應(yīng)完成的任務(wù)及選擇相應(yīng)的軟件結(jié)構(gòu)。

⑴任務(wù)確定

根據(jù)系統(tǒng)軟、硬件的功能分工，確定出軟件應(yīng)完成什么功能。作為實現(xiàn)控制功能的軟件應(yīng)明確控制對象、控制信號及控制時序;作為實現(xiàn)處理功能的軟件應(yīng)明確輸入是什么、要做什么樣的處理(即處理算法)、產(chǎn)生何種輸出。

⑵ 軟件結(jié)構(gòu)

軟件結(jié)構(gòu)與程序設(shè)計技術(shù)密切相關(guān)。程序設(shè)計技術(shù)提供了程序設(shè)計的基本方法，最常用的程序設(shè)計方法是模塊化程序設(shè)計。模塊化程序設(shè)計具有結(jié)構(gòu)清晰、功能明確、設(shè)計簡便、程序模塊可共享、便于功能擴(kuò)展及便于程序維護(hù)等特點(diǎn)。為了編制模塊程序，先要將軟件功能劃分為若干子功能模塊，然后確定出各模塊的輸入、輸出及相互間的聯(lián)系。