基于TI-RTOS的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

楊震倫，許鍵新，楊培彬

（廣州番禺職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程學(xué)院，廣州　511483）

基于TI-RTOS的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

楊震倫，許鍵新，楊培彬

（廣州番禺職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程學(xué)院，廣州511483）

提出一種基于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)TI-RTOS，在低成本MCU平臺F28M35Hx上實(shí)現(xiàn)的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)方案，給出硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)。該物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)具有性價(jià)比高，靈活性強(qiáng)等特點(diǎn)，在低成本，小規(guī)模的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)中具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

物聯(lián)網(wǎng)；網(wǎng)關(guān)；TI-RTOS；F28M35Hx

2016年度大學(xué)生科技創(chuàng)新培育專項(xiàng)資金立項(xiàng)項(xiàng)目（No.pdjh2016b0681）

0　引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及相關(guān)應(yīng)用的迅速發(fā)展，接入物聯(lián)網(wǎng)的各類傳感設(shè)備及其他設(shè)備的數(shù)量和種類都不斷增加，而這些設(shè)備所采用的接口和協(xié)議都存在著較大差距。在早期的系統(tǒng)構(gòu)建中，針對相應(yīng)的具體應(yīng)用場景，人們往往需要研發(fā)特定物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，而當(dāng)應(yīng)用場景發(fā)生變化，相當(dāng)部分物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備需要重新開發(fā)，這導(dǎo)致工程應(yīng)用的較長周期和較高成本。所以目前的很多研究提出了一款被稱為物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的新型設(shè)備，如圖1所示，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)了多種傳感設(shè)備和外界的數(shù)據(jù)通路，能夠?qū)⒍嘟涌凇⒍鄥f(xié)議的傳感設(shè)備的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯聚并且無差異地提供給應(yīng)用程序，是物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層的核心組件。目前，大量的研究集中在各類基于Linux系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)［1-3］，然而，對于一些低成本，小規(guī)模的應(yīng)用，基于Linux系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)備存在成本過高，靈活性差等問題。本文提出了一種基于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)TI-RTOS的低成本物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)備，在小規(guī)模的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中能降低系統(tǒng)構(gòu)建的成本，并且具有靈活性高的特點(diǎn)。

1　TI-RTOS簡介

TI-RTOS是有德州儀器公司 （Texas Instruments， TI）所研發(fā)的一款面向MCU平臺，功能完善的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)［4］。TI-RTOS提供了經(jīng)過了預(yù)測試和預(yù)集成的一整套系統(tǒng)軟件組件，使得開發(fā)人員能夠?qū)Ｗ⒂谠O(shè)計(jì)應(yīng)用系統(tǒng)，并且在使用中無需預(yù)付或運(yùn)行時(shí)許可費(fèi)用，能大大縮短相關(guān)產(chǎn)品的開發(fā)周期。TI-RTOS內(nèi)核在大多數(shù)TI公司的MCU和DSP平臺上都可使用，TI-RTOS中間件、驅(qū)動程序和板級支持包在某些選定的ARM處理器、ARM+DSP雙核處理器以及無線MCU上都可以使用。目前已經(jīng)有越來越多的廠商認(rèn)識到TI-RTOS的優(yōu)點(diǎn)并開始在各類應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中使用它。TIRTOS包含了眾多組件，下面是這些主要組件的簡單介紹。

圖1　物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)示意圖

●TI-RTOS kernel：該內(nèi)核之前稱為SYS/BIOS，能提供搶占式多線程、線程間通信服務(wù)、內(nèi)存管理等。該內(nèi)核具有很優(yōu)秀的可配置性和可裁剪性。

●TI-RTOS NDK：TI-RTOS NDK提供了標(biāo)準(zhǔn)的IPv4和IPv6雙協(xié)議棧，編程接口支持BSD套接字，便于將Linux上開發(fā)的應(yīng)用程序移植到TI-RTOS上運(yùn)行。此外，網(wǎng)絡(luò)加密方面，TI-RTOS還提供了一個(gè)SSL庫，包括了TLS/SSL和DTLS以及一個(gè)內(nèi)容豐富的密碼庫

●TI-RTOS File System：該文件系統(tǒng)是與FAT兼容的文件系統(tǒng)。

●TI-RTOS USB：該USB協(xié)議棧同時(shí)支持USB HOST和DEVICE模式。

●TI-RTOS IPC：該組件主要在多核器件內(nèi)提供處理器間的通信機(jī)制。

●TI-RTOS UIA：該組件主要提供了一種統(tǒng)一的儀器架構(gòu)，使得對儀器數(shù)據(jù)的收集更為便利。

●TI-RTOS Drivers and Board Initialization：TIRTOS的驅(qū)動程序和板級支持功能提供了一套標(biāo)準(zhǔn)的驅(qū)動程序API以及所有受支持的demo板的板級支持代碼。

2　基于TI-RTOS的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)

本文所提出的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的硬件主要是基于高性價(jià)比的MCU平臺F28M35Hx，軟件主要是基于TIRTOS操作系統(tǒng)，具有成本低及靈活性高等特點(diǎn)，下面將分別對物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的硬件和軟件設(shè)計(jì)分別展開闡述，其中對基于TI-RTOS的軟件開發(fā)給出重點(diǎn)說明。

2.1物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)

F28M35Hx是TI公司推出的DSP+ARM雙核處理器系列，具有以太網(wǎng)控制器、PWM、ADC、CAN、USB、SPI、IIC等豐富的片上外設(shè)，并且由于該系列處理器的單片價(jià)格為10美元左右，而對于很多常規(guī)的應(yīng)用，幾乎不需要添加額外的片外外設(shè)即可滿足設(shè)計(jì)的需求，具有很高的性價(jià)比［5］。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中可以通過IIC接口訪問本地?cái)U(kuò)展的EEPROM，在本設(shè)計(jì)中，采用的是Atmel公司的AT24C512C，通過串口可以通過Wi-Fi模塊訪問無線路由器，在本設(shè)計(jì)中采用的是EPS8266模塊，通過串口連接的ZigBee模塊，可以收集無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)，本設(shè)計(jì)中采用的是高性能的Xbee模塊，通過ADC可以采集眾多直接連接的傳感器的數(shù)據(jù)，而通過SPI、CAN和USB等接口，可以和各類數(shù)據(jù)采集設(shè)備或者RFID設(shè)備相連接。此外，F(xiàn)28M35Hx具有片上以太網(wǎng)控制器，可通過外接的SMSC公司的物理層芯片LAN8710a來接入以太網(wǎng)。

圖2　物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.2物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計(jì)基于多任務(wù)，在TI-RTOS上進(jìn)行開發(fā)，需要使用TI公司的Code Composer Studio（CCS）集成開發(fā)工具。具體而言包括兩部分工作，第一部分是在相應(yīng)工程中對*.cfg文件，可對各外設(shè)的驅(qū)動、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、任務(wù)、任務(wù)間通信和同步機(jī)制等模塊進(jìn)行靜態(tài)配置和裁剪，第二部分是在調(diào)用SYS/BIOS、NDK等組件的API函數(shù)基礎(chǔ)上完成應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)。

在物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計(jì)中，為了實(shí)現(xiàn)有效的進(jìn)程同步機(jī)制，采用了信號量（Semphore）機(jī)制，而對于每個(gè)啟用的接口，采用了單獨(dú)創(chuàng)建一個(gè)伺服進(jìn)程來處理數(shù)據(jù)的方法，而對所有采集的數(shù)據(jù)都將通過一個(gè)數(shù)據(jù)處理任務(wù)來進(jìn)行進(jìn)一步處理，并實(shí)現(xiàn)本地存儲或者通過通信接口發(fā)送，其中為了提高通信的安全性，可以啟用TI-RTOS的SSL模塊。在進(jìn)行*.cfg文件的配置上，可以通過圖形界面來點(diǎn)選完成，也可以直接對*.cfg文件進(jìn)行編輯，下面是本設(shè)計(jì)中*.cfg文件的部分關(guān)鍵代碼，主要包含四部分，為了便于說明，我們在每行代碼的前面加了行號。

初始化部分主要包括：

1. var BIOS = xdc.useModule(’ti.sysbios.BIOS’);

2. var Clock = xdc.useModule(’ti.sysbios.knl.Clock’);

3. var Task = xdc.useModule(’ti.sysbios.knl.Task’);

4. var Semaphore = xdc.useModule(’ti.sysbios.knl.Semaphore’);

5. var Hwi = xdc.useModule(’ti.sysbios.hal.Hwi’);

6. var HeapMem = xdc.useModule(’ti.sysbios.heaps.HeapMem’);

7. var UART = xdc.useModule(’ti.drivers.UART’);

這里的每一行都是初始化一個(gè)模塊，包括內(nèi)核（1至3行），信號量（第4行）和串口（第7行）等。

NDK的配置代碼為：

1. var Global = xdc.useModule(’ti.ndk.config.Global’);

2. var Ip = xdc.useModule(’ti.ndk.config.Ip’);

3. var Udp = xdc.useModule(’ti.ndk.config.Udp’);

4. var Tcp = xdc.useModule(’ti.ndk.config.Tcp’);

5. Global.IPv6 = true;

6. Global.stackLibType = Global.MIN;

7. Global.networkOpenHook = "&netOpenHook";

8. Global.networkCloseHook = ’&netCloseHook’;

第2到4行是啟動網(wǎng)絡(luò)的IP、TCP、UDP協(xié)議，第7、8行是協(xié)議棧啟動和結(jié)束的鉤子函數(shù)，對于和網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的初始化代碼放在netOpenHook函數(shù)中，而用于程序結(jié)束時(shí)的處理代碼則放在netCloseHook函數(shù)中。

每個(gè)信號量的配置代碼如下：

1. var semaphore0Params = new Semaphore.Params();

2. semaphore0Params.instance.name = "semaphoreUART";

3. semaphore0Params.mode = Semaphore.Mode_BINARY;

4. Program.global.semaphoreUART = Semaphore.create(null, semaphore0Params);

主要包括了信號量命名（第2行），信號量的模式配置（第3行），信號量的創(chuàng)建（第4行）等。

在程序設(shè)計(jì)中，主程序主要是初始化硬件，創(chuàng)建任務(wù)，最后調(diào)用BIOS_start函數(shù)來啟動操作系統(tǒng)。創(chuàng)建任務(wù)的一個(gè)例子為：

1. Error_init(&ebtime);

2. Timer_Params_init(&timerParams);

3. timerParams.period = 100;

4. timerParams.arg = 1;

5. timerHandle = Timer_create(Timer_ANY, tickfunc, &timerParams, &ebtime);

該例子主要是創(chuàng)建一個(gè)時(shí)間定時(shí)處理任務(wù)，前面4行主要是參數(shù)的設(shè)置，如第3行表示定時(shí)處理時(shí)間為100毫秒，第5行為任務(wù)的創(chuàng)建，其中tickfunc為任務(wù)的執(zhí)行體函數(shù)。

在每個(gè)接口的伺服任務(wù)中，具體而言是等待相應(yīng)的硬件中斷，然后通過驅(qū)動程序讀取硬件數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理后提交給數(shù)據(jù)處理任務(wù)，其具體流程可參見圖3左圖。而對于數(shù)據(jù)處理任務(wù)而言，受各接口的伺服進(jìn)程發(fā)送數(shù)據(jù)的事件驅(qū)動，其流程可參見圖3右圖?？煽闯?，在TI-RTOS上實(shí)現(xiàn)的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)軟件具有簡潔高效的特點(diǎn)。其中任務(wù)間同步的關(guān)鍵代碼的一個(gè)例子為：

1. Semaphore_post(semaphoreUART);

2. Semaphore_pend(semaphoreUARTDone,BIOS_WAIT_FOREVER);

這段代碼中包括兩個(gè)信號量，semaphoreUART和semaphoreUARTDone，semaphoreUART是在第1行代碼中用于當(dāng)前任務(wù)向其它任務(wù)發(fā)送信號，而semaphoreUARTDone是在第2行用于由當(dāng)前任務(wù)等待其他任務(wù)發(fā)送信號，其中的BIOS_WAIT_FOREVER表示永久等待。

在物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的硬件和基礎(chǔ)軟件的基礎(chǔ)上，可根據(jù)需要進(jìn)一步開發(fā)中間件軟件，實(shí)現(xiàn)過濾、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換以及數(shù)據(jù)加密等功能。

圖3　接口伺服任務(wù)及數(shù)據(jù)處理任務(wù)流程

3　結(jié)語

隨著物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)及應(yīng)用的快速發(fā)展，作為連接感知系統(tǒng)和通信網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)在其中的地位也日益重要，基于當(dāng)前大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的造價(jià)高，靈活性低的現(xiàn)狀，本文提出了一種基于低成本MCU平臺F28M35Hx的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，其軟件設(shè)計(jì)基于TI-RTOS，具有簡潔高效的特點(diǎn)。本文所提出的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)在各類低成本，小規(guī)模的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用前景，在其硬件基礎(chǔ)上可進(jìn)一步開發(fā)中間件系統(tǒng)，這對于加快物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用及提升相關(guān)應(yīng)用的技術(shù)水平具有一定的意義。

［1］常英亮.基于嵌入式Linux的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)研究與實(shí)現(xiàn)［D］.北京：北京交通大學(xué)，2014.

［2］賈崢.基于嵌入式Linux的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)與應(yīng)用［D］.重慶：重慶理工大學(xué)，2014.

［3］洪嵐，王佳斌.基于 Linux的物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計(jì)［J］.中國新通信.2016，18（9）.

［4］TI-RTOS.［EB/OL］；2016 updated 2016；cited］；Available from：http：//processors.wiki.ti.com/index.php/TI-RTOS.

［5］王建偉.基于F28M35Hx的嵌入式TCP/IP協(xié)議棧的研究與實(shí)現(xiàn)［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2013.

Internet of Things；Gateway；TI-RTOS；F28M35Hx

Implement of IoT Gateway Based on TI-RTOS

YANG Zhen-lun XU Jiang-xin YANG Pei-bin
（School of Information Engineering，Guangzhou Panyu Polytechnic College，Guangzhou 511483）

Proposes the Internet of Things（IoT）gateway scheme based on real-time operation system TI-RTOS and the low price MCU platform F28M35Hx，and presents the hardware and software implement.The IoT gateway characterized by high performance-price ratio and flexibility，and can be applied on the lost price and small scale IoT systems.

1007-1423（2016）28-0058-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2016.28.016

楊震倫（1978-），男，廣東大埔人，副教授，碩士，研究方向?yàn)檫M(jìn)化算法、圖像處理、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)許鍵新（1996-），男，廣東汕頭人，?？疲芯糠较?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)技術(shù)楊培彬（1996-），男，廣東潮州人，專科，研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)技術(shù)

2016-08-16

2016-09-30