基于μC／OS—II的嵌入式电梯物联网网关的设计

基于μC／OS—II的嵌入式电梯物联网网关的设计
为提高对电梯的管理维护水平，提出了一种电梯物联网系统方案。

以ARM 微控制器STM32F103VET6为核心研制了系统的网关，设计并实现了一种运行于该系统的网关管理协议，利用μC/OS-II实时操作系统创建基于该协议的SGMP 任务，采用分层机制实现消息的创建、解析和执行。

实验证明网关具有良好的实时性和稳定性，具有广泛的管理能力。

标签：物联网；网关管理协议；电梯；SGMP
1 概述
随着电梯数量的增多，作为一种直接关系到人们生命安全的特种设备，如何保障电梯的安全运行受到了广泛关注。

在传统被动的电梯管理模式下各种电梯事故时有发生。

国内外各电梯企业大多针对各自品牌，采用总线或者公用电话网络作为远程数据交换的通信依托设计了电梯远程监控系统。

但网络布线复杂，运行成本高、可靠性较差并且数据交换量有限，各种系统之间互不兼容，可管理能力较低。

因而对电梯管理维护技术提出了更高的要求。

文章在充分利用小区内现已搭建完善的局域网系统，结合物联网[1]技术提出一种电梯物联网系统方案。

基于嵌入式技术设计该系统的关键部件——电梯物联网网关。

在网关平台上实现网关管理协议——SGMP（Simplify Gateway Management Protocol）的设计，实现信令交互、数据传输过程，使系统运行稳定，通信可靠，从而提高对电梯的管理维护水平。

2 系统方案
参考物联网典型通信系统架构设计电梯物联网系统模型，如图1所示。

从上至下依次为：应用层、网络层、感知层[2]。

为了阐述内容的准确性，定义电梯感知终端为位于感知层内能感知电梯运行数据，并具备联网和控制能力的有源结点。

构建此系统要求电梯感知终端按照既定的标准输出数据信息以便于统一管理。

位于感知层内的电梯感知终端主要负责通过电梯控制柜全面感知电梯运行数据，并组建完善的电梯群感知终端局域网。

由于各小区处于不同的局域网内，无法与公网进行通信，因此采用电梯物联网网关作为网络接口来满足电梯物联网系统的广域互联。

应用层采用基于SOA（Service-oriented architecture，面向服务架构）模型实现整个电梯物联网系统的业务覆盖，主要通过网管平台以及应用数据库服务器实现应用层事务处理，可供政府监管部门、物联网管理部门、电梯厂家等使用。

3 电梯物联网网关的设计与实现
电梯物联网网关位于感知层与网络层之间，在嵌入式硬件平台上运行SGMP 协议，对SGMP消息进行智能解析和处理，实现了感知层与应用层业务的平稳对接，是电梯物联网系统中的核心单元。

3.1 电梯物联网网关的硬件平台设计
基于嵌入式技术、以太网技术、2G/3G技术，设计了本网关，其硬件结构框图如图2所示。

本网关以ARM内核微控制器STM32F103VET6为核心，通过SPI驱动ENC28J60以太网控制器。

根据电梯运行产生的特征数据量小、运行时间无间断性等特点，采用华为GTM900-C GPRS无线模塊作为与Internet的接入手段，插入移动SIM卡后可获得公网IP[3]，不需要进行NAT穿越即可实现网关与网管平台之间的无线通信。

3.2 电梯物联网网关管理协议的设计
本网关采用的网关管理协议SGMP是在参考中国移动WMMP协议（Wireless Machine to Machine Protocol）基础上结合电梯物联网的具体情况而提出的。

SGMP的要点是实现网关与感知层和应用层间的消息传递以及对具体事务的处理。

SGMP协议建立在UDP协议之上，规定了网关与感知层和应用层间的所有交互命令和消息，并采用消息类型编码标识每个命令。

其协议帧格式如图3所示。

依照对协议的实际处理过程将其分为四层，分别为应用层API，事务控制层、协议适配层、传输适配层[4]。

要求由应用层AP I解码出消息类型代码，并提取出有用数据，提交给事务控制层；传输适配层负责调用UDP发送或接收程序，实现消息的发送或接收。

由于UDP协议采用无连接方式传输，没有确认机制，为保证协议运行的可靠性将协议消息采用“命令-响应”的握手方式执行。

基于该协议的信息交互流程如图4所示。

3.3 电梯物联网网关的软件实现
网关面向上层提供与网管平台的信息交互功能，面向下层管理感知层内各个感知终端。

在STM32F103VET6上稳定运行μC/OS-II操作系统，并移植LWIP 协议栈，建立SGMP任务，SGMP通过Socket套接字绑定感知层一侧的消息接收端口和通过串口接收应用层一侧的消息，解析上传的消息并触发网关管理协议应用层API，利用消息邮箱机制实现SGMP任务与应用层API的数据通信，并通过OSMboxPend（）等待新消息的到来。

4 实验与结论
为了验证网关设计方案的可行性和可靠性，在实验室100Mb/s带宽的局域网
条件下搭建了模拟电梯物联网状态的网络系统，拟将10台PC机作为电梯感知终端进行网关性能测试。

使用科来网络仿真软件[5]分析网络通信情况。

图5为网关上电或复位后网关与感知层、应用层建立可靠连接的通信流程。

经实际测试，文章所设计的电梯物联网网关可以达到100%正确接收或发送UDP数据包，并能够实现基于SGMP协议的网关事务消息的创建、解析和处理，具有较高的实时性和事务处理能力，可应用于小区智能控制系统，具有广泛的应用价值。

参考文献
[1]ITU Internet Reports 2005：The Internet of Things[R]. International Tele-communication Union（ITU）. 2005.
[2]章坚武，颜欢，包建荣.智能家庭网关设计及其物联网应用[J].计算机工程，2011，18（37）：246-251.
[3]练方兴，鲍鸿，龙盛鹏.基于ZigBee的机房环境远程监控系统的研究与实现[J].电子技术应用，2012，38（1）：66-69.
[4]郭翠娟，苗长云，武志刚.基于DSP的WMGCP协议栈的设计与实现[J].电子技术应用，2011，10（37）：117-119.
[5]郑巨明，张和生，等.基于μC/OS-II和LWIP的嵌入式以太网接口设计[J].计算机测量与控制，2009，17（11）：2238-2240.
作者简介：张晨光（1988-），女，博士在读，研究生学历，助教，现工作单位：天津工业大学，研究领域为智能信息处理，计算机图形学，嵌入式技术等。