通用可靠的串口／以太網網關設計

摘要：介紹了一種串口／以太網嵌入式網關的設計方案，詳細討論了串口可靠通信的實現方法，并在開源操作系統RTThread和微處理器S3C2 440開發板的軟硬件平臺上實現。網關實際應用于一個無線傳感器網絡項目，實驗表明該網關能實現可靠的數據通信。
關鍵詞：串口／以太網網關；可靠串口通信；RT-Thread；S3C2440

引言
隨著物聯網的蓬勃發展，越來越多的傳統本地設備或網絡有接入計算機網絡的需求，而這些傳統沒備一般都是不具備網絡接口的非IP設備。最常用的通信接口是串口，不能直接接入計算機網絡，在不改變這些原有設備的基礎上，使用串口／以太網網關來接入計算機網絡的方式不失為一種比較好的解決方案。

基于此需求，設計和實現了串口／以太網網關，網絡結構如圖1所示。實現了非IP設備與IP設備間的數據通信，并特別考慮了串口通信的可靠性，從軟件和硬件兩方面詳細討論了保證串口通信可靠性的方法。IP端通信的可靠性由TCP／IP協議保證，這樣就保證了串口設備與IP設備間通信的可靠性。

1 網關工作原理
1．1 概 述
網關實現串口設備和以太網之間的協議轉換，具體表現為幀格式的轉換，可表示為：
Socket幀←→凈荷數據←→串口幀
其中Socket(套接字)幀和串口幀郜是為實現網關可靠通信而自定義格式的幀，凈荷數據為真正需要傳送的應用數據。
網關的數據通信可分為兩部分：網絡端和串口端，要保證整個網關通信的可靠性，那么就要分別保證網絡端和串口端通信的可靠性。
在網絡端，網關使用了流式套接字。流式套接字使用TCP協議，而TCP協議是面向連接的，保證了數據傳輸的正確性和順序性。所以，流式的套接字可以提供可靠的、面向連接的通信流。但是，流式數據對應用來說不易使用，所以Socket數據傳送都是基于幀格式的。
在串口端，串口數據傳送本質上也是字節流式的，在硬件層次是不可靠的，而且不能保證數據的完整性，需要在軟件上有一些其他機制來保證可靠性。所以，網關串口的數據傳送同樣基于幀格式，并且使用了接收確認、超時重發、差錯校驗等機制來保證可靠性。

圖2為網關工作時的數據流示意圖。圖中3個帶箭頭的橢圓表示3個線程，圖中未畫出建立Socket連接、串口初始化和線程啟動等過程。