物聯網智能網關應用系統的一般設計方法

隨著互聯網的日益普及、信息共享程度的要求不斷提高，各種家電設備、儀器儀表以及工業生產中的數據采集與控制設別在逐步走向網絡化，以便利用龐大的網絡資源，實現分布式遠程監控、信息交換與共享。物聯網的發展更是為網絡技術的應用起到了巨大的推動作用。

利用以太網實現遠程控制系統，通過互聯網共享以單片機應用系統為核心的小型嵌入式信息采集系統的信息，是物聯網應用的關鍵內容。

單片機網絡化應用系統的基本設計原則是：可靠性高、性能價格比高、操作簡便以及設計周期短。

在進行物聯網智能網關應用系統方案設計時，可以采用下述一般設計方法作為指導。

1. 確定系統功能與性能

由需求調查確定物聯網智能網關應用系統的設計目標，這一目標包括系統功能與性能。系統功能主要由數據采集、數據處理、輸出控制等。

2. 確定系統基本結構

物聯網智能網關應用系統結構一般是以單片機為核心外部擴展相關電路的形式。確定了系統中的單片機、存儲器分配以及輸入/輸出方式就可答題確定出物聯網智能網關應用系統的基本組成。

⑴單片機

在系統詳細方案設計時，先要確定單片機的型號。所選單片機的型號不同，組成的系統結構也就不同。

⑵存儲器分配

不同的單片機具有不同的存儲器組織。應根據應用系統的需要合理進行存儲器的分配。

⑶I/O方式

采用不同的輸入/輸出方式，對于單片機應用系統的軟、硬件結構有直接的影響。在單片機應用系統中，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網絡控制器

性能穩定，結構簡單，編程易實現的網絡控制器對于優化物聯網智能網關應用系統起著關鍵性的作用。

物聯網智能網關應用系統的工作模式可以分為兩類，服務器端和客戶端。無論工作于何種模式，都需要對以太網控制器進行網絡參數配置，以實現最基本的物理連接(即能夠ping通)。

3. 硬件設計

物聯網智能網關應用系統硬件設計是圍繞著單片機及網絡控制器做外部功能擴展而展開的，其基本結構如圖所示。

⑴ 程序存儲器

傳統的單片機內無片內程序存儲器或存儲容量不夠大，需外部擴展程序存儲器。外部擴展的存儲器通常選用FLASH存儲器。現在的單片機一般都集成了較大容量的程序存儲器，使用時，不需要進行程序存儲器的擴展。

⑵ 數據存儲器

數據存儲器用于暫時保存程序運行中的中間結果，一般由RAM 構成。大多數單片機都提供了小容量的片內數據存儲器，只有當片內數據存儲器不夠用時才擴展外部數據存儲器。無論是程序存儲器還是數據存儲器，存儲器的設計原則是：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量。

⑶ I/O接口

由于外設多種多樣，使得單片機與外設之間的接口電路也各種不相同。因此，I/O接口常常是單片機應用系統中設計最復雜也是最困難的部分之一。

⑷ 譯碼電路

當需要外部擴展電路時，常常需要設計譯碼電路。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。

⑸ 總線驅動器

如果單片機外部擴展的器件較多，負載過重，就要考慮設計總線驅動器。

⑹ 抗干擾電路

針對可能出現的各種干擾，應考慮抗干擾電路的設計。在單片機應用系統中，一個不可缺少的抗干擾電路就是抗電源干擾電路。最簡單的實現方法是在系統弱電部分(以單片機為核心)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，在系統內部各芯片的電源端對地跨接1個0.01~0.1uf的小電容。

4. 軟件設計

軟件是物聯網智能網關應用系統中的一個重要組成部分，一般計算機應用系統的軟件包括系統軟件和用戶軟件，而物聯網智能網關應用系統中的軟件一般只有用戶軟件，即應用系統軟件。軟件設計的關鍵是確定軟件應完成的任務及選擇相應的軟件結構。

⑴任務確定

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

⑵ 軟件結構

軟件結構與程序設計技術密切相關。程序設計技術提供了程序設計的基本方法，最常用的程序設計方法是模塊化程序設計。模塊化程序設計具有結構清晰、功能明確、設計簡便、程序模塊可共享、便于功能擴展及便于程序維護等特點。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、輸出及相互間的聯系。