基于嵌入式网络的智能小区监测系统研究

范 涛， 张子蓬，王淑青

(1 湖北工业大学计算机学院， 湖北 武汉 430068； 2 湖北工业大学电气与电子工程学院，湖北武汉 430068)



基于嵌入式网络的智能小区监测系统研究

范 涛1， 张子蓬1，王淑青2

(1 湖北工业大学计算机学院， 湖北 武汉 430068； 2 湖北工业大学电气与电子工程学院，湖北武汉 430068)

提出了一种安全、可靠的嵌入式网络的智能小区监测系统，给出了嵌入式网络互联技术的接入方法，并设计嵌入式网络接口。针对实际的应用，对标准的TCP/IP协议进行了精简，改善了嵌入式网络协议。为了解决数据在传输过程中的拥塞问题，通过RED算法的优化，很大程度地提高了数据的传输效率和准确率，完善了智能小区监测系统的性能。

智能小区； 网络接口； 网络协议； RED算法

随着计算机技术和网络技术的快速发展，各种电子设备趋于智能化、网络化。同时随着嵌入式技术的迅猛发展，产生了嵌入式网络技术，嵌入式网络技术是指电子设备通过嵌入式模块直接接入网络，以网络为介质实现信息交互的技术。在嵌入式系统领域，以Internet技术为基础，使嵌入式系统与网络相互链接，实现嵌入式系统与Internet之间的资源共享、信息通信和状态控制等功能[1]。智能小区即是利用计算机技术、网络通信技术、自控技术，集系统、服务、管理于一体的高效、安全、便利的居住和生活小区。智能监控小区作为信息社会的重要基础设施，越来越受到人们的重视。本文就以嵌入式网络技术为基础来设计智能小区监控系统，优化了嵌入式网络协议，并尽力解决数据在通信过程中网络拥塞的问题。

1 智能小区监测系统结构

智能小区的应用系统主要内容为：安保系统、通信系统、设备监测系统。远程监测是指本地计算机通过一定的网络系统对远端的计算机或智能设备进行监测。其中，智能小区监测系统主要由嵌入式控制单元、智能设备、以太网、网关、防火墙、Internet等组成(图1)。在数据采集中，嵌入式控制单元负责数据采集、数据转化、数据缓冲和数据通信；为了提高传输的速度和效率，选择合适的通信协议；最后将数据传送到Internet上供监视人员远程控制，若有紧急事件发生，则可以在最短时间内得到解决。

图1 智能小区监测系统结构

1.1 嵌入式网络接口设计

通过为现有嵌入式系统增加因特网接入能力来扩展其功能，发展起来了一项新兴技术，即非PC网络接入，一般指智能设备通过嵌入式模块而非PC系统直接接入到网络，以网络为介质来实现信息交互的过程。为了适应嵌入式分布处理结构和实际上的应用需求，嵌入式系统必须配有一种特定的网络接口，这种接口能使嵌入式微控制器不仅可以实现传统的控制功能，还可以实现与接入因特网相关的功能。嵌入式网络系统硬件主要由单片机和以太网接口芯片组成。本例中，MCU单元以C8051FO2O单片机为核心进行数据采集、处理和通信。以太网接口芯片主要采用CP2200，它集成了IEEE802.3以太网媒体访问控制器和10Base-Y物理层，具有的8位并行总线接口，同时可以使用复位和非复位方式寻址，CP2200被使能时，自适应功能会自动协商数据连接的速度和双工方式。硬件设计简图见图2。

图2 嵌入式网络接口的硬件设计简图

1.2 嵌入式控制单元设计

智能小区监测系统的基础部件是嵌入式控制单元，主要由A/D 转换器、微控制单元(MCU)和网络接口组成(图3)。其中，A/D转换器的功能是将智能设备采集到的模糊信号转换成数字信号，以便于监测和控制，然后将数字信号再通过通信协议(TCP/IP)进行长距离传输，以保证用户远程监测系统获得的是可靠信号，它主要的功能是进行数据处理、转换和传输，保证了数据的可靠性传输。MCU可以实现人工智能的功能。

图3 嵌入式控制单元的组成

2 嵌入式网络协议

嵌入式网络协议是以满足嵌入式系统的实际需求为目的，通过对庞大、功能齐全的TCP/IP协议进行一定取舍，从而制定一套适用于嵌入式系统的并且能完成相应网络功能的协议，即为嵌入式TCP/IP协议[2]。考虑到嵌入式系统应用中硬件的多样性和复杂性，完成的特定功能也各不相同，则软件的设计必须在保证满足特定功能的前提下，对代码进行精简，因此，选择TCP/IP作为嵌入式网络的通信协议，根据实际功能的需要，必须对TCP/IP协议簇进行必要的删减，即实现一个精简的TCP/IP协议簇，精简的TCP/IP的层次结构[3]见图4。

图4 精简的TCP/IP的层次结构图

网络协议主要可划分为ARP模块、ICMP模块、IP模块、TCP模块。

ARP协议：该协议完成的主要功能是完成目的IP地址和MAC地址的映射。由于以太网上数据报的传输是采用网络的MAC地址来进行识别的，这就需要通过ARP实现IP地址到MAC地址的转换，同时也实现ARP报文的发送、接收、解析和管理ARP缓存表。

ICMP协议：该协议是IP层的一个重要组成部分，它的作用是报告处理一个IP数据过程中的错误，并提供管理和状态信息，主要实现目的不可达差错报文和ping查询。

IP协议：IP协议提供的是不可靠、无连接的数据分组传送服务，是TCP/IP的核心协议之一，它主要负责将数据传输到正确的接收方，所有的TCP、UDP、ICMP数据都以IP数据包的格式传输，该协议主要实现IP数据包的发送和接收。

TCP协议：TCP是一种面向连接的、可靠的通信协议。在进行实际数据传输前，会在信源端与信宿端之间建立一条连接，连接建立成功发送数据，连接建立不成功不发送数据，而且，传输每一个报文都需要接收端的确认，未确认的报文则认为是出错报文，通过确认应答机制确保了数据的可靠性传输。

3 RED算法

将智能设备获得的数据传送给控制服务器的过程中，难免会发生数据拥塞的问题，在嵌入式通信中，主要采用RED(Random Early Detection，随机早期检测)算法解决网络拥塞。RED算法[4-6]的基本思想是:在拥塞发生的早期,对到达分组按某个概率进行丢弃，以避免拥塞的发生。算法的基本思想见图5。

图5 RED算法的Pb函数图

图5显示了Pb与Vi之间的关系，其中，Pb表示临时丢包率，Vi表示分组平均队列长度，Pmax、Tmin、Tmax分别为最大临时丢包率、最小缓冲阈值门限、最大缓冲阈值门限。

1)分组到来时，首先计算平均队列长度Vi。

2)随机丢包率的计算。

a)当Vi>Tmax时，所有到达的数据包都被丢弃；

b)当Vi

c)当Tmin

数据包被丢弃的概率

其中，β表示网络通信发生拥塞丢包后达到的数据包的个数，从式中可得出P与Pb成正比关系，则在某种意义上，信息传送中丢包率的控制可看作是对临时丢包率的控制。由图5可知，当 Tmin

4 结论

基于嵌入式网络的智能小区监测系统，因其传输途径的高效性、方便远程集中管理等特点，有效地将系统、服务、管理融为一体，为小区用户提供了安全、便利的居住环境。与普通小区相比，智能小区将居住环境转变为具有能动智慧的工具，帮助家庭与外界保持信息交流畅通，同时又优化了人们的生活方式，增强用户居住环境的安全性。本文虽然完善了特定的网络协议，解决了网络通信过程中数据拥塞的问题，但是，智能小区的监测系统中的资源优化和实时性能优化的问题有待解决。

[1] 付 宏.嵌入式Internet应用研究[J].计算机工程与应用,2003(30):9.

[2] 赵 海.嵌入式Internet-21世纪的一场信息技术革命[M].北京:清华大学出版社,2001:23-25.

[3] 王俊波,周国祥,吴从中.嵌入式网络体系结构研究及网络接口实现[J].计算机应用研究. 2004(07):206-207.

[4] 黄迎春,李向丽,邱保志.一种改进的RED算法[J].计算机工程,2007,33(01):117-118.

[5] 封 宁,白光伟.RED算法的数学模型研究[J].计算机工程与设计,2008,5(12):2 179-2 180.

[6] Yunqiu Li, Shuang Hua Yang. Networking, sensing and Control[J].IEEE International Conference on, 2008:1 413-1 418.

[责任编校： 张岩芳]

On the Intelligent Community Monitoring System Based on the Embedded Network

FAN Tao1, ZHANG Zipeng1, WANG Shuqing2

(1SchoolofComputerSci.,HubeiUniv.ofTech.,Wuhan430068,China;2SchoolofElectrical&ElectronicEngin.,HubeiUniv.ofTech.,Wuhan430068,China)

This paper proposed a secure, reliable, intelligent community monitoring system based on embedded network. At the same time, it proposed an access method based on the embedded network interconnect technology and designed the interface of embedded network. For the practical application, the standard TCP/IP protocol has been streamlined, thus improving the embedded network protocol. In order to solve the data congestion problem during transmission, through the optimization of the RED algorithm, the method increased greatly the efficiency and accuracy of data transmission, improving the performance of the intelligence community monitoring system.

intelligent Community; network interface; network protocols; RED algorithm

2014-09-28

范 涛(1988-)， 男， 湖北荆州人，湖北工业大学硕士研究生，研究方向为计算机应用技术

1003-4684(2015)01-0029-03

TP399.021

A