网络通信中嵌入式TCP/IP协议单片机技术运用分析

包虹璐

(1.江苏省联合职业技术学院南通分院; 2.江苏省南通中等职业学校江苏南通 226000)

随着互联网技术的广泛普及，在当前网络信息通信中应用到TCP/IP 协议模式下的嵌入式单片机技术。这一技术的应用，显著提升了我国的网络通信技术水平，对于实现智能化、自动化的高速共享信息通信效果具有积极促进作用。而为了在使用嵌入式TCP/IP 协议单片机技术的过程当中能够充分展现出该技术的核心优势，需要进一步深入研究其中涉及的设计与应用等综合内容，以此促进我国通信领域与互联网的快速融合。

1 嵌入式TCP/IP协议单片机技术概述

1.1 嵌入式协议概念

作为一种典型的将信息交互作为目的，在互联网Internet中嵌入模块形式的电子设备，从而生成的全新网络通信技术就是嵌入式的界定。而建立在嵌入式的信息通信系统上，达成各个子系统之间的相互连接效果，便于共享信息，并实现基于同步状态的信息控制，完成高速通信状态下的信息交互需求。近年来，在广泛应用互联网的背景下，为满足高速且海量的信息交互需求，嵌入式的Internet网络应用逐渐呈现出扩大范围的趋势，并且在更加先进的技术支撑下打造了高水平的应用效果[1]。

在实际应用嵌入式网络通信协议的过程当中，要求达成硬件协调软件共同应用的效果，进而确保以强大的系统支撑人们的信息交互需求。但是基于实际来讲，想要实现真正意义上的网络化通信，除了依靠原有的互联网系统硬件与软件，还需要在其中充分结合TCP/IP 的嵌入式协议同步运行，并借助于网络接口控制器连接Internet。相较于一般的PC 系统，嵌入式的系统在应用中最为显著的差异就在于不同的运行方式。嵌入式的协议更加能够适应网络通信协议的需求。对比传统通信协议，嵌入式协议展现出了更加强大的通信时效性表现，并且能够达到更加安全可靠的应用效果。

基于嵌入式网络通信协议的优势特征，其在众多特殊的领域当中都能够实现更加良好的应用。并且在应用中更是展现出强大的灵活性与可裁剪性，进而充分适应多种不同状态下的通信协议效果。一般情况下，TCP/IP协议处于完整状态下的规模相对较大，使用时需要相应的精简化处理，因此促使嵌入式协议拥有了多样化的特征。

1.2 单片机嵌入式TCP/IP协议

单片机是单片微型计算机的简称，并且在通信专业技术领域当中，将单片机叫作MCU为控制单元。了解单片机的运行原理，需要基于其性能表现进行研究，具体来讲，单片机的结构相对较为简单，能够达到较高的数据处理效果，且展现出较强的功能性。当前阶段在工业制造、日常生活等众多领域当中已经逐步可见单片机的使用性能[2]。例如：在生活中的全自动洗衣机以及公交IC卡等设计中均是由单片机的技术构成的，基于此不难看出在实际当中单片机的应用优势。基于嵌入式的TCP/IP协议单片机技术最为主要的作用在于能够形成更加简便的数据传递与沟通端口，在单片机的结构体系中进行拆解，则可以分为4个部分，包括传输层、应用层、网络层以及网络接口层。

对应每一层的功能均有所不同。其中，传输层的主要作用在于获取数据信息并将其向应用层中进行传递。应用层接收到来自传输层中的FTP、HTTP、Telnet等不同类型的数据之后，对各种不同的数据进行解释，并将解释结果向网络层中传递。随后网络层在获取到这样的经过解释的数据结果之后，将其上传到基于TCP/IP协议中的任意计算机系统当中。最后网络接口层也是链路层，其主要是负责完成IP数据包的接收与传输。

基于嵌入式的TCP/IP协议栈之所以能够应用在单片机结构上，主要的原因就是在于能够促使网络系统的硬件以及软件之间形成基于嵌入式的结构效果，进而基于整体角度优化了系统性能。这样的结果就意味着单片机在通信协议中的应用获得了更为适宜的运行环境，这就促使基于嵌入式的单片机TCP/IP协议在网络通信应用中展现出更加卓越的智能化应用表现。

2 嵌入式TCP/IP协议单片机系统结构

2.1 硬件结构

基于嵌入式的TCP/IP 协议单片机技术中，主要包括了基础的硬件构成，也就是单片机的选择，以及系统软件，通过程序编码，从而完成完整的嵌入式TCP/IP协议单片机技术创建。因此其中的硬件结构，单片机的选择至关重要。

基于实际而言，由于单片机是基于TCP/IP 网络通信协议系统当中最为关键的核心部分，并且需要借助于RTL8019AS 以太网控制芯片从而实现远程通信功能。因此，在实际当中，需要综合TCP/IP 协议的实际应用需求及其基础特征表现等，考虑到协议组内较大的容量与高速度的网络通信系统运行表现，从而综合界定单片机的性能是否能够满足以上要求，最终选择最为适宜的单片机结构[3]。

根据常规状态下的网络通信协议需求，则单片机硬件结构建议选择X5045。这是由于该类型的单片机在应用过程中能够展现出外部扩展功能的最大化表现，满足理想运行状态需求。并且在实际当中，X5045单片机具有更加卓越的信息配置功能以及对IP地址的高效率储存优势。除此之外，在使用X5045单片机的过程当中，能够实时动态监控网络通信系统的运行电压。

系统硬件结构如图1所示。

图1 系统硬件结构示意图

基于在图1 中的相关内容不难发现，在设计嵌入式的TCP/IP 协议单片机结构时，其中负责连接的单片机端口本身具有一定的物理介质作用。基于物理媒介状态下的传递通道，促使单片机能够轻松实现嵌入式的功能需求。并且在基于整体性的硬件结构实施设计的过程当中，可能会形成基于众多不同类型的单片机硬件结构组合形成的应用效果。因此，在对嵌入式的TCP/IP 协议单片机硬件结构进行设计的过程中，要求相关设计人员考虑到实际性能表现，从而科学合理地设计硬件系统，确保最终的单片机硬件结构系统展现出更加卓越的实用性与功能性表现。进而以强有力的硬件结构系统满足软件的运营支撑需求，创建更加稳健的运行环境。

2.2 软件结构

当应用嵌入式的TCP/IP 协议单片机技术时，完成硬件结构的设计之后，需要及时展开相对应的软件设置，从而确保基于整体性的角度上实现软件与硬件结构的良好融合配套应用效果。通过更加合理的软件设计满足系统协议的科学性运行需求。在设计网卡控制器驱动程序时，分析TCP/IP 协议的应用需求，确保最终能够形成更为合理的设定效果。基于实际的网络通信协议系统应用而言，其中作为最为典型的上层协议，TCP/IP 协议除了具有较高的执行性之外，其本身却也存在着较强的独立性运行表现。因此，在设计TCP/IP协议的编程代码时，除了促使其获取到相应的价值功能表现之外，同时也需要加以赋能，保障TCP/IP 协议在实际应用中充分展现出功能性表现。

由于TCP/IP 协议的特殊独立性，因此在设计时可以忽略有关关联性的设计需求，仅仅是需要达到一定程度的相互联通效果即可。基于这样的状态，则在实际当中能够形成更加良好的应用表现。满足功能设计需求，要求为TCP/IP 协议的软件系统设定更多不同的功能模块。基于功能属性进行划分，展开详细且严密的设计优化，促使每一对应的模块都能够获取到相对应的功能属性。

在应用系统软件之前，首先需要实施初始化处理，包括促使ARP 表、PING 表以及TCP 运行等，形成处置初始化处理之后，形成更加良好的运行结构。随后则需要再次进入网络通信的主程序当中，通过完成TCP定时保活并更新ARP表等处理，则可以正式促使其投入应用当中[4]。

3 系统运作流程

基于嵌入式的TCP/IP 协议单片机系统运行的具体流程包括初始化、数据采集、网络连接、TCP/IP链接、打包数据、服务器接收、服务器应答等众多不同的模块，从而通过以上众多模块启动运行之后，则能够实现对数据信息的传递处理。单片机的主要作用则是在于对数据的解包与打包处理，从RJ45中获取到相应的数据之后，则由单片机对该数据实施全面的分析处理。若所传递的数据其属于物理地址解析状态下的数据包，则相应地由程序向ARP处理程度进行转移。若对数据进行检测，发现其属于IP 地址状态下的数据包，则相应的是经过UDR协议传输而来，处于正确的端口状态，则可以认定为当前为正确数据报，完成数据解包之后，利用串口将数据输出。相反，若从串口中获取到相应数据，需要根据UDP 协议模式对数据进行打包，随后将其向CS8900进行传递，最终完成向局域网终端的传递输出。

基于实际当中的单片机应用系统的运行工作，首先，则是需要促使系统结构整体完成初始化处理，将所有程序与功能等重置，避免其中存在任何数据残留影响数据采集与传输的精准性。其次，数据采集模块则可以开始数据采集工作，基于系统指令执行相应的数据采集任务，并将采集之后的数据进行集中的整合之后，向MCU 进行发送。在这一过程当中，则需要相应的检查ESP8266 是否能够正常连接网络。若当前ESP8266 处于尚未连接网络的状态，则需要及时对其进行处理，通过无线Wi-Fi下的AT指令促使其与网络相互连接[5]。

另外，需要开展查询工作，通过这一环节确保信息采集模块能够与后台之间形成基于TCP/IP协议的通信连接状态。若检查到并未连接后台服务器，则需要及时地通过无线Wi-Fi下的AT指令完成连接处理。当确认连接良好后，通过MCU串口将与该数据同等长度的相关数据信息发送出去。经过以上各个流程处理之后，则促使MCU重新返回到服务器状态，进而开展下一环节的流程操作。

4 嵌入式TCP/IP协议单片机协议栈设计

4.1 ARP协议

在嵌入式的TCP/IP协议单片机协议栈中存在着众多不同的协议模块，这些协议模块是支撑单片机系统整体运作的核心技术。其中对于ARP协议而言，主要是接收与返回网络层中的数据，通过这一过程构成了对应的协议功能。与此同时也需要向主机传递中多含有目标IP地址的数据信息等众多内容。但是在ARP协议获取到返回信息之后，需要在本机当中储存该IP地址，并将其对应的物理地址保存下来。尽管在这一过程当中对应单片机储存系统以缓存方式完成相关地址的储存，但是仍旧需要在系统当中占用较长的储存时间。与此同时，由于嵌入式的单片机系统在制定远程操作任务的过程中处于被动状态，为了保障数据能够更加快速且及时地进行传递，则需要通过相应的网络接口说明，促使系统整体在实际当中的应用能够充分展现出更加卓越的应用表现。

在充分应用通信协议地址的过程中，需要关注到以下几方面的内容。首先，在实际当中则是考虑到系统的运行阶段问题，若在实际当中处于初始化阶段中，则需要对初始化的进度进行分析，并根据其相应的进程时间，发送ARP 协议请求，若在运营中出现与要求不相符的地址协议，则需要相应做出取舍，避免留存过多地址协议占用储存空间，确保系统传递的数据信息始终处于有效状态。其次，若存在着一定的必要性，需要及时针对处IP 地址之外所有涉及的数据信息等众多内容进行解析，便于对数据信息中的价值进行深度挖掘，才能够高效利用数据信息打造基于完整状态下的信息内容。

4.2 IP协议

在嵌入式的单片机协议栈中，通过设计IP 协议，则能够在网络主机当中通过多种不同的方式完成数据包的传递处理[6]。基于这样的运行模式表现，发现从某种角度上而言，IP 协议在实际当中的运行效果与路由器之间形成了微妙的较高相似度表现。并且在实际当中的IP协议能够满足数据重组需求，根据数据的既定效果进行重新优化设计，但是在实际操作过程中无须对其进行连接操作，进而则将会则导致其在实际当中的应用面临着一定的安全性问题，可能会促使数据丢失。

5 嵌入式TCP/IP协议单片机技术应用实例

对于单片机技术，采用嵌入式的TCP/IP 协议形式，值得深入研究，这样才能在网络通信展现出作用，本文分析的是智能形式的呼吸训练器，借助这个案例去验证协议价值。在本案例中，主控单元主要为MCU形式，可以对呼吸训练过程形成的数据进行获取，利用后台服务器构建连接形式，对系统库中的数据进行分析。

5.1 创建TCP/IP连接

应用客户端期间，执行数据发送功能之前，需要预先进行准备工作，搭建TCP/IP 的连接形式。建立本连接环节，为了在远距离制约服务器，需要借助MCU 的功能来操控，关于详细的操作流程：（1）对socket 进行创建，创建数量为1；（2）了解连接中的服务器，明确其具体的IP 地址，掌握端口具备的属性，展开合理化设置；（3）明确服务器的位置，选取并利用connect的函数形式，展开远距离连接处理，对目标数据进行接收，同时也可以完成发送过程。另外，对于服务器来讲，也需要构建协议的TCP/IP 形式，应该遵循规范的处理过程：（1）对socket进行创建，创建数量为1；（2）运用函数的bind形式，无论是对于IP地址，还是对于端口信息，都要完成绑定处理；（3）在系统中启动监视收听功能；（4）当遇到客户端发送来的数据时，需要进行对应的接收、发送处理。在案例服务设备中，运用了特定框架，主要为EasySwoole 形式，此功能服务器会提供对应的功能，对main Server Create 形式的事件比较敏感，实行回调注册处理，同时也要进行监视收听，做到系统化服务，启动TCP形式。对于工作人员，可以在需要的时间里进行监视收听，主要针对于客户端，在连接、断开方面控制操作，还可以保证在规范的时间段里，得到客户端传递的信息内容。

5.2 上传数据

通过对数据进行获取，处理为数据包，进行规范输送，最终到达系统的数据库中。在各个数据包中，都会涉及帧头、帧尾，需要对这两个位置进行处理，增加一个适当的标识符。从帧头位置开始，再到结尾部分，将整体字节加在一起，然后取一定的位数，为32位，从字节的角度看就是4个[7]。MCU利用AT的正确指令，保证调用处理有序进行，然后利用send的函数形式，观察整体的数据上传过程，全部数据上传完成即可。对于各个数据包，为了准确区分，需要利用到ID，此时也需要利用到服务器，它主要用于处理CRC32，检查正确程度。若是察觉到错误代码形式，需要第一时间处理，将其返回到客户端，到达客户端之后，在ID数据包的约束下，再次发送新的正确代码。

6 结语

当前，现代信息网络环境中呈现出了各种不同的网络通信技术，其中最为前沿的嵌入式TCP/IP 协议单片机技术，基于其良好的安全性与数据传输的高效性，实现了在通信领域当中的高效使用效果。随着人们对网络通信质量的要求逐渐提高，促使当前网络通信技术实现了更加广泛的创新发展，在不久的将来嵌入式的TCP/IP协议单片机技术将会实现全范围的应用，不仅能够促使通信网络水平显著提升，同时也将会极大程度地提升网络通信系统功能价值，进而创建出更加安全、高效、实用且极具经济性能的应用技术。