一种物联网网关的通信信道扩展系统的制作方法

本发明属于物联网设备技术领域，尤其是一种物联网网关的通信信道扩展系统。

背景技术：

近年来，随着物联网技术以及与物联网相关的电子标签、中间件系统、嵌入式系统和云计算技术的发展，物联网及其相关技术受到广泛地关注，各国投入大量的人力物力开展物联网及其相关技术的研究。从技术框架上，物联网可分为三层：感知层、网络层、应用层。这三层有机结合，分工合作，从而实现对信息的“全面感知、可靠传送、智能处理”。物联网网关位于感知层和网络层之间，是感知层向网络层传输数据的必经环节。现有的信息感知设备，如RFID标签、GPS定位等均通过RS232接口向网络层传输数据，而每一台信息感知设备都需要物联网网关层配置一个接口，当信息感知设备较多时，这样的配置无疑会造成网关设备复杂，增加设备成本；同时由于信息感知设备的数据采集和传输过程并非连续不断，这样的配置使得接口利用率降低，数据传输效率下降。因此，将物联网网关的通信信道扩展，有利于提高物联网的数据传输的效率，从而推动物联网技术的应用。

目前已有的物联网网关通信信道的扩展采用双四通道多路转换器4052、SPI总线的GM8142扩展器、UART多串口扩展器SP2349、SP2538、FPGA多串口扩展器，本专利申请用VK系列中VK3214串口扩展芯片并结合AVR系列单片机进行串口扩展。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种物联网网关的通信信道扩展系统，该系统能够实现接口之间的相互转换，提高接口的兼容性，而且简化了网关设备结构，降低了设备成本，有利于提高物联网的数据传输的效率，从而推动物联网技术的应用，该系统的研制可以提高物联网底层的硬件携带能力和数据传输效率，在使用物联网技术的系统中具有一定的实用价值。

本发明是采用以下技术方案来实现的：

一种物联网网关的通信信道扩展系统，所述系统包括控制器、RS232接口电路、物联网网关、RS232扩展电路和多台信息感知设备，所述物联网网关通过RS232接口电路与控制器的一端相连接设置，该控制器的另一端通过RS232扩展电路分别与多台信息感知设备相连接设置；

所述控制器为单片机Atmega128，所述RS232扩展电路为VK3214串口扩展芯片的扩展电路。

而且，所述RS232接口电路包括RS232转换TTL模块，所述RS232转换TTL模块采用MAX232芯片，所述单片机Atmega128通过RS232转换TTL模块与物联网网关进行通信连接，所述单片机Atmega128的RXD0、TXD0接口经过RS232转换TTL模块转换电平后，通过九针串口线引出接到物联网网关上。

而且，所述RS232扩展电路包括VK3214串口扩展芯片和多个RS232转换TTL模块，所述单片机Atmega128通过VK3214串口扩展芯片、RS232转换TTL模块与信息感知设备进行数据的储存和传递；

所述单片机Atmega128的RXD1、TXD1接口引出与VK3214串口扩展芯片主串口的MTX、MRX相连接设置，所述VK3214串口扩展芯片的4对RXD、TXD通过RS232转换TTL模块与信息感知设备相连接设置，RS232转换TTL模块能够转换电平。

而且，所述RS232转换TTL模块通过九针串口线引出接到信息感知设备上。

而且，所述VK3214是支持UART通信接口的4通道UART器件，用来实现UART桥接/扩展4个串口UART的功能，当VK3214的主接口为UART时，仅需要主串口MRX、MTX连接单片机的USART1，采用标准的UART协议进行通信。

而且，所述单片机Atmega128为基于AVR RISC结构的8位低功耗CMOS微处理器；在Atmega128外围控制电路中还包括拨码开关部分，在“一对四”通信协议中，每一个拨码开关对应一个信息感知设备，进行数据流的通信，其中，带有电源指示灯及数据流量指示灯可显示故障状况。

而且，所述系统的运行程序如下：

⑴初始化设置

所述单片机Atmega128给VK3214的复位管脚发送一个低电平信号，VK3214复位后根据外部晶振电路对VK3214的主串口进行进行默认的配置，由VK3214的数据手册可知，若晶振的频率为7.3728MHZ，VK3214主串口的默认波特率为19200，8位数据，1位停止位，无校验位，再通过VK3214主串口对子串口相关的寄存器进行相应的配置；

⑵上行通信

上行通信指信息感知设备产生的数据通过VK3214发送给单片机Atmega128，进而传递给物联网网关；定义四台信息感知设备分别为A、B、C、D，几台信息感知设备采用抢占的方式，通过子串口给VK3214发送数据，VK3214子串口接收到数据后产生中断，通知Atmega128读取数据；单片机Atmega128接收到中断请求信号后通过读取VK3214的中断状态寄存器确定是哪个子串口有数据，再通过读取这一子串口的FIFO状态寄存器确定子串口接收FIFO中的数据个数，然后通过读取子串口FIFO数据寄存器，从这一子串口读取相应数量的字节数据，最后利用Atmega128的USART0将数据传递给物联网网关，从而完成上行通信；

⑶下行通信

下行通信指物联网网关数据经单片机Atmega128通过VK3214发送给各台信息感知设备A、B、C、D；定义四个拨码开关分别为K1、K2、K3、K4，当K1被按下时，A接收数据，当K2被按下时，B接收数据，当K3被按下时，C接收数据，当K4被按下时，D接收数据，信息感知设备接收数据的同时有对应数据流量指示灯的闪烁；当单片机Atmega128接收来自物联网网关数据时，VK3214主串口产生中断接收数据并存放在相应子串口的发送FIFO中，通过发送FIFO将数据传递给相应的信息感知设备，下行通信结束。

本发明的优点和积极效果是：

1、本系统针对物联网技术中遇到的底层设备多而通信可能不畅的问题，本系统包括控制器、RS232接口电路、物联网网关、RS232扩展电路和多台信息感知设备，该系统以单片机Atmega128作为控制器，结合RS232接口电路及RS232扩展电路，RS232扩展电路采用VK3214串口扩展芯片的扩展电路，从而实现了物联网网关接口的扩展，使其从原先的一个接口连接一台信息感知设备，扩展为一个接口连接多台信息感知设备，同时实现接口之间的相互转换，提高接口的兼容性，而且简化了网关设备结构，降低了设备成本，有利于提高物联网的数据传输的效率，从而推动物联网技术的应用，该系统的研制可以提高物联网底层的硬件携带能力和数据传输效率，在使用物联网技术的系统中具有一定的实用价值。

2、本系统的RS232转换TTL模块经过标准转换后，能够使RS232接口电路的电压与单片机Atmega128的供电电压保持一致。

3、本系统的RS232扩展电路通过利用VK3214串口扩展芯片搭建起信息感知设备和单片机之间的桥梁，进行数据的储存和传递，将Atmega128的RXD1、TXD1接口引出与VK3214串口扩展芯片主串口的MTX、MRX相连，串口扩展芯片的4对RXD、TXD同样经过TTL和RS232转换电平后，分别用九针串口线引出接到4个信息感知设备上，即可实现串口数据的收发。

4、本系统为基于Atmega128的物联网网关通信信道扩展系统，经实际应用验证，该扩展系统设计可靠，运行稳定，满足方案要求，有利于提高物联网的数据传输效率，促进该技术的发展。

5、本系统在运行程序(软件)上，以RS232通讯协议为基础，针对物联网网关的信道扩展需求，制定“一对四”通讯协议和接口通讯模式转换程序，软硬件结合实现物联网网关的信道扩展。

附图说明

图1为本发明的系统结构连接示意图；

图2为图1中的单片机Atmega128与RS232接口电路的结构连接示意图；

图3为图1中的单片机Atmega128与RS232扩展电路的结构连接示意图；

图4为图1中的单片机Atmega128的外围控制电路图；

图5为本发明系统的上行通信程序流程图；

图6为本发明系统的中断服务子程序流程图；

图7为本发明系统的下行通信程序流程图；

图8为本发明系统的物联网网关配置和测试界面。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。需要说明的是，本实施例是描述性的，不是限定性的，不能由此限定本发明的保护范围。

一种物联网网关的通信信道扩展系统，如图1所示，所述系统包括控制器、RS232接口电路、物联网网关、RS232扩展电路和多台信息感知设备，所述物联网网关通过RS232接口电路与控制器的一端相连接设置，该控制器的另一端通过RS232扩展电路分别与多台信息感知设备相连接设置；

所述控制器为单片机Atmega128，所述RS232扩展电路为VK3214串口扩展芯片的扩展电路。

本系统包括控制器、RS232接口电路、物联网网关、RS232扩展电路和多台信息感知设备，该系统以单片机Atmega128作为控制器，结合RS232接口电路及RS232扩展电路，RS232扩展电路采用VK3214串口扩展芯片的扩展电路，从而实现了物联网网关接口的扩展，使其从原先的一个接口连接一台信息感知设备，扩展为一个接口连接多台信息感知设备，同时实现接口之间的相互转换，提高接口的兼容性，而且简化了网关设备结构，降低了设备成本，有利于提高物联网的数据传输的效率，从而推动物联网技术的应用。

在本实施例中，如图2所示，所述RS232接口电路包括RS232转换TTL模块，所述RS232转换TTL模块采用MAX232芯片，所述单片机Atmega128通过RS232转换TTL模块与物联网网关进行通信连接，所述单片机Atmega128的RXD0、TXD0接口经过RS232转换TTL模块转换电平后，通过九针串口线引出接到物联网网关上。本系统的RS232转换TTL模块经过标准转换后，能够使RS232接口电路的电压与单片机Atmega128的供电电压保持一致。

在本实施例中，如图3所示，所述RS232扩展电路包括VK3214串口扩展芯片和多个RS232转换TTL模块，所述单片机Atmega128通过VK3214串口扩展芯片、RS232转换TTL模块与信息感知设备进行数据的储存和传递；

所述单片机Atmega128的RXD1、TXD1接口引出与VK3214串口扩展芯片主串口的MTX、MRX相连接设置，所述VK3214串口扩展芯片的4对RXD、TXD通过RS232转换TTL模块与信息感知设备相连接设置，RS232转换TTL模块能够转换电平，例如，所述RS232转换TTL模块通过九针串口线引出接到信息感知设备上，即可实现串口数据的收发。

所述VK3214是支持UART通信接口的4通道UART器件，用来实现UART桥接/扩展4个串口(UART)的功能，当VK3214的主接口为UART时，仅需要主串口MRX、MTX连接单片机的USART1，采用标准的UART协议进行通信。

本系统的RS232扩展电路通过利用VK3214串口扩展芯片搭建起信息感知设备和单片机之间的桥梁，进行数据的储存和传递，将Atmega128的RXD1、TXD1接口引出与VK3214串口扩展芯片主串口的MTX、MRX相连，串口扩展芯片的4对RXD、TXD同样经过TTL和RS232转换电平后，分别用九针串口线引出接到4个信息感知设备上，即可实现串口数据的收发。

如图4所示，所述单片机Atmega128为基于AVR RISC结构的8位低功耗CMOS微处理器。在Atmega128外围控制电路中还包括拨码开关部分，在“一对四”通信协议中，每一个拨码开关对应一个信息感知设备，进行数据流的通信，其中，带有电源指示灯及数据流量指示灯可显示故障状况。

本系统的相关运行程序如下：

1、初始化设置

所述单片机Atmega128的初始化设置为：

单片机Atmega128给VK3214的复位管脚发送一个低电平信号，VK3214复位后根据外部晶振电路对VK3214的主串口进行波特率、位长度、停止位、校验位等进行默认的配置，由VK3214的数据手册可知，若晶振的频率为7.3728MHZ，VK3214主串口的默认波特率为19200，8位数据，1位停止位，无校验位，再通过VK3214主串口对子串口相关的寄存器进行相应的配置。

2、上行通信

上行通信指信息感知设备产生的数据通过VK3214发送给单片机Atmega128，进而传递给物联网网关，上行通信程序流程图如图5所示，中断服务子程序流程图如图6所示。定义四台信息感知设备分别为A、B、C、D，几台信息感知设备采用抢占的方式，通过子串口给VK3214发送数据，VK3214子串口接收到数据后产生中断，通知Atmega128读取数据。Atmega128接收到中断请求信号后通过读取VK3214的中断状态寄存器确定是哪个子串口有数据，再通过读取这一子串口的FIFO状态寄存器确定子串口接收FIFO中的数据个数，然后通过读取子串口FIFO数据寄存器，从这一子串口读取相应数量的字节数据，最后利用Atmega128的USART0将数据传递给物联网网关，从而完成上行通信。

3、下行通信

下行通信指物联网网关数据经单片机Atmega128通过VK3214发送给各台信息感知设备(A、B、C、D)，程序流程图如图7所示。定义四个拨码开关分别为K1、K2、K3、K4，当K1被按下时，A接收数据，当K2被按下时，B接收数据，当K3被按下时，C接收数据，当K4被按下时，D接收数据，信息感知设备接收数据的同时有对应数据流量指示灯的闪烁。当单片机Atmega128接收来自物联网网关数据时，VK3214主串口产生中断接收数据并存放在相应子串口的发送FIFO中，通过发送FIFO将数据传递给相应的信息感知设备，下行通信结束。

本系统在运行程序(软件)上，以RS232通讯协议为基础，针对物联网网关的信道扩展需求，制定“一对四”通讯协议和接口通讯模式转换程序，软硬件结合实现物联网网关的信道扩展。

本系统的相关实验测试结果：

在实验测试过程中发现单片机Atmega128的串口波特率要求是VK3214子串口波特率的倍数，若倍数太小会导致接收FIFO溢出，倍数过大则会导致发送FIFO溢出，发送FIFO的数据还没发出去，又送进来新的数据。为了便于测试，将每个子串口的波特率设置为4800，单片机串口的波特率即物联网网关配置和测试界面中的波特率设置为19200，测试中有四台信息感知设备，设备1，2，3，4分别为温度信息感知设备、湿度信息感知设备、RFID标签信息感知设备和GPS定位信息感知设备，均通过RS-232接口向网络层传输数据，物联网网关配置和测试界面将会显示采集的数据，如COM1:23，则表示数据23是来自设备1即温度信息感知设备，表明当前温度为23℃。物联网网关也可以通过配置和测试界面向各台设备发送数据。在接收数据和发送数据的过程中，都伴随着数据流量指示灯的闪烁。经反复测试，通信建立成功，接收数据和发送数据均为ASCLL码，接收数据和发送数据的正确率为100％。子串口的波特率可以根据实际需要由人机交互模块或程序独立设定。本发明系统的物联网网关配置和测试界面如图8所示。

本系统为基于Atmega128的物联网网关通信信道扩展系统，经实际应用验证，该扩展系统设计可靠，运行稳定，满足方案要求，有利于提高物联网的数据传输效率，促进该技术的发展。