CN106909206A - 一种云端穿透型串口服务器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种云端穿透型串口服务器，属于互联网技术领域。它解决了现有串口服务器不能将串口转为网口,实现远程穿透的技术问题。一种云端穿透型串口服务器，本串口服务器包括硬件部分和软件部分，其中硬件部分包括主控MCU，以及与主控MCU连接的以太网模块、WiFi模块、蓝牙模块、ZigBee模块和电源电路；软件部分包括串口服务器控制程序和通讯联网程序，以太网模块集成板载FLASH、GPIO、ADC和TCP/IP协议栈，其引出串口引脚、ADC引脚、GPIO引脚、PWM引脚、复位引脚和电源引脚，WiFi模块、蓝牙模块和ZigBee模块通过同步接收发生器USART与主控MCU相联。本发明具有能将传统串口设备快速穿透内网等优点。

Description

一种云端穿透型串口服务器
技术领域
本发明属于互联网技术领域，涉及一种云端穿透型串口服务器。
背景技术
随着网络和现代信息技术的发展，设备的联网需求逐渐明显。一些应用需要对分布于各地的设备进行远距离监控。像机房监控、自助银行系统通信、办公楼自动控制系统等应用中，本身已经有完整的网络布线，能否利用已有的网络设施实现设备的通信。面对已经有成千上万原有的串口设备已存在，对这些设备的大批量改造显然不是一蹴而就的，作为暂时的解决方案——将串口转化为网口的串口联服务器就应运而生了。
串口服务器，采用嵌入式技术，能够将RS-232/485/422串口转换成TCP/IP网络接口，实现RS-232/485/422串口与TCP/IP网络接口的数据双向透明传输。使得串口设备能够立即具备TCP/IP网络接口功能，连接网络进行数据通信，扩展串口设备的通信距离。串口服务器的应用领域很广，适用于工业控制、楼宇智能化、自助银行系统、能源控制、智慧农业大棚、水源监测等领域。
随着物联网应用的发展，具有云端透传功能的串口服务器，将成为连接硬件设备和互联网的纽带。在满足传统的数据透传的基础上，能直接在云端服务器的应用层获取数据接口，无需单独架设通信的私有服务器，将大幅度提升项目的开发效率、降低企业的技术成本和开发周期；这种支持宽泛的底层硬件通信协议、具备传感网动态节点的管理功能、以及兼容局域网和广域网互联互通的高度智能化串口服务器，将更加适用于智慧城市的各行各业。
目前，市场上的串口服务器，它们的区别主要是MCU选型和通讯方式不同。其中处理能力强的串口服务器，主要采用linux系统的ARM系列，其次是采用UCOS等系统的M3、M4系列；通信方式有RJ45型串口服务器、WiFi型串口服务器、GSM型串口服务器、GPRS型串口服务器。不同厂家生产的串口服务器，传输稳定性、通信效率和安全性各有特色。
传统串口设备的联网方式、通信流量等虽然不同，但是联网过程大体相似。利用串口服务器，实现传统串口设备的联网，需要有三个方面的准备工作。
(1)传统设备的串口调试，确保与串口服务器对接成功。
(2)配置串口服务器与应用层通信服务器的通信参数。例如，应用层通信服务器的IP、端口、心跳包、通信协议等。
(3)企业需要在内网或外网，部署专门的通信服务器，实现设备联网后的连接，负责数据的转发或存储。部署通信服务器的开发周期和技术成本，对于一般企业不可低估。
上述过程，对于设备快速联网，仍旧存在大量的开发调试工作；存在的问题很多，有时甚至影响项目的进程。
可见，现有的串口服务器存在如下缺陷：
1、传统串口服务器，在硬件层和网络层需要一个双向的配置过程，调试过程较为麻烦；
2、需要企业针对其硬件设备专门部署通信服务器，项目联网的设备不多时，增加了企业的技术成本。
发明内容
本发明的目的是针对现有的技术存在的上述问题，提供一种云端穿透型串口服务器，本发明所要解决的技术问题是如何利用穿透的方式临时将串口转化为网口。
本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种云端穿透型串口服务器，其特征在于，本串口服务器包括硬件部分和软件部分，其中硬件部分包括主控MCU，以及与主控MCU连接的以太网模块、WiFi模块、蓝牙模块、ZigBee模块和电源电路；软件部分包括串口服务器控制程序和通讯联网程序，所述以太网模块集成板载FLASH、GPIO、ADC和TCP/IP协议栈，其引出串口引脚、ADC引脚、GPIO引脚、PWM引脚、复位引脚和电源引脚，所述WiFi模块、蓝牙模块和ZigBee模块通过同步接收发生器USART与主控MCU相联。
以太网通信，目前支持RJ45和WiFi通信；其中WiFi模块采用ESP8266，该模块价格低、性能稳定、开源性高、功能强等特点，板载FLASH用于存储程序和数据。ESP8266支持2.4-GHz IEEE802.11b/g/n、支持WPA/WPA2安全加密模式、内置10位高精度ADC、内置TCP/IP协议栈、待机消耗功率小于1.0mW、工作温度范围-40～125℃。该模块共22个外接引脚，串口、ADC、GPIO、PWM、复位、电源等接口均引出开发者可供使用。
在上述的一种云端穿透型串口服务器中，所述蓝牙模块采用HC－05蓝牙模块，采用V2.0标准协议，串口模块工作电压3.3V。
工作电流:配对中30～40mA；配对完毕未通信:2～8mA、通信中:8mA；支持UART,USB,SPI,PCM,SPDIF等接口，并支持SPP蓝牙串口协议，具有成本低、体积小、功耗低、收发灵敏性高等优点。系统启动后，用户手机蓝牙与智能网关蓝牙进行配对，配对过程中HC－05蓝牙上面的红色指示灯频繁闪烁，当HC－05与手机蓝牙配对成功后一直保持待机状态，红色指示灯常亮，等待用户发送指令。
在上述的一种云端穿透型串口服务器中，所述ZigBee模块采用TI公司的CC2530芯片。串口服务器与设备的内网通信，支持串口232/485，同时兼容ZigBee通信。其中，ZigBee采用TI公司的CC2530芯片，其内部集成了8051增强型内核微控制器、性能优秀的RF射频收发器、片内可编程闪存、8KB RAM、8路12位分辨率AD、5通道DMA、电池电量及片内温度检测等强大功能的一款射频单片机。
在上述的一种云端穿透型串口服务器中，所述电源电路包括ESP8266、CC2530和和蓝牙，其中ESP8266平均工作电压3.3V、电流80mA；CC2530平均工作电压3.3V、电流50mA；蓝牙工作电流小于50mA。
根据功耗分布拓扑图如下图所示，测试得知各部分单元功耗：ESP8266平均工作电压3.3V电流80mA、CC2530平均工作电压3.3V电流50mA、蓝牙工作电流不大于50mA、透传切换部分电压5.0V电流100mA，总体合计功耗W，3.3V电压功耗W。故DC-DC部分可选择输出功率大于W的3.3V LDO电源稳压芯片，同时AC-DC部分也必须选择输出功率大于W的5V电源模块。DC-DC电路原理图如图9所示。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、开发者无需需要搭建通信服务器，就能实现内网设备的穿透。
2、无需借助各种虚拟串口软件，就能完成串口服务器的配置。
3、支持蓝牙一键配置串口服务器联网。
4、支持MQTT物联网协议，消息的订阅发布快速高效。
5、串口服务器支持底层设备的动态管理；
6、串口服务器支持底层设备的联动控制
7、采用32位ARM处理器+RTOS，具有更强大的实时处理能力；
8、低功耗设计，无需散热装置；
9、看门狗设计，稳定性高；
10、电源具有良好的过流过压、防反接保护功能。
11、云端服务器支持采集数据的图表化分析、兼容各种各种指令。
12、丰富的应用场景，可以满足工控、农林水电、能源等多种场合的设备联网需求。
附图说明
图1是本发明中云端穿透型串口服务器的应用流程图。
图2是本发明中云端穿透型串口服务器的应用场景图。
图3是本发明中云端穿透型串口服务器的系统拓扑图。
图4是本发明中出口服务器的通信原理图。
图5是本发明中串口服务器的硬件部署图。
图6是本发明中以太网模块的电路原理图。
图7是本发明中蓝牙模块的电路原理图。
图8是本发明中ZigBee模块的电路原理图。
图9是本发明中电源电路的原理图。
图10是本发明中电源稳压电路的原理图。
图11是本发明中电源切换电路的原理图。
图12是本发明中串口服务器控制程序的流程图。
图13是本发明中通讯联网程序的流程图。
图14是本发明中普通串口与ZigBee模块联网的流程图。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
“物”联网已经成为全世界企业的共识，设备的网络化、自动化，建立高品位的数据采集、生产监控、即时成本管理的联网系统，是技术发展的必然趋势。本方案在传统串口服务器的基础上，提供一种更加快捷高效的一种透传方式：用户只需在云端服务器注册用户和串口服务器的ID号，串口服务器通过路由器或者GSM网络，即可快速协助串口的硬件设备联入互联网，然后实现硬件设备的状态监测与控制，如图1所示。
方案中：在云端部署一台公有的服务器，采用REST架构、MQTT协议的代理服务器、构建MYSQL+mongodb+InfluxDB的数据库系统(主要实现信息的关联、日志管理、可视化数据管理等)；并实现用户、串口服务器的注册和绑定功能、串口服务器及节点设备的增删改查的操作功能，结构示意图如图2和图3。
其次，基于嵌入式架构的串口服务器，采用MQTT协议，在串口数据和以太网IP数据之间建立数据链路；通过对以太网控制芯片的控制读写来实现对IP数据包的接收与发送；判别串行数据流的格式，完成对串口设备的选择以及对串行数据流格式的指定；控制串口数据流与IP数据包之间的速率控制，对数据进行缓冲处理；对U6ART和以太网控制芯片的寄存器进行读写操作，并存储转发器件状态；完成16位总线数据的串并行转换；完成总线地址锁存功能；完成对各个串口以及各个存储器件的片选功能；完成对各个串口的中断口的状态判别等功能。
本发明所要解决如下技术问题：
串口数据流的互通
本案的串口服务器，采用三通式数据链路，即TCP/IP数据流、底层串口设备数据流、蓝牙模块数据流，支持相互通信，通信原理图如图4所示。
基于M4架构的运行环境
本案的串口服务器，针对目前市场应用的需求，拟采用M4架构嵌入式模块STM32系列。移植FreeRTOS系统、多任务的调度机制、E2PROM的存储模式，确保串口服务器稳定高效可靠的运行。
底层串口设备的动态管理机制
本案的串口服务器可以挂载多个设备，它们通过zigbee、红外、433、2.4GHZ的无线模块，与串口服务器建立通信。因此，对各种未知设备在线/离线的状态管理、工作状态的数据管理、以及设备间的联动管理，需要采用动态管理机制。
通信模块的重连机制
本案的串口服务器，支持外网通信(RJ45/WiFi/GSM)、内网通信(蓝牙、zigbee、红外、433、2.4GHZ)。上述通信方式，受到外部干扰或程序跑飞的情况下，串口服务器需要有一套稳定可靠的重连机制。
基于MQTT协议的通信方式
外网采用MQTT的通信协议，外网模块(RJ45/WiFi/GSM)需要移植MQTT的库文件。目前，本案中WiFi模块，采用乐鑫ESP8266，MQTT库移植和客户端的发布订阅程序，非常健壮稳定。
串口服务器的联网配置
传统串口服务器有两种方式配置联网，一种是基于模块内嵌的web服务器，开发者通过web浏览器方式登录后配置相关参数；另一种是采用APP与模块间的smartconfig技术。两种方式各有利弊，第一种方式的缺点是：开发者需要采用专门配置软件工具，串口服务器的配置和启动时间较长。第二种方式是：利用APP对模块进行smartconfig配置时，配置成功率受距离、路由器信号等多个外部条件的影响。本案拟用蓝牙方式，将串口服务器联网所需的配置信息，通过手机APP的配置界面，一次性发送给串口服务器。这样一方面提高了配置效率，降低模块对APP的粘稠度，其次，还可以通过蓝牙方式，实现串口服务器的内网交互。
基于Json格式的数据收发
JSON是一种轻量级的数据交换格式。它基于ECMAScript规范的一个子集，采用完全独立于编程语言的文本格式来存储和表示数据。简洁和清晰的层次结构使得JSON成为理想的数据交换语言。三个无线单元之间，通过串口相互通信，串口服务器为提高转发效率，实现通信三方的相互兼容，需采用统一的JSON格式，如果必要还应该增加校验机制来保证消息的正确性。
数据传输加密
AES(The Advanced Encryption Standard)是美国国家标准与技术研究所用于加密电子数据的规范。为保证串口服务器与外网通信的数据安全，需要在云端服务器和串口服务器之间，建立一种数据加密机制。
串口服务器的OTA功能
优化后的串口服务器程序，通过云端服务器，启动OTA功能，实现在线升级，提高产品服务质量和效率。该功能类似于手机操作系统在线更新，不同的是串口服务器的更新，是由云端服务器发起的通信，而手机系统由用户向服务器发起的升级。
实施方式如下：
主控MCU
串口服务器采用ST公司生产的基于高性能的ARM Cortex-M3 32位的RISC内核，工作频率为72MHz，内置高速存储器(高达128K字节的闪存和20K字节的SRAM)，丰富的增强I/O端口和联接到两条APB总线的外设。所有型号的器件都包含2个12位的ADC、3个通用16位定时器和一个PWM定时器，还包含标准和先进的通信接口：多达2个I2C和SPI、3个USART、一个USB和一个CAN。STM32F103xx增强型系列工作于-40℃至+105℃的温度范围，供电电压2.0V至3.6V，一系列的省电模式保证低功耗应用的要求。STM32是系统核心，作为整个嵌入式串口服务器的控制管理者和各模块间协调工作的调度者。硬件电路图如图5。
以太网通信
以太网通信，目前支持RJ45和WiFi通信；其中WiFi模块采用ESP8266(如图6)，该模块价格低、性能稳定、开源性高、功能强等特点，板载FLASH用于存储程序和数据。ESP8266支持2.4-GHz IEEE802.11b/g/n、支持WPA/WPA2安全加密模式、内置10位高精度ADC、内置TCP/IP协议栈、待机消耗功率小于1.0mW、工作温度范围-40～125℃。该模块共22个外接引脚，串口、ADC、GPIO、PWM、复位、电源等接口均引出开发者可供使用。
蓝牙通信模块
本智能网关采用HC－05蓝牙模块(如图7)，采用V2.0标准协议，串口模块工作电压3.3V，工作电流:配对中的电流为30～40mA；配对完毕未通信电流为2～8mA、通信中的电流为8mA；支持UART,USB,SPI,PCM,SPDIF等接口，并支持SPP蓝牙串口协议，具有成本低、体积小、功耗低、收发灵敏性高等优点。系统启动后，用户手机蓝牙与智能网关蓝牙进行配对，配对过程中HC－05蓝牙上面的红色指示灯频繁闪烁，当HC－05与手机蓝牙配对成功后一直保持待机状态，红色指示灯常亮，等待用户发送指令。
与设备的串口通信
串口服务器与设备的内网通信，支持串口232/485，同时兼容ZigBee通信。其中，ZigBee采用TI公司的CC2530芯片(如图8)，其内部集成了8051增强型内核微控制器、性能优秀的RF射频收发器、片内可编程闪存、8KB RAM、8路12位分辨率AD、5通道DMA、电池电量及片内温度检测等强大功能的一款射频单片机。
电源电路
DC-DC电路原理图如图9、图10和图11所示，根据功耗分布拓扑图如下图所示，测试得知各部分单元功耗：ESP8266平均工作电压3.3V电流80mA、CC2530平均工作电压3.3V电流50mA、蓝牙工作电流不大于50mA、透传切换部分电压5.0V电流100mA，总体合计功耗W，3.3V电压功耗W。故DC-DC部分可选择输出功率大于W的3.3V LDO电源稳压芯片，同时AC-DC部分也必须选择输出功率大于W的5V电源模块。
软件部分：
用户在云端服务器注册用户后，继续添加嵌入式串口服务器，以及内网通信的串口设备数量和类型，完成创建后，得到云端服务器分配给嵌入式串口服务器的API接口。
用户上电启动嵌入式串口服务器，内部通信子模块初始化，并向中央处理模块STM32报告初始化情况；连接服务器后，获取预先创建的底层设备列表。STM32向ZigBee协调器发送查询命令，各节点立即报告设备当前的联网状况等。
接下来，串口服务器将向云端服务器提交内网设备的当前状态。其中，蓝牙串口通信和以太网串口的两个任务一般处于阻塞态，当蓝牙模块或WiFi模块接收到数据时，对应的处理数据任务立即进入运行态，进行数据的解析转发，ZigBee协调器将指令发送到ZigBee节点，系统工作流程如图12所示。
WiFi联网程序
ESP8266模块初始化结束后，开始协助串口服务器连接本地路由器，进一步连接云端服务器。具体过程是：NONOS运行到user_init()函数开始，调用uart_init()函数将串口波特率初始化为115200；wifi_set_opmode()初始化为STATION模式；读取FLASH 0x109～0x10D扇区存储的MQTT配置相关信息后初始化MQTT。连接WiFi路由器，如果获取IP则连接MQTT服务器否则定时器定时2S重复连接路由器直至成功获取IP，接收到MQTT服务器发送的控制命令后将命令按照协议封装后通过串口发送给ZigBee协调器；
同时如果串口中断被触发，先判断数据类型，根据不同类型数据进行处理，如果是节点数据，则按照协议将数据封装后，通过串口发送给蓝牙；同时发送给MQTT服务器；如果是从蓝牙来的控制命令，则按照协议将数据封装后，通过串口发送给ZigBee协调器；如果是一键配置信息则提取信息存储到FLASH对应的扇区，然后软件重启系统。以太网工作流程如图13所示。
普通串口与ZigBee通信
串口服务器与ZigBee节点部分的设计，是在TI公司的ZStack协议栈基础上进行移植，其主要特点就是兼容性，完全支持IEEE802.15.4ZigBee的CC2530片上系统解决方案。
Z-stack配置针对的是TI官方的开发板CC2430DB、CC2430EMK等，如采用其他开发板，则需根据原理图的设计来修改hal_board_cfg.h文件配置。串口服务器与ZigBee汇聚节点连接，并配置汇聚节点为协调器Coordinator模式，其主要功能是将节点采集的数据转发给应用层，同时将应用层的命令转发给节点。在任务调度中添加串口事件和相应程序函数接口，在该函数中接收串口收到的数据并使用广播方式将数据通过ZigBee网络发送给全部终端节点；而节点采集的数据则会以ZigBee点播的方式发送给网关，在数据消息处理回调函数中接收节点点播给网关的数据消息，并通过串口发送给云端服务器。Zigbee模块工作流程如图14所示。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (4)

1.一种云端穿透型串口服务器，其特征在于，本串口服务器包括硬件部分和软件部分，其中硬件部分包括主控MCU，以及与主控MCU连接的以太网模块、WiFi模块、蓝牙模块、ZigBee模块和电源电路；软件部分包括串口服务器控制程序和通讯联网程序，所述以太网模块集成板载FLASH、GPIO、ADC和TCP/IP协议栈，其引出串口引脚、ADC引脚、GPIO引脚、PWM引脚、复位引脚和电源引脚，所述WiFi模块、蓝牙模块和ZigBee模块通过同步接收发生器USART与主控MCU相联。
2.根据权利要求1所述一种云端穿透型串口服务器，其特征在于，所述蓝牙模块采用HC－05蓝牙模块，采用V2.0标准协议，串口模块工作电压3.3V。
3.根据权利要求2所述一种云端穿透型串口服务器，其特征在于，所述ZigBee模块采用TI公司的CC2530芯片。
4.根据权利要求3所述一种云端穿透型串口服务器，其特征在于，所述电源电路包括ESP8266、CC2530和和蓝牙，其中ESP8266平均工作电压3.3V、电流80mA；CC2530平均工作电压3.3V、电流50mA；蓝牙工作电流小于50mA。
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