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摘要：伴隨著我國互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，信息共享程度也實現(xiàn)了同步提升。在此背景下，衍生出嵌入式TCP/IP協(xié)議單片機技術(shù)。技術(shù)誕生之初，便在網(wǎng)絡(luò)通信領(lǐng)域內(nèi)顯現(xiàn)出快速發(fā)展的態(tài)勢。為了進一步助推嵌入式tcp/ip協(xié)議單片機技術(shù)的整體發(fā)展，針對此項技術(shù)的概念、特點及其技術(shù)原理進行了闡述，針對其技術(shù)設(shè)計及協(xié)議構(gòu)成進行了全面系統(tǒng)的研究，結(jié)合一款智能呼吸訓練器作為應用實例，對此項技術(shù)具體應用進行了論證分析。

關(guān)鍵詞：嵌入式TCP/IP協(xié)議；單片機技術(shù)；網(wǎng)絡(luò)通信；應用策略

伴隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的大力助推，實現(xiàn)了嵌入式TCP/IP協(xié)議單片機技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)通信領(lǐng)域的相互融合，極大地提升了我國網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的智能化、自動化以及信息化水平。為了能夠更大限度發(fā)揮出嵌入式TCP/IP協(xié)議單片機技術(shù)的核心優(yōu)勢，現(xiàn)針對其技術(shù)設(shè)計與技術(shù)應用進行系統(tǒng)深入的探究，以此來推動我國通信事業(yè)及相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展。

1嵌入式TCP/IP協(xié)議單片機技術(shù)概述

1.1嵌入式協(xié)議的概念及特點

嵌入式是以信息交互為目的，將電子設(shè)備以模塊方式嵌入到Internet中的一種技術(shù)。通過嵌入式系統(tǒng)之間的相互連接，便可以同步實現(xiàn)信息交互共享、狀態(tài)控制以及信息通信。近幾年來，嵌入式Internet應用范圍越來越廣，應用水平也越來越高。在實際應用過程中，主要通過相關(guān)計算機硬件及軟件的聯(lián)合運用，滿足人們的信息通信需求。但是，要想實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化通信，還需要在原有硬件和軟件的基礎(chǔ)上，運行嵌入式TCP/IP協(xié)議，再通過網(wǎng)絡(luò)接口控制器實現(xiàn)Internet連接。嵌入式系統(tǒng)與PC機之間的差異之處主要體現(xiàn)在二者的運行方式上，而且嵌入式協(xié)議可以充分滿足系統(tǒng)運行需求。與傳統(tǒng)協(xié)議相比，嵌入式協(xié)議具有更強的實效性與可靠性。嵌入式協(xié)議可以廣泛適用于多種特殊領(lǐng)域，并且在實際應用的過程中呈現(xiàn)出較強的可裁剪性與靈活性。通常情況下，一個完整的TCP/IP協(xié)議具有較大規(guī)模，所以在使用之前，需要依據(jù)實際需求對其進行精簡，而嵌入式協(xié)議了因此呈現(xiàn)出更強的多樣化特點[1]。

1.2單片機嵌入式TCP/IP協(xié)議技術(shù)

單片機的全稱是單片微型計算機，在專業(yè)技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)，還將其稱作為MCU微控制單元。從單片機的性能上看，具有結(jié)構(gòu)簡單、數(shù)據(jù)處理效率高、功能性強等特點。目前，單片機已經(jīng)在工業(yè)制造、日常生活等眾多領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛應用。比如公交IC卡、全自動洗衣機等，其主要功能的發(fā)揮就是得益于單片機技術(shù)的運用。單片機嵌入式TCP/IP協(xié)議技術(shù)的主要功能是實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，在其結(jié)構(gòu)體系中，主要包含應用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層和網(wǎng)絡(luò)接口層這4個重要部分。每一層的功能作用為：應用層負責對接收到的數(shù)據(jù)進行解釋，比較常見的類型包括HTTP、Telnet、FTP等；傳輸層的功能是獲取數(shù)據(jù)信息；網(wǎng)絡(luò)層是將信息發(fā)送到TCP/IP網(wǎng)絡(luò)中任意一臺計算機上；鏈路層的主要功能是接收和傳輸IP數(shù)據(jù)包。嵌入式TCP/IP協(xié)議棧之所以能夠在單片機上得以應用，主要通過系統(tǒng)硬件和軟件之間的嵌入式結(jié)合，從而使系統(tǒng)性能得到整體優(yōu)化。這就意味著給單片機通信技術(shù)創(chuàng)造了一個極其適宜的運行環(huán)境，促進該項技術(shù)呈現(xiàn)出更加強大的智能化應用水平[2]。

2嵌入式TCP/IP協(xié)議單片機技術(shù)構(gòu)成

2.1硬件構(gòu)成

在選擇單片機時，因為單片機是通信系統(tǒng)的核心部分，而且遠程通信主要通過RTL8019AS以太網(wǎng)對芯片來實現(xiàn)，所以需要同時考慮TCP/IP的特點、協(xié)議組容量較大、系統(tǒng)運行速度較高等眾多因素。為了滿足使用需求，建議選擇選用X5045單片機。此類單片機在實際應用的過程中，表面出較為理想的外部擴展功能，并且在存儲IP地址以及配置信息方面也具備明顯優(yōu)勢。不僅如此，X5045單片機還可以對系統(tǒng)電壓進行實時監(jiān)控。圖1所示的是系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖，圖1中可以看到，在硬件設(shè)計的過程中，單片機連接端口發(fā)揮著物理介質(zhì)的作用。憑借這一作用，使嵌入式系統(tǒng)功能得以實現(xiàn)。另外，在針對硬件構(gòu)成進行整體設(shè)計時，必然會涉及到多款硬件設(shè)備之間的組合應用。這就需要相關(guān)設(shè)計人員從提高系統(tǒng)性能的角度出發(fā)，對硬件系統(tǒng)進行科學合理的組合設(shè)計，確保最終呈現(xiàn)出來的硬件系統(tǒng)具備極強的功能性與實用性，為軟件系統(tǒng)的高速運行創(chuàng)造一個良好環(huán)境。

2.2系統(tǒng)軟件

在應用單片機嵌入式TCP/IP協(xié)議技術(shù)時，需要針對系統(tǒng)硬件及軟件進行合理配置。同時，確保網(wǎng)卡控制器驅(qū)動程序設(shè)計以及TCP/IP協(xié)議設(shè)計的科學合理性。TCP/IP協(xié)議作為系統(tǒng)中的上層協(xié)議，本身又具備較強的獨立性。所以，在針對TCP/IP協(xié)議進行編程設(shè)計時，不僅要賦予其較強的功能價值，還要考慮如何實現(xiàn)其功能性。由于其存在較強的獨立性，所以在關(guān)聯(lián)性方面不必給予過多關(guān)注。在功能設(shè)計方面，需要同時針對眾多模塊展開設(shè)計，而且每一個模塊都具有各自不同的功能屬性。比如通過ARP協(xié)議，可將IP地址轉(zhuǎn)化成物理地址，并且針對ARP進行全方位解析與智能化管理，并且使緩存列表得到更新；通過ICMP協(xié)議，可針對數(shù)據(jù)流中的錯誤進行精準診斷；通過IP模塊，可以快速找到發(fā)送信息的路徑；通過UDP模塊，實現(xiàn)對報文快速發(fā)送與接收；TCP需要通過通信雙方建立的數(shù)據(jù)連接，并且通過一定的順序號獲取信息。在應用系統(tǒng)軟件之初，需要事先針對PING表、ARP表、初始化TCP進行初始化處理。之后，再進入主程序中完成TCP定時?；钜约癆RP表的更新[3]。

3應用系統(tǒng)工作流程

如圖2所示，應用系統(tǒng)需要按照下以流程進行工作：（1）當系統(tǒng)完成初始化之后，數(shù)據(jù)采集模塊便開始執(zhí)行數(shù)據(jù)采集任務(wù)；MCU負責對采集數(shù)據(jù)接收。在此環(huán)節(jié)中，需要先查看ESP8266是否已經(jīng)連接到網(wǎng)絡(luò)當中。如果未連接，需要使用無線WiFi的AT指令實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接；（2）查詢是否與后臺服務(wù)器建立起TCP/IP通訊連接。如果未建立，運用AT指令進行連接；（3）完成連接之后，再使用MCU串口發(fā)送與該數(shù)據(jù)長度相關(guān)的數(shù)據(jù)信息。完成上述流程之后，MCU即可根據(jù)服務(wù)器返回狀態(tài)，開展一下步操作[4]。

4單片機嵌入式TCP/IP協(xié)議棧設(shè)計

4.1ARP協(xié)議

ARP協(xié)議功能，主要通過對網(wǎng)絡(luò)層當中各種數(shù)據(jù)的接收與返回這一過程得以實現(xiàn)。與此同時，還需要將那些含有目標IP地址的消息發(fā)送到主機上。但是，當ARP協(xié)議收到返回消息以后，需要將該IP地址和物理地址存儲到本機中。雖然采用的是緩存方式，但在系統(tǒng)中存儲時間較長。另外，由于單片機嵌入系統(tǒng)在執(zhí)行遠程控制時，具有很強的被動性。因此，系統(tǒng)有必要在網(wǎng)絡(luò)接口處做出相應的說明。通過這種方式，確保數(shù)據(jù)信息的及時有效傳遞。在運用地址協(xié)議時，還需要關(guān)注以下事項：（1）如果系統(tǒng)正處于初始化階段，則需要結(jié)合初始化進度，發(fā)送ARP協(xié)議請求，如果遇到不符合要求的地址協(xié)議，又需要對其進行取舍。以此來保證信息的有效性；（2）必要時，需要對IP地址以外的信息進行解析，從而實現(xiàn)有效信息的高效利用，同時保證信息內(nèi)容的完整性。

4.2IP協(xié)議

通過IP協(xié)議，數(shù)據(jù)包可以通過多種方式在所有網(wǎng)絡(luò)主機上進行傳輸。從這一工作方式上看，IP協(xié)議的功能與路由器之間有著較高的相似度。另外，IP協(xié)議還可以針對數(shù)據(jù)進行優(yōu)化重組。但是，由于在其操作過程中不需要連接，所以數(shù)據(jù)傳輸過程中安全可靠性一般。

4.3UDP協(xié)議

UDP協(xié)議的作用是將應用程序傳遞到特定IP層。但是，由于UDP協(xié)議與IP協(xié)議一樣，不具備較強的可靠性。所以，由其傳遞的數(shù)據(jù)是否能夠真正到達目的地，存在一定的風險性。但是，相對于TCP協(xié)議而言，UDP協(xié)議更加簡潔，將其應用于設(shè)計文中的協(xié)議和通信中，具有較高的科學合理性。

5實例應用

為了使嵌入式TCP/IP協(xié)議單片機技術(shù)得到更加深入細致的研究，使其在網(wǎng)絡(luò)通信中的功能價值得到更大呈現(xiàn)，引用了一則智能呼吸訓練器案例，力爭借助此案例進行更加直觀具象的認證分析。在智能呼吸訓練器工作的過程中，MCU作為主控單元，負責對患者進行呼吸訓練時產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行收集，再通過串口AT指令對ESP8266模塊進行控制，從而與后臺服務(wù)器之間建立TCP/IP連接。最終將數(shù)據(jù)上傳至后臺服務(wù)器系統(tǒng)中，在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，對數(shù)據(jù)進行長期存儲，以備后續(xù)查詢、調(diào)用、開展數(shù)據(jù)分析時使用[5]。

5.1建立TCP/IP連接

在使用客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)之前，需要先建立起TCP/IP連接。在建立此連接時，需使用MCU對服務(wù)器進行遠程操控，具體的操作步驟為：（1）創(chuàng)建一個socket；（2）針對需要連接的服務(wù)器IP地址和端口屬性進行設(shè)置；（3）運用函數(shù)connect與服務(wù)器之間進行遠程連接，進而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送。另外，服務(wù)器也需要建立TCP/IP協(xié)議，其操作步驟為：（1）創(chuàng)建一個socket；（2）使用函數(shù)bind對IP地址和端口信息進行綁定；（3）開啟系統(tǒng)監(jiān)聽功能；（4）對客戶端發(fā)送的數(shù)據(jù)進行接收與發(fā)送。案例服務(wù)器采用的是EasySwoole框架，在此服務(wù)器所提供的APIEasySwooleEvent功能當中，可針對mainServerCreate事件進行回調(diào)注冊以及服務(wù)監(jiān)聽，并且開啟TCP服務(wù)[6]。工作人員便可以隨時監(jiān)聽客戶端的連接、斷開進行操控，還可實時接收來自于客戶端的數(shù)據(jù)信息。

5.2數(shù)據(jù)上傳方式

將采集到的患者呼吸數(shù)據(jù)，以數(shù)據(jù)包的形式上傳到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中。在每一個數(shù)據(jù)包的幀頭和幀尾，都需增加一個相應的標識符。從幀頭標識符的開始至標識符的結(jié)尾，所有字節(jié)累加之后，取32位，即4個字節(jié)。MCU通過AT指令，實現(xiàn)ESP8266的調(diào)用，再借助函數(shù)send進行數(shù)據(jù)發(fā)送，直至所有數(shù)據(jù)全部上傳完畢。針對每一個數(shù)據(jù)包，使用ID加以區(qū)分，服務(wù)器負責針對CRC32正確與否進行檢驗。如果發(fā)現(xiàn)錯誤代碼，需將其返回給客戶端，當客戶端接收到錯誤代碼之后，再按照ID數(shù)據(jù)包重新發(fā)送正確代碼。

5.3通信協(xié)議測試

研究人員通過實驗，對數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩煽啃耘c完整性進行了測試，還針對通信協(xié)議的壓力進行了相關(guān)測試。具體的測試方法為：首先，數(shù)據(jù)完整性測試。先斷開呼吸訓練器的網(wǎng)絡(luò)連接，采用離線方式訓練100組，獲得相應的呼吸數(shù)據(jù)。此時，再將呼吸器與網(wǎng)絡(luò)相連接，MCU將未連網(wǎng)之前收集到的呼吸數(shù)據(jù)一次性上傳完畢。重復3次上述操作，并且對3次100組呼吸數(shù)據(jù)進行上傳，最終針對上傳數(shù)據(jù)進行核對。經(jīng)核對，確認所有訓練數(shù)據(jù)均具有較高的完整性與準確性。最后，壓力測試。本次測試選用網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手做為測試工具，選用TCPClient作為協(xié)議類型。在測試中，先將后臺服務(wù)器IP地址和端口號錄入到遠程主機中，之后點擊“連接”鍵。此后，在數(shù)據(jù)發(fā)送窗口進行呼吸數(shù)據(jù)的填寫，并且在“循環(huán)周期”選項中進行勾選，將循環(huán)時間設(shè)定為10mS。設(shè)置完畢后，連續(xù)點擊5次“發(fā)送”鍵。重復上述操作步驟3次，之后針對服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)完整性與正確性進行復核，最終確認真實數(shù)據(jù)與測試工具數(shù)據(jù)相一致。通過上述兩項測試，判斷該系統(tǒng)具備較高的穩(wěn)定性、安全可靠性，充分呈現(xiàn)出TCP/IP協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)傳輸應用中的作用價值。

6結(jié)語

嵌入式TCP/IP協(xié)議單片機技術(shù)在通信領(lǐng)域內(nèi)呈現(xiàn)出越來越高的使用率與應用效果。尤其隨著人們對于網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量、信息傳輸效率要求的不斷提升，嵌入式TCP/IP協(xié)議單片機技術(shù)必然會在不久的將來，在通信領(lǐng)域內(nèi)實現(xiàn)普及應用。屆時，不僅推進自身應用水平的大幅提升，在功能價值上還將獲得更大幅度的創(chuàng)新發(fā)展。同時，伴隨著我國互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的日趨成熟與完善，與之相關(guān)的各項技術(shù)水平也將實現(xiàn)同步提升。不僅可以滿足人們的信息共享需求，還將促進嵌入式TCP/IP協(xié)議單片機技術(shù)與通信領(lǐng)域的全面融合。從而推動嵌入式TCP/IP協(xié)議單片機技術(shù)會朝著更加實用、高效、安全、智能、經(jīng)濟的方向邁進。

參考文獻

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作者：衛(wèi)肖璐 單位：西安工商學院