通用可靠的串口／以太网网关设计

摘要：介绍了一种串口／以太网嵌入式网关的设计方案，详细讨论了串口可靠通信的实现方法，并在开源操作系统RTThread和微处理器S3C2 440开发板的软硬件平台上实现。网关实际应用于一个无线传感器网络项目，实验表明该网关能实现可靠的数据通信。
关键词：串口／以太网网关；可靠串口通信；RT-Thread；S3C2440

引言
随着物联网的蓬勃发展，越来越多的传统本地设备或网络有接入计算机网络的需求，而这些传统没备一般都是不具备网络接口的非IP设备。最常用的通信接口是串口，不能直接接入计算机网络，在不改变这些原有设备的基础上，使用串口／以太网网关来接入计算机网络的方式不失为一种比较好的解决方案。

基于此需求，设计和实现了串口／以太网网关，网络结构如图1所示。实现了非IP设备与IP设备间的数据通信，并特别考虑了串口通信的可靠性，从软件和硬件两方面详细讨论了保证串口通信可靠性的方法。IP端通信的可靠性由TCP／IP协议保证，这样就保证了串口设备与IP设备间通信的可靠性。

1 网关工作原理
1．1 概 述
网关实现串口设备和以太网之间的协议转换，具体表现为帧格式的转换，可表示为：
Socket帧←→净荷数据←→串口帧
其中Socket(套接字)帧和串口帧郜是为实现网关可靠通信而自定义格式的帧，净荷数据为真正需要传送的应用数据。
网关的数据通信可分为两部分：网络端和串口端，要保证整个网关通信的可靠性，那么就要分别保证网络端和串口端通信的可靠性。
在网络端，网关使用了流式套接字。流式套接字使用TCP协议，而TCP协议是面向连接的，保证了数据传输的正确性和顺序性。所以，流式的套接字可以提供可靠的、面向连接的通信流。但是，流式数据对应用来说不易使用，所以Socket数据传送都是基于帧格式的。
在串口端，串口数据传送本质上也是字节流式的，在硬件层次是不可靠的，而且不能保证数据的完整性，需要在软件上有一些其他机制来保证可靠性。所以，网关串口的数据传送同样基于帧格式，并且使用了接收确认、超时重发、差错校验等机制来保证可靠性。

图2为网关工作时的数据流示意图。图中3个带箭头的椭圆表示3个线程，图中未画出建立Socket连接、串口初始化和线程启动等过程。