網絡通信嵌入式TCP/IP協議單片機技術探索

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摘要：伴隨著我國互聯網技術的不斷發展，信息共享程度也實現了同步提升。在此背景下，衍生出嵌入式TCP/IP協議單片機技術。技術誕生之初，便在網絡通信領域內顯現出快速發展的態勢。為了進一步助推嵌入式tcp/ip協議單片機技術的整體發展，針對此項技術的概念、特點及其技術原理進行了闡述，針對其技術設計及協議構成進行了全面系統的研究，結合一款智能呼吸訓練器作為應用實例，對此項技術具體應用進行了論證分析。

關鍵詞：嵌入式TCP/IP協議；單片機技術；網絡通信；應用策略

伴隨著互聯網技術的大力助推，實現了嵌入式TCP/IP協議單片機技術與網絡通信領域的相互融合，極大地提升了我國網絡通信技術的智能化、自動化以及信息化水平。為了能夠更大限度發揮出嵌入式TCP/IP協議單片機技術的核心優勢，現針對其技術設計與技術應用進行系統深入的探究，以此來推動我國通信事業及相關技術領域的蓬勃發展。

1嵌入式TCP/IP協議單片機技術概述

1.1嵌入式協議的概念及特點

嵌入式是以信息交互為目的，將電子設備以模塊方式嵌入到Internet中的一種技術。通過嵌入式系統之間的相互連接，便可以同步實現信息交互共享、狀態控制以及信息通信。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，主要通過相關計算機硬件及軟件的聯合運用，滿足人們的信息通信需求。但是，要想實現網絡化通信，還需要在原有硬件和軟件的基礎上，運行嵌入式TCP/IP協議，再通過網絡接口控制器實現Internet連接。嵌入式系統與PC機之間的差異之處主要體現在二者的運行方式上，而且嵌入式協議可以充分滿足系統運行需求。與傳統協議相比，嵌入式協議具有更強的實效性與可靠性。嵌入式協議可以廣泛適用于多種特殊領域，并且在實際應用的過程中呈現出較強的可裁剪性與靈活性。通常情況下，一個完整的TCP/IP協議具有較大規模，所以在使用之前，需要依據實際需求對其進行精簡，而嵌入式協議了因此呈現出更強的多樣化特點[1]。

1.2單片機嵌入式TCP/IP協議技術

單片機的全稱是單片微型計算機，在專業技術領域內，還將其稱作為MCU微控制單元。從單片機的性能上看，具有結構簡單、數據處理效率高、功能性強等特點。目前，單片機已經在工業制造、日常生活等眾多領域內得到了廣泛應用。比如公交IC卡、全自動洗衣機等，其主要功能的發揮就是得益于單片機技術的運用。單片機嵌入式TCP/IP協議技術的主要功能是實現數據傳輸，在其結構體系中，主要包含應用層、傳輸層、網絡層和網絡接口層這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據進行解釋，比較常見的類型包括HTTP、Telnet、FTP等；傳輸層的功能是獲取數據信息；網絡層是將信息發送到TCP/IP網絡中任意一臺計算機上；鏈路層的主要功能是接收和傳輸IP數據包。嵌入式TCP/IP協議棧之所以能夠在單片機上得以應用，主要通過系統硬件和軟件之間的嵌入式結合，從而使系統性能得到整體優化。這就意味著給單片機通信技術創造了一個極其適宜的運行環境，促進該項技術呈現出更加強大的智能化應用水平[2]。

2嵌入式TCP/IP協議單片機技術構成

2.1硬件構成

在選擇單片機時，因為單片機是通信系統的核心部分，而且遠程通信主要通過RTL8019AS以太網對芯片來實現，所以需要同時考慮TCP/IP的特點、協議組容量較大、系統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勢。不僅如此，X5045單片機還可以對系統電壓進行實時監控。圖1所示的是系統硬件結構示意圖，圖1中可以看到，在硬件設計的過程中，單片機連接端口發揮著物理介質的作用。憑借這一作用，使嵌入式系統功能得以實現。另外，在針對硬件構成進行整體設計時，必然會涉及到多款硬件設備之間的組合應用。這就需要相關設計人員從提高系統性能的角度出發，對硬件系統進行科學合理的組合設計，確保最終呈現出來的硬件系統具備極強的功能性與實用性，為軟件系統的高速運行創造一個良好環境。

2.2系統軟件

在應用單片機嵌入式TCP/IP協議技術時，需要針對系統硬件及軟件進行合理配置。同時，確保網卡控制器驅動程序設計以及TCP/IP協議設計的科學合理性。TCP/IP協議作為系統中的上層協議，本身又具備較強的獨立性。所以，在針對TCP/IP協議進行編程設計時，不僅要賦予其較強的功能價值，還要考慮如何實現其功能性。由于其存在較強的獨立性，所以在關聯性方面不必給予過多關注。在功能設計方面，需要同時針對眾多模塊展開設計，而且每一個模塊都具有各自不同的功能屬性。比如通過ARP協議，可將IP地址轉化成物理地址，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協議，可針對數據流中的錯誤進行精準診斷；通過IP模塊，可以快速找到發送信息的路徑；通過UDP模塊，實現對報文快速發送與接收；TCP需要通過通信雙方建立的數據連接，并且通過一定的順序號獲取信息。在應用系統軟件之初，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定時保活以及ARP表的更新[3]。

3應用系統工作流程

如圖2所示，應用系統需要按照下以流程進行工作：（1）當系統完成初始化之后，數據采集模塊便開始執行數據采集任務；MCU負責對采集數據接收。在此環節中，需要先查看ESP8266是否已經連接到網絡當中。如果未連接，需要使用無線WiFi的AT指令實現網絡連接；（2）查詢是否與后臺服務器建立起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串口發送與該數據長度相關的數據信息。完成上述流程之后，MCU即可根據服務器返回狀態，開展一下步操作[4]。

4單片機嵌入式TCP/IP協議棧設計

4.1ARP協議

ARP協議功能，主要通過對網絡層當中各種數據的接收與返回這一過程得以實現。與此同時，還需要將那些含有目標IP地址的消息發送到主機上。但是，當ARP協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，但在系統中存儲時間較長。另外，由于單片機嵌入系統在執行遠程控制時，具有很強的被動性。因此，系統有必要在網絡接口處做出相應的說明。通過這種方式，確保數據信息的及時有效傳遞。在運用地址協議時，還需要關注以下事項：（1）如果系統正處于初始化階段，則需要結合初始化進度，發送ARP協議請求，如果遇到不符合要求的地址協議，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，從而實現有效信息的高效利用，同時保證信息內容的完整性。

4.2IP協議

通過IP協議，數據包可以通過多種方式在所有網絡主機上進行傳輸。從這一工作方式上看，IP協議的功能與路由器之間有著較高的相似度。另外，IP協議還可以針對數據進行優化重組。但是，由于在其操作過程中不需要連接，所以數據傳輸過程中安全可靠性一般。

4.3UDP協議

UDP協議的作用是將應用程序傳遞到特定IP層。但是，由于UDP協議與IP協議一樣，不具備較強的可靠性。所以，由其傳遞的數據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協議而言，UDP協議更加簡潔，將其應用于設計文中的協議和通信中，具有較高的科學合理性。

5實例應用

為了使嵌入式TCP/IP協議單片機技術得到更加深入細致的研究，使其在網絡通信中的功能價值得到更大呈現，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生的數據進行收集，再通過串口AT指令對ESP8266模塊進行控制，從而與后臺服務器之間建立TCP/IP連接。最終將數據上傳至后臺服務器系統中，在系統數據庫中，對數據進行長期存儲，以備后續查詢、調用、開展數據分析時使用[5]。

5.1建立TCP/IP連接

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

5.2數據上傳方式

將采集到的患者呼吸數據，以數據包的形式上傳到系統數據庫中。在每一個數據包的幀頭和幀尾，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尾，所有字節累加之后，取32位，即4個字節。MCU通過AT指令，實現ESP8266的調用，再借助函數send進行數據發送，直至所有數據全部上傳完畢。針對每一個數據包，使用ID加以區分，服務器負責針對CRC32正確與否進行檢驗。如果發現錯誤代碼，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數據包重新發送正確代碼。

5.3通信協議測試

研究人員通過實驗，對數據傳輸的安全可靠性與完整性進行了測試，還針對通信協議的壓力進行了相關測試。具體的測試方法為：首先，數據完整性測試。先斷開呼吸訓練器的網絡連接，采用離線方式訓練100組，獲得相應的呼吸數據。此時，再將呼吸器與網絡相連接，MCU將未連網之前收集到的呼吸數據一次性上傳完畢。重復3次上述操作，并且對3次100組呼吸數據進行上傳，最終針對上傳數據進行核對。經核對，確認所有訓練數據均具有較高的完整性與準確性。最后，壓力測試。本次測試選用網絡調試助手做為測試工具，選用TCPClient作為協議類型。在測試中，先將后臺服務器IP地址和端口號錄入到遠程主機中，之后點擊“連接”鍵。此后，在數據發送窗口進行呼吸數據的填寫，并且在“循環周期”選項中進行勾選，將循環時間設定為10mS。設置完畢后，連續點擊5次“發送”鍵。重復上述操作步驟3次，之后針對服務器數據庫中的數據完整性與正確性進行復核，最終確認真實數據與測試工具數據相一致。通過上述兩項測試，判斷該系統具備較高的穩定性、安全可靠性，充分呈現出TCP/IP協議在網絡傳輸應用中的作用價值。

6結語

嵌入式TCP/IP協議單片機技術在通信領域內呈現出越來越高的使用率與應用效果。尤其隨著人們對于網絡通信質量、信息傳輸效率要求的不斷提升，嵌入式TCP/IP協議單片機技術必然會在不久的將來，在通信領域內實現普及應用。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新發展。同時，伴隨著我國互聯網技術的日趨成熟與完善，與之相關的各項技術水平也將實現同步提升。不僅可以滿足人們的信息共享需求，還將促進嵌入式TCP/IP協議單片機技術與通信領域的全面融合。從而推動嵌入式TCP/IP協議單片機技術會朝著更加實用、高效、安全、智能、經濟的方向邁進。

參考文獻

[1]劉敏.嵌入式TCP/IP協議單片機技術在網絡通信中的運用[J].信息記錄材料,2021,22（09）：161-162.

[2]黃丹輝.網絡通信中嵌入式TCP/IP協議單片機技術的應用研究[J].信息與電腦（理論版）,2020，32（22）：184-185.

[3]劉靚.淺談嵌入式TCP/IP協議單片機技術在網絡通信中的應用[J].計算機產品與流通,2020,（10）：74.

[4]袁勇.嵌入式TCP/IP協議單片機技術在網絡通信中的應用[J].現代信息科技，2020，4（02）：82-84.

[5]焦毅霞.嵌入式TCP/IP協議單片機技術在網絡通信中的應用研究[J].現代制造技術與裝備,2018,（07）：114-115.

[6]劉銘威,德湘軼.嵌入式TCP/IP協議單片機技術在網絡通信中的應用[J].南方農機，2018，49（11）：122.

[7]劉銘威,德湘軼.嵌入式TCP/IP協議單片機技術在網絡通信中的應用[J].南方農機，2018，49（11）：122.

[8]張楠瀾,孫歆鈺.嵌入式TCP/IP協議單片機技術在網絡通信中的應用[J].南方農機,2019,50（07）：116,123.

作者：衛肖璐 單位：西安工商學院