引言

物联网应用中，网络通信是必不可少的。任何本地数据，存放在本地而不接入互联网中进行数据处理与分析，则本地数据将失去意义。然而，多数的DTU（Data Transfer Unit,数据传输单元）没有3G通信功能，只能通过RJ45网口进行数据传输。此外，也很少有考虑到预留USB接口，以完成特定需求下的扩展，如U盘存储功能、WIFI无线网卡和视频接口等。故在3G网络和以太网非常普及的今天，研究新型DTU有着非常重要的意义。

1 系统框图

1.1 应用框图

DTU应用框架图如图1所示，DTU与节点C通过有线低速的方式通信，最终由DTU汇总数据，向业务平台服务器发送。节点C上传的数据称为业务数据，DTU只负责传输，不做任何处理；而发往监控中心的数据称为控制数据，主要报告自身的运行状态，与此同时，控制中心也可以对DTU下控制指令，让它执行如下线、重新登录和重启DTU等命令，达到监控的效果。

图1 DTU应用框架图

1.2 DTU结构图

DTU结构图如图2所示，本次设计采用Atmel公司的AT91SAM9260，该处理器是ARM926EJS内核的工业级微处理器[1],有大量丰富的外设接口，是一款经典的ARM9处理器，能够满足DTU的处理需求。尤其重要的是，它支持Linux操作系统,为整套DTU的稳定性提供了保障，提高了开发的便捷性。

图2 DTU结构图

串口数据接口为工业中常用的RS232与RS485接口，是业务数据的来源。而网络接口则是常用RJ45接口和3G网络接口，3G网络选用中国电信的EVDO网络，速度快、稳定性好，可以满足DTU不同场合的应用。为了满足扩展的需求，还预留了USB接口、话筒与听筒接口，可以一键拨打电话。

为了DTU可以更加完美地运行Linux操作系统，外接SDRAM和Flash芯片，保证足够的内存和存储空间。

2 硬件设计

图3 3G模块硬件电路图

图3为3G模块硬件连接图，本设计采用的是中兴MC8630模块，该模块支持中国电信的EVDO网络。

UIM_CLK、UIM_DATA和UIM_RST分别与UIM卡的对应引脚连接。本电路采取灵活方式控制模块的开关，R1为0 Ω电阻，如果不焊接该电阻，在关闭状态下向ON/OFF引脚输出一个持续1.5~2 s 的低电平脉冲,即可开启模块。如果在运行状态下收到这样的脉冲，则模块关闭；如果接上R1，模块则会自动开启，即使通过ON/OFF引脚关机，关机之后模块仍然会自动开启[2]。大多数情况下，DTU运作的时候，模块都需要运作，故实际应用中焊接上R1。

MC8630与芯片采用USB通信方式，以保证3G网络速度不受限制，故模块的USB_D和USB_D+引脚连接AT91SAM9260的USB+和USB-，为了保证USB的正常工作，需在VBUS引脚加上5 V的电压。

为了与外界更好地交互，MC8630模块留出一个控制LED的引脚——SIG_LED，当模块上电正常工作之后，该引脚会在3 s左右翻转一次电平，配合LED的电路实现闪烁；而当模块拨号上网发送数据的时候，翻转频率会变为1 s，所以LED是非常好的交互接口。为了保护该引脚，使用NPN型三极管来辅助驱动LED，防止LED灯电流过大损伤模块。

3 软件设计

3.1 M2M协议介绍

M2M（MachinetoMachine/Man）是一种以机器智能交互为核心的、网络化的行业应用与服务。它通过在机器内部嵌入通信模块，以网络通信为接入手段，为客户提供综合的信息化解决方案，从而满足客户多方面的信息化需求[3]。

中国电信的MDMP(M2M协议)是一个非常庞大而且复杂的协议，它的主要特点如下：

① 终端号与IMSI号唯一绑定：每个终端通过唯一的M2M卡登陆M2M控制平台。

② 心跳机制：周期性地向平台发送心跳消息，告知平台终端的连接状态。

3.2 系统程序

由于AT91SAM9260可以完美支持Linux操作系统，故为了DTU更加稳定运行，也为了降低开发系统难度，增加调试的便捷性，DTU运行内核版本为2.6的Linux操作系统，2.6内核的Linux系统经过长时间的应用，其稳定性得到了公众的认可。

系统程序框图如图4所示。DTU系统程序分为4大部分：协议相关部分（M2M协议）、协议无关部分（操作系统相关操作）、公共操作和协议无关部分调用接口。为了使得M2M协议可以在不同的操作系统中使用，因此将应用程序分为两部分主体：协议相关部分与协议无关部分。两者完全通过消息队列交互，只有非常少的交集，因此程序高内聚，低耦合。

图4 系统程序框图

操作系统相关操作主要包括MC8630模块的操作、RS232和RS485的串口操作，不管是从MC8630传入的网络数据还是从串口进入的业务数据，都通过MDMP消息队列传递给M2M协议，一切解析过程都交给M2M协议。M2M协议解析完之后，若想控制MC8630模块，则将消息传给CDMA消息队列；若想控制RS232和RS485相关串口，则将消息传递LOCAL消息队列。各部分收到消息之后，根据分析结果，执行动作。

如果所有的操作都通过消息队列，那么程序的灵活性会大大降低，所以对于一些简单的操作，则根据需求提供少量的接口，以供协议相关部分直接调用，提高执行效率。

4 测试

中国电信M2M平台最新网址为http://58.215.16.142:88/m2m_ec，其M2M协议的服务端口为15695，使用UDP协议通信。

M2M平台的最大特点是“机卡绑定”机制，现有测试卡的IMSI号为460030741010145，登陆M2M平台后查得其所对应的终端序列号为00EE0000000100000009，故手动修改DTU终端号，使得可以登录此平台。

如图5所示，终端登陆成功，则可以通过此平台页面，看到终端的其他信息，同时通过其他控件按钮，可以执行控制DTU的指令。

图5 终端登陆成功界面

结语

新型DTU不仅可以通过RJ45网口传送数据，也可以通过3G网络与网络交互。此外，它的USB接口有相当灵活的扩展性，整套系统稳定、实用、在未来，相信会有更广泛的应用和更好的改进。