网络通信嵌入式TCP/IP协议单片机技术探索

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摘要：伴随着我国互联网技术的不断发展，信息共享程度也实现了同步提升。在此背景下，衍生出嵌入式TCP/IP协议单片机技术。技术诞生之初，便在网络通信领域内显现出快速发展的态势。为了进一步助推嵌入式tcp/ip协议单片机技术的整体发展，针对此项技术的概念、特点及其技术原理进行了阐述，针对其技术设计及协议构成进行了全面系统的研究，结合一款智能呼吸训练器作为应用实例，对此项技术具体应用进行了论证分析。

关键词：嵌入式TCP/IP协议；单片机技术；网络通信；应用策略

伴随着互联网技术的大力助推，实现了嵌入式TCP/IP协议单片机技术与网络通信领域的相互融合，极大地提升了我国网络通信技术的智能化、自动化以及信息化水平。为了能够更大限度发挥出嵌入式TCP/IP协议单片机技术的核心优势，现针对其技术设计与技术应用进行系统深入的探究，以此来推动我国通信事业及相关技术领域的蓬勃发展。

1嵌入式TCP/IP协议单片机技术概述

1.1嵌入式协议的概念及特点

嵌入式是以信息交互为目的，将电子设备以模块方式嵌入到Internet中的一种技术。通过嵌入式系统之间的相互连接，便可以同步实现信息交互共享、状态控制以及信息通信。近几年来，嵌入式Internet应用范围越来越广，应用水平也越来越高。在实际应用过程中，主要通过相关计算机硬件及软件的联合运用，满足人们的信息通信需求。但是，要想实现网络化通信，还需要在原有硬件和软件的基础上，运行嵌入式TCP/IP协议，再通过网络接口控制器实现Internet连接。嵌入式系统与PC机之间的差异之处主要体现在二者的运行方式上，而且嵌入式协议可以充分满足系统运行需求。与传统协议相比，嵌入式协议具有更强的实效性与可靠性。嵌入式协议可以广泛适用于多种特殊领域，并且在实际应用的过程中呈现出较强的可裁剪性与灵活性。通常情况下，一个完整的TCP/IP协议具有较大规模，所以在使用之前，需要依据实际需求对其进行精简，而嵌入式协议了因此呈现出更强的多样化特点[1]。

1.2单片机嵌入式TCP/IP协议技术

单片机的全称是单片微型计算机，在专业技术领域内，还将其称作为MCU微控制单元。从单片机的性能上看，具有结构简单、数据处理效率高、功能性强等特点。目前，单片机已经在工业制造、日常生活等众多领域内得到了广泛应用。比如公交IC卡、全自动洗衣机等，其主要功能的发挥就是得益于单片机技术的运用。单片机嵌入式TCP/IP协议技术的主要功能是实现数据传输，在其结构体系中，主要包含应用层、传输层、网络层和网络接口层这4个重要部分。每一层的功能作用为：应用层负责对接收到的数据进行解释，比较常见的类型包括HTTP、Telnet、FTP等；传输层的功能是获取数据信息；网络层是将信息发送到TCP/IP网络中任意一台计算机上；链路层的主要功能是接收和传输IP数据包。嵌入式TCP/IP协议栈之所以能够在单片机上得以应用，主要通过系统硬件和软件之间的嵌入式结合，从而使系统性能得到整体优化。这就意味着给单片机通信技术创造了一个极其适宜的运行环境，促进该项技术呈现出更加强大的智能化应用水平[2]。

2嵌入式TCP/IP协议单片机技术构成

2.1硬件构成

在选择单片机时，因为单片机是通信系统的核心部分，而且远程通信主要通过RTL8019AS以太网对芯片来实现，所以需要同时考虑TCP/IP的特点、协议组容量较大、系统运行速度较高等众多因素。为了满足使用需求，建议选择选用X5045单片机。此类单片机在实际应用的过程中，表面出较为理想的外部扩展功能，并且在存储IP地址以及配置信息方面也具备明显优势。不仅如此，X5045单片机还可以对系统电压进行实时监控。图1所示的是系统硬件结构示意图，图1中可以看到，在硬件设计的过程中，单片机连接端口发挥着物理介质的作用。凭借这一作用，使嵌入式系统功能得以实现。另外，在针对硬件构成进行整体设计时，必然会涉及到多款硬件设备之间的组合应用。这就需要相关设计人员从提高系统性能的角度出发，对硬件系统进行科学合理的组合设计，确保最终呈现出来的硬件系统具备极强的功能性与实用性，为软件系统的高速运行创造一个良好环境。

2.2系统软件

在应用单片机嵌入式TCP/IP协议技术时，需要针对系统硬件及软件进行合理配置。同时，确保网卡控制器驱动程序设计以及TCP/IP协议设计的科学合理性。TCP/IP协议作为系统中的上层协议，本身又具备较强的独立性。所以，在针对TCP/IP协议进行编程设计时，不仅要赋予其较强的功能价值，还要考虑如何实现其功能性。由于其存在较强的独立性，所以在关联性方面不必给予过多关注。在功能设计方面，需要同时针对众多模块展开设计，而且每一个模块都具有各自不同的功能属性。比如通过ARP协议，可将IP地址转化成物理地址，并且针对ARP进行全方位解析与智能化管理，并且使缓存列表得到更新；通过ICMP协议，可针对数据流中的错误进行精准诊断；通过IP模块，可以快速找到发送信息的路径；通过UDP模块，实现对报文快速发送与接收；TCP需要通过通信双方建立的数据连接，并且通过一定的顺序号获取信息。在应用系统软件之初，需要事先针对PING表、ARP表、初始化TCP进行初始化处理。之后，再进入主程序中完成TCP定时保活以及ARP表的更新[3]。

3应用系统工作流程

如图2所示，应用系统需要按照下以流程进行工作：（1）当系统完成初始化之后，数据采集模块便开始执行数据采集任务；MCU负责对采集数据接收。在此环节中，需要先查看ESP8266是否已经连接到网络当中。如果未连接，需要使用无线WiFi的AT指令实现网络连接；（2）查询是否与后台服务器建立起TCP/IP通讯连接。如果未建立，运用AT指令进行连接；（3）完成连接之后，再使用MCU串口发送与该数据长度相关的数据信息。完成上述流程之后，MCU即可根据服务器返回状态，开展一下步操作[4]。

4单片机嵌入式TCP/IP协议栈设计

4.1ARP协议

ARP协议功能，主要通过对网络层当中各种数据的接收与返回这一过程得以实现。与此同时，还需要将那些含有目标IP地址的消息发送到主机上。但是，当ARP协议收到返回消息以后，需要将该IP地址和物理地址存储到本机中。虽然采用的是缓存方式，但在系统中存储时间较长。另外，由于单片机嵌入系统在执行远程控制时，具有很强的被动性。因此，系统有必要在网络接口处做出相应的说明。通过这种方式，确保数据信息的及时有效传递。在运用地址协议时，还需要关注以下事项：（1）如果系统正处于初始化阶段，则需要结合初始化进度，发送ARP协议请求，如果遇到不符合要求的地址协议，又需要对其进行取舍。以此来保证信息的有效性；（2）必要时，需要对IP地址以外的信息进行解析，从而实现有效信息的高效利用，同时保证信息内容的完整性。

4.2IP协议

通过IP协议，数据包可以通过多种方式在所有网络主机上进行传输。从这一工作方式上看，IP协议的功能与路由器之间有着较高的相似度。另外，IP协议还可以针对数据进行优化重组。但是，由于在其操作过程中不需要连接，所以数据传输过程中安全可靠性一般。

4.3UDP协议

UDP协议的作用是将应用程序传递到特定IP层。但是，由于UDP协议与IP协议一样，不具备较强的可靠性。所以，由其传递的数据是否能够真正到达目的地，存在一定的风险性。但是，相对于TCP协议而言，UDP协议更加简洁，将其应用于设计文中的协议和通信中，具有较高的科学合理性。

5实例应用

为了使嵌入式TCP/IP协议单片机技术得到更加深入细致的研究，使其在网络通信中的功能价值得到更大呈现，引用了一则智能呼吸训练器案例，力争借助此案例进行更加直观具象的认证分析。在智能呼吸训练器工作的过程中，MCU作为主控单元，负责对患者进行呼吸训练时产生的数据进行收集，再通过串口AT指令对ESP8266模块进行控制，从而与后台服务器之间建立TCP/IP连接。最终将数据上传至后台服务器系统中，在系统数据库中，对数据进行长期存储，以备后续查询、调用、开展数据分析时使用[5]。

5.1建立TCP/IP连接

在使用客户端发送数据之前，需要先建立起TCP/IP连接。在建立此连接时，需使用MCU对服务器进行远程操控，具体的操作步骤为：（1）创建一个socket；（2）针对需要连接的服务器IP地址和端口属性进行设置；（3）运用函数connect与服务器之间进行远程连接，进而实现数据的接收与发送。另外，服务器也需要建立TCP/IP协议，其操作步骤为：（1）创建一个socket；（2）使用函数bind对IP地址和端口信息进行绑定；（3）开启系统监听功能；（4）对客户端发送的数据进行接收与发送。案例服务器采用的是EasySwoole框架，在此服务器所提供的APIEasySwooleEvent功能当中，可针对mainServerCreate事件进行回调注册以及服务监听，并且开启TCP服务[6]。工作人员便可以随时监听客户端的连接、断开进行操控，还可实时接收来自于客户端的数据信息。

5.2数据上传方式

将采集到的患者呼吸数据，以数据包的形式上传到系统数据库中。在每一个数据包的帧头和帧尾，都需增加一个相应的标识符。从帧头标识符的开始至标识符的结尾，所有字节累加之后，取32位，即4个字节。MCU通过AT指令，实现ESP8266的调用，再借助函数send进行数据发送，直至所有数据全部上传完毕。针对每一个数据包，使用ID加以区分，服务器负责针对CRC32正确与否进行检验。如果发现错误代码，需将其返回给客户端，当客户端接收到错误代码之后，再按照ID数据包重新发送正确代码。

5.3通信协议测试

研究人员通过实验，对数据传输的安全可靠性与完整性进行了测试，还针对通信协议的压力进行了相关测试。具体的测试方法为：首先，数据完整性测试。先断开呼吸训练器的网络连接，采用离线方式训练100组，获得相应的呼吸数据。此时，再将呼吸器与网络相连接，MCU将未连网之前收集到的呼吸数据一次性上传完毕。重复3次上述操作，并且对3次100组呼吸数据进行上传，最终针对上传数据进行核对。经核对，确认所有训练数据均具有较高的完整性与准确性。最后，压力测试。本次测试选用网络调试助手做为测试工具，选用TCPClient作为协议类型。在测试中，先将后台服务器IP地址和端口号录入到远程主机中，之后点击“连接”键。此后，在数据发送窗口进行呼吸数据的填写，并且在“循环周期”选项中进行勾选，将循环时间设定为10mS。设置完毕后，连续点击5次“发送”键。重复上述操作步骤3次，之后针对服务器数据库中的数据完整性与正确性进行复核，最终确认真实数据与测试工具数据相一致。通过上述两项测试，判断该系统具备较高的稳定性、安全可靠性，充分呈现出TCP/IP协议在网络传输应用中的作用价值。

6结语

嵌入式TCP/IP协议单片机技术在通信领域内呈现出越来越高的使用率与应用效果。尤其随着人们对于网络通信质量、信息传输效率要求的不断提升，嵌入式TCP/IP协议单片机技术必然会在不久的将来，在通信领域内实现普及应用。届时，不仅推进自身应用水平的大幅提升，在功能价值上还将获得更大幅度的创新发展。同时，伴随着我国互联网技术的日趋成熟与完善，与之相关的各项技术水平也将实现同步提升。不仅可以满足人们的信息共享需求，还将促进嵌入式TCP/IP协议单片机技术与通信领域的全面融合。从而推动嵌入式TCP/IP协议单片机技术会朝着更加实用、高效、安全、智能、经济的方向迈进。

参考文献

[1]刘敏.嵌入式TCP/IP协议单片机技术在网络通信中的运用[J].信息记录材料,2021,22（09）：161-162.

[2]黄丹辉.网络通信中嵌入式TCP/IP协议单片机技术的应用研究[J].信息与电脑（理论版）,2020，32（22）：184-185.

[3]刘靓.浅谈嵌入式TCP/IP协议单片机技术在网络通信中的应用[J].计算机产品与流通,2020,（10）：74.

[4]袁勇.嵌入式TCP/IP协议单片机技术在网络通信中的应用[J].现代信息科技，2020，4（02）：82-84.

[5]焦毅霞.嵌入式TCP/IP协议单片机技术在网络通信中的应用研究[J].现代制造技术与装备,2018,（07）：114-115.

[6]刘铭威,德湘轶.嵌入式TCP/IP协议单片机技术在网络通信中的应用[J].南方农机，2018，49（11）：122.

[7]刘铭威,德湘轶.嵌入式TCP/IP协议单片机技术在网络通信中的应用[J].南方农机，2018，49（11）：122.

[8]张楠澜,孙歆钰.嵌入式TCP/IP协议单片机技术在网络通信中的应用[J].南方农机,2019,50（07）：116,123.

作者：卫肖璐 单位：西安工商学院