這個產(chǎn)品是職業(yè)開始時候做的杭攻。當(dāng)時沒有IoT和云計算的概念棍弄，所以當(dāng)時就是叫做透明傳輸終端檬嘀，遠(yuǎn)沒有現(xiàn)在的IoT網(wǎng)關(guān)這么‘高大上’和‘時髦’。

應(yīng)用場景

首先介紹use case握侧。用戶是做工業(yè)系統(tǒng)監(jiān)控的蚯瞧，產(chǎn)品主要是SCADA的場景。當(dāng)時參與國家的重大的天然氣項目的管道系統(tǒng)監(jiān)控部分藕咏。要監(jiān)控幾十状知，幾百，甚至上千公里長的燃?xì)夤艿赖倪\行情況孽查，沒有網(wǎng)絡(luò)是做不到的饥悴。所以，當(dāng)時的想法就是沿著管道線路鋪設(shè)一條電信的數(shù)據(jù)專線用于數(shù)據(jù)傳輸盲再。每隔一段距離把管道的數(shù)據(jù)收集并且上傳到管理中心西设，并且通過管理中心對相應(yīng)的管道單元實施遠(yuǎn)程控制。

在2000年前后答朋，一條64kbps的線路可是不便宜贷揽！況且天然氣管道往往遠(yuǎn)離人口密集/經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)區(qū)域，盡量選擇偏僻的地段梦碗。這樣的地方基礎(chǔ)設(shè)施差禽绪，鋪設(shè)專線的價格更是不菲。

因此洪规，客戶當(dāng)時考慮把作為備用通信通道的無線網(wǎng)絡(luò)“轉(zhuǎn)正”印屁，也就是利用廣域無線網(wǎng)絡(luò)提供數(shù)據(jù)通信支持。當(dāng)時的無線通信網(wǎng)絡(luò)就是GSM網(wǎng)絡(luò)的GPRS和CDMA 2000斩例。

用戶于是調(diào)研并試用了國內(nèi)的無線傳輸終端雄人，結(jié)果效果很不好。典型的問題就是網(wǎng)絡(luò)連接的可靠性（reliability）問題念赶，經(jīng)常是連接建立幾十分鐘之后就再也收不到數(shù)據(jù)了础钠，必須把傳輸終端重啟（騎著摩托車開幾十公里），之后再能工作幾十分鐘叉谜。這個問題的原因和當(dāng)時GPRS的網(wǎng)絡(luò)速度和可靠性都有關(guān)系旗吁。

所以用戶找到我們首先提出來的就是連接的可靠性問題，用戶也知道無線網(wǎng)絡(luò)連接的穩(wěn)定性不好停局，因此說可以掉線阵漏，但是掉線之后要盡快恢復(fù)連接驻民，以保證業(yè)務(wù)的可用性（availability）。

所以履怯，總結(jié)下來就是，以廣域無線網(wǎng)絡(luò)把SCADA系統(tǒng)和遠(yuǎn)端的控制中心連接起來裆泳，實現(xiàn)雙向的數(shù)據(jù)通信叹洲。

該網(wǎng)關(guān)的下行接口是串口，連接SCADA設(shè)備工禾，上行端口是TCP/IP运提，通過運營商的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)連接到控制中心。

所以這就是一個典型的IoT網(wǎng)關(guān)加私有云的應(yīng)用闻葵。

具體可參考下圖（源自網(wǎng)絡(luò)）民泵。下圖的云服務(wù)器在當(dāng)時的環(huán)境里就是用戶的管理控制中心，APP遠(yuǎn)程監(jiān)控就是運行在服務(wù)器上的監(jiān)控軟件槽畔。

產(chǎn)品選型

該產(chǎn)品要求具有PPP/TCP/IP的支持栈妆，所以一般單片機(jī)是不行的。

PPP的撥號功能來自單獨的模塊厢钧，需要外購鳞尔，它與網(wǎng)關(guān)的控制單元之間是通過RS232接口連接，就像當(dāng)時PC上網(wǎng)一樣早直，串口加一個撥號的modem寥假。

還有一個串口需要接下行的SCADA設(shè)備。

另外還需要一個設(shè)備管理接口霞扬，用于本地管理配置該網(wǎng)關(guān)糕韧。

概括下來，這個網(wǎng)關(guān)的控制單元需要比較多的IO喻圃，而且軟件要支持PPP/TCP/IP萤彩。最后選了一個基于Z80的MCU，其軟件棧支持PPP/TCP/IP级及。

當(dāng)然乒疏，為了支持GPRS和CDMA2000，無線模塊的選型也有技巧饮焦。那就是選擇同一個廠家的模塊怕吴，可以做到pin-pin兼容，這樣的好處是生產(chǎn)和庫房只要維護(hù)一個BOM就可以了县踢，這樣減少了生產(chǎn)和庫房的維護(hù)成本转绷，降低了出錯率。但是軟件增加了復(fù)雜性硼啤，需要自動識別和配置不通的模塊和軟件议经。

操作系統(tǒng)不是必需。

架構(gòu)設(shè)計

架構(gòu)設(shè)計上，因為是MCU的系統(tǒng)煞肾，512KB FLASH ROM咧织，存放系統(tǒng)軟件和配置參數(shù)，512KB SRAM作為系統(tǒng)內(nèi)存籍救。

沒有使用操作系統(tǒng)习绢，而是采用狀態(tài)機(jī)（FSM）作為程序運行的主流程。

根據(jù)系統(tǒng)運行的階段蝙昙，定義不同的狀態(tài)闪萄，根據(jù)事件驅(qū)動狀態(tài)的變化。例如奇颠，modem配置->PPP撥號->IP軟件棧初始化->TCP連接請求->TCP連接建立->數(shù)據(jù)收發(fā)（連接狀態(tài)檢查）败去。

與遠(yuǎn)程管理中心的連接使用TCP協(xié)議，而不是UDP協(xié)議（為什么烈拒？)

上行數(shù)據(jù)和下行數(shù)據(jù)使用不同環(huán)形隊列圆裕，不同的TCP連接使用不同的上行隊列。因為是8bit的MCU嵌入式系統(tǒng)缺菌，系統(tǒng)內(nèi)存最大512KB葫辐，因此在預(yù)留了一部分內(nèi)存作為管理功能用以外，其余內(nèi)存基本都留給了數(shù)據(jù)緩沖區(qū)使用伴郁。

網(wǎng)絡(luò)連接可靠性（reliability）耿战，依靠TCP keepalive功能，并根據(jù)用戶配置設(shè)置其間隔（實時性和流量焊傅，性能和成本）剂陡。

網(wǎng)絡(luò)連接的可用性（availability），即網(wǎng)絡(luò)斷開之后恢復(fù)狐胎。從開銷最小的層次開始恢復(fù)鸭栖，逐級向下。即從TCP socket重建連接開始握巢，到IP協(xié)議棧的reset晕鹊，最后直到設(shè)備reset。就是說如果檢測到數(shù)據(jù)連接丟失暴浦，那么會從最高的應(yīng)用層開始恢復(fù)溅话，逐級向下，直到系統(tǒng)級的恢復(fù)歌焦。

網(wǎng)關(guān)設(shè)備的管理飞几。支持通過RS232接口的本地管理。如前所述独撇，僅有本地管理是不夠的屑墨，因為這些設(shè)備都是間隔幾十公里躁锁，而且在人跡罕及的地區(qū)，單靠本地配置管理是不行的卵史。

因此通過TCP/IP建立管理連接战转，實現(xiàn)遠(yuǎn)程管理功能。

附加功能（與同類產(chǎn)品的差異）是支持系統(tǒng)軟件的在線升級程腹。針對這個典型的MCU的嵌入式系統(tǒng)的軟件升級有幾種方式匣吊，第一種是通過TCP的管理連接進(jìn)行軟件下載并升級。第二種是支持通過本地的串口進(jìn)行升級寸潦。這兩種是可以做到業(yè)務(wù)在線的情況下進(jìn)行升級。第三種方式是在系統(tǒng)軟件無法啟動（brick了/磚了）的情況下社痛，采用類似JTAG燒寫FLASH的模式重新刷寫系統(tǒng)軟件见转。這個需要運維人員到現(xiàn)場連接設(shè)備特定接口進(jìn)行升級。

架構(gòu)對比

與當(dāng)時市場的其他同類商品對比下來的特點有如下幾點蒜哀。

系統(tǒng)的連接可靠性/可用性（實時性）最好斩箫。

系統(tǒng)的應(yīng)用范圍比較廣泛，不僅僅適用于天然氣一個應(yīng)用場景撵儿。

支持兩種運營商網(wǎng)絡(luò)GPRS或CDMA2000乘客，軟件自適應(yīng)。

設(shè)備管理功能豐富淀歇，支持本地和遠(yuǎn)程管理易核，支持軟件在線升級。

支持多個管理控制中心浪默，類似目前云計算的2地三中心牡直，最多支持3個管理控制連接。

系統(tǒng)功能可配置性纳决，提供配置機(jī)制給用戶碰逸，由用戶根據(jù)自己的應(yīng)用場景和成本預(yù)算達(dá)成適合其自身的SLA（網(wǎng)絡(luò)可靠性/可用性）。

產(chǎn)品亮點

上面說了架構(gòu)和產(chǎn)品特點阔加。這里說的是亮點饵史。

最大亮點在于在線升級。這是一個8bit的MCU嵌入式系統(tǒng)胜榔，通常軟件都是運行在FLASH ROM (RIP)胳喷，數(shù)據(jù)存放在RAM當(dāng)中。但是這個產(chǎn)品采用了全球首創(chuàng)的方式苗分，在沒有鏈接器（linker）來指定image layout的情況厌蔽，在硬件不支持internal RAM的情況下，巧妙地采用了一種通用的方法實現(xiàn)了把代碼和數(shù)據(jù)都放到RAM當(dāng)中的實現(xiàn)摔癣，大大提高了運行的性能奴饮。

比較遺憾纬向，當(dāng)時沒有發(fā)專利。

其實方法很簡單戴卜，但是當(dāng)時搞了4個星期逾条。有些人得知了設(shè)計思路之后會很不屑地一笑然后來一句“哦，原來這么簡單”投剥。這是典型的“站著說話不腰疼”师脂，而且暴露了那一絲絲“羨慕嫉妒恨”。

好了扯遠(yuǎn)了江锨。

另一個亮點是采用了同一家的無線模塊吃警，所以做到了pin-pin兼容∽挠看似不重要酌心，其實對于生產(chǎn)部門的料單管理和庫房管理非常重要，這大大節(jié)省了他們的維護(hù)成本和出錯概率

第三個亮點是產(chǎn)品的管理維護(hù)挑豌，包括軟件升級的三種方式安券，都是盡量保證在遠(yuǎn)距離的可靠性一般的廣域網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下能方便地管理設(shè)備，并且在出現(xiàn)系統(tǒng)軟件崩潰的情況下氓英，運維工程師一根線侯勉，一個軟件工具，一個.rom文件就可以現(xiàn)場恢復(fù)铝阐，無須返廠維修址貌。這節(jié)約了用戶的時間，節(jié)省了工廠的運維成本饰迹。

所以芳誓，研發(fā)不是只要設(shè)計出產(chǎn)品就行，還要考慮生產(chǎn)是否簡單高效啊鸭，是否易于售后維護(hù)锹淌。要做“系統(tǒng)”工程師，要考慮產(chǎn)品的“全生命期”赠制。

實際運行情況回顧

總體來說運行反饋良好赂摆，也拓展了其他領(lǐng)域，例如能源方面钟些。

運行大約4個月烟号，險險出了一個大事故。當(dāng)年春節(jié)政恍，一個在市區(qū)外70公里處的燃?xì)忾y門故障汪拥，導(dǎo)致高壓燃?xì)庵苯油{下游的幾萬戶居民。運維中心在發(fā)現(xiàn)故障之后篙耗，立即啟動關(guān)閉閥門操作迫筑，同時疏散當(dāng)?shù)鼐用裣芨稀陌l(fā)現(xiàn)故障到關(guān)閉故障閥門一共不到2分鐘，也就是說一個環(huán)回的時間不到2分鐘脯燃。甲方得到了當(dāng)?shù)卣穆≈乇碚寐蓿⑹盏疆?dāng)?shù)卣拖嚓P(guān)部門的表揚信。為了感謝我們提供的IoT網(wǎng)關(guān)在這次故障處理當(dāng)中的優(yōu)異表現(xiàn)辕棚，甲方特地表達(dá)了對我們的感謝欲主。

寫在最后

這個產(chǎn)品是公司里面獨一無二的數(shù)據(jù)通信類產(chǎn)品，而且從談需求到交付一共用了3個月逝嚎。參與的人其實就是我一個人扁瓢，從原理圖，到外觀布局补君，到軟件涤妒，到說明書，都是一個人來赚哗。另一個同事幫我做了windows上面的管理軟件。參與了整個產(chǎn)品的立項硅堆，聯(lián)調(diào)屿储，售前，到售后的全部階段渐逃。

所以够掠，雖然過去了很多年，這里面的很多細(xì)節(jié)茄菊，特別是那些特點仍然記憶猶新疯潭。

說到這里，其實還是有一個小小的遺憾面殖。竖哩。。脊僚。相叁。。

你懂的辽幌。