一種輕量級物聯網網關的實現*

岑宏杰，張喜生

（深圳職業技術學院 電子與通信工程學院，廣東 深圳 518055）

一種輕量級物聯網網關的實現*

岑宏杰，張喜生

（深圳職業技術學院 電子與通信工程學院，廣東 深圳 518055）

針對物聯網工程應用，設計了一種低成本的輕量級物聯網網關．該網關采用32位Cortex-M3微處理器STM32F107VC和開源嵌入式操作系統FreeRTOS作為系統平臺，運行FAT文件系統、TCP/IP和Modbus協議，通過RS485網絡和433MHz無線網絡采集現場傳感器數據，并可將數據存儲于SD卡，具有以太網和GPRS DTU 2種連接Internet的通信鏈路，支持通過2種鏈路上傳數據到服務器或接收服務器的遠程控制．網關成本低、功耗小、多鏈路、通信實時性好，適合應用于物聯網監測領域．

物聯網；網關；FreeRTOS；LwIP；Modbus；TCP/IP

在物聯網工程應用中，需要將不同通信接口和協議的設備進行互聯，實現現場設備的數據采集和互聯網遠傳．目前市場現有的一些網關產品，價格昂貴，數據采集端口較少，缺少對有線無線網絡混合應用的支持，在組網靈活性上有較大限制，不利于物聯網技術的推廣應用．如何在可接受的成本下，快速可靠地實現現場設備數據采集和異構網絡之間的互聯通信，是物聯網應用系統能否成功推廣的關鍵[1]．

針對低成本、分布式多點監測、無線有線儀表共存的物聯網監測系統的特點，本文設計開發了一個輕量級的物聯網網關，可以低成本實現TCP/IP網絡和Modbus現場總線之間的數據互通．

1 網關硬件設計

網關具備2種數據上傳鏈路：Ethernet和GPRS，滿足數據上傳接入Internet服務器的需求．另外，由2路RS485總線、1路433MHz無線通道構成現場數據采集鏈路．其中，RS485采集有線設備數據，而433MHz無線通道負責采集無線傳感器的數據．同時支持SD卡本地存儲系統日志記錄．網關在系統中的應用如圖1所示．

網關需要具備多個通信接口和足夠的多路通信處理能力．綜合考慮成本、功耗、性能的要求，設計方案采用了意法半導體公司的STM32F107VC微處理器作為核心芯片，該處理器基于ARM Coertex-M3 32位 RISC內核，工作頻率72MHz，片上集成多個通信接口：3個SPI、5個USART、2個CAN、1個Ethernet MAC，滿足本應用的要求．高集成度有利于簡化系統設計和減低成本．芯片本身還具備3個DMA控制器，可以提高通信的數據吞吐率，減小通信延遲，提高系統實時性．此外芯片具有完備的節電模式和時鐘電源管理，能夠實現優秀的低功耗性能[2]．

圖1 網關應用示意圖

網關硬件框圖如圖2所示．設計方案充分利用STM32F107提供的通信接口，使網關在低成本下實現豐富的通信接口能力．

1.1 微處理器和以太網接口電路設計

STM32F107VC芯片內部集成10/100 Ethernet MAC控制器，只需外接PHY接口芯片便可實現以太網通信．接口芯片使用TI公司的DP83848CVV．主控芯片的MAC提供了2種接口：MII和RMII，為了節省I/O資源，本設計采用只需較少信號線的RMII接口．

在RMII模式下，數據總線寬度由MII模式的4位變成2位，MAC和PHY工作時鐘頻率須由原來的25MHz提高到50MHz，通過配置STM32F107VCT內部的PLL，在芯片MCO引腳輸出50MHz時鐘提供給MAC和PHY使用，使整個系統只需1個時鐘源[2]．

PCB布局時注意退耦電容靠近PHY器件放置，通過最短的路徑到電源．差分信號對TD[1:0]和RD[1:0]平行走線，以保證長度匹配，避免共模噪聲和 EMI 輻射．同時避免信號線上有交叉或者通孔，因為通孔會造成阻抗的非連續性．信號線不要跨越分割的平面，否則會造成無法預測的回路電流，使得信號質量惡化并產生EMI問題，最終造成以太網通信不穩定[3]．

以太網RJ-45接口采用HR911105A，其自身集成了網絡變壓器，使得網關的PCB布局更緊湊簡潔．

圖2 網關硬件框圖

1.2 RS485接口電路設計

RS485標準中節點數為32，實際應用時往往存在需要連接多于32個節點設備的情況，因此，設計采用Exar公司的SP485REN總線收發器，該芯片特點是1/10單位負載，輸入阻抗≥120 kΩ，可以驅動最多400個總線節點，通信速率1Mbps．STM32F107的UART4 I/O管腳可以兼容5V電平信號，可以與工作電壓為5V的SP485REN芯片直接連接[4]．

在網關的工作環境中存在高頻瞬態干擾的可能，需采取保護措施避免接口器件損壞．SP485REN芯片本身集成 ESD保護，電路還設計了PPTC和雙向TVS管來保護RS485接口，避免浪涌產生的高壓損壞接口器件．將SP485REN的收發使能端短接，通過電阻下拉到地，避免因上電期間控制端口處于懸浮狀態造成總線沖突．

1.3 其它電路

除了RS485有線網絡，網關還可通過433MHz無線網絡采集現場數據，無線通信RF收發器選用TI的CC1101芯片，硬件支持數據包處理、數據緩沖、突發數據傳輸、清晰信道評估、連接質量指示和無線喚醒等功能，集成了一個高度可配置的調制解調器，支持不同的調制格式，數據傳輸率最高可達500kbps．CC1101通過6根I/O口與STM32F107相連，實現通訊參數配置、工作模式選擇、數據通訊等．其中組成SPI接口的管腳SCLK、SO、SI、CSn負責CC1101接收模式選擇、發射模式選擇、RF信道選擇、RF功率設置、工作模式切換等，而GDO0、GDO2作為輸出管腳可以作為FIFO狀態信號輸出使用[5]．在沒有以太網接入的場合，網關可以通過GPRS接入Internet，為此設計了一路RS232接口用來外接GPRS DTU，接口芯片采用ST的ST3241EB，具有±15 kV ESD保護，速率達400 kbps．

2 網關軟件設計

為了支持多種通信協議并行處理，并保證軟件的擴展性，使用開源的FreeRTOS作為操作系統，在其上完成通信驅動開發，移植FAT16文件系統和Modbus、TCP /IP協議棧，實現數據記錄、互聯網接入和網絡間的互聯通信．

軟件整體結構分為驅動層、系統層、中間層、應用層，如圖3所示．

驅動層主要負責硬件驅動，包括Timer、SPI、USART、DP83848等驅動，系統層由RTOS構成，負責整個網關各個任務的調度、通信和時間管理．中間層由FAT16、Modbus 和TCP/IP協議棧構成，提供文件系統讀寫、解析、封裝各鏈路通信數據的功能．網關的參數設置、數據記錄、GPRS DTU撥號聯網、以太網和串口報文的轉發等功能由應用層實現，主要包含串口通信任務ComTask、以太網通信任務TCPTask、數據記錄任務LogTask、參數設置任務SettingTask、撥號聯網任務DTU Task等．

2.1 Free RTOS的移植

FreeRTOS是一個基于微內核的輕量級嵌入式實時操作系統，系統主要功能包括任務管理、時間管理、信號量、消息隊列、內存管理、記錄功能等，具有源碼公開、免費授權、可移植、可裁減、調度策略靈活等的特點，可滿足很多小型嵌入式系統的應用[6]．FreeRTOS的移植工作涉及以下源文件：

1）與內核有關的3個文件，分別是list.c、queue.c、tasks.c ，位于FreeRTOSSource目錄

2）內存分配文件使用heap_2.c，位于FreeRTOSSourceportableMemMang

3）與編譯器和平臺相關的代碼port.c、portmacro.h，根據網關所用的編譯器和平臺，選擇位于FreeRTOSSourceportableRVDSARM_CM3目錄下的文件．

4）FreeRTOS內核頭文件，文件位于FreeRTOSSourceinclude．

將以上文件放到項目的.FreeRTOS目錄下，同時將STM32 V3.5.0版本固件庫放到.Library目錄下．打開Keil MDK-ARM 的項目設置，在Target options -＞ C/C++ 中 Preprocessor Symbols中增加USE_STDPERIPH_DRIVER及STM32F10X_CL宏定義，在Include path 中包含相應的頭文件路徑，然后修改啟動代碼startup_stm32f10x_cl.s，在__heap_limit 區段添加：

IMPORT xPortPendSVHandler

IMPORT xPortSysTickHandler

IMPORT vPortSVCHandler

在__Vectors區段中斷向量表，將固件庫的SVCall Handler、PendSV_Handler、SysTick Handler更改為 FreeRTOS的vPortSVCHandler 、xPortPendSVHandler、xPortSysTickHandler，這3個中斷向量均在Port.c中實現，其中vPortSVCHandler 保存堆棧地址，觸發SVC軟中斷，并啟動第一個任務；xPortPendSVHandler保護上下文，實現任務切換；xPortSysTickHandler 實現系統心跳時鐘中斷，驅動系統的任務切換調度．

修改配置文件FreeRTOSConfig.h，進行必要配置，然后在MDK-ARM中添加以上文件[7-9]．編譯通過后，就可在操作系統上進行網關應用層開發．

圖3 網關軟件框圖

2.2 以太網驅動和TCP / IP的移植

TCP/IP協議棧采用開源LwIP協議棧．LwIP可以在較小的RAM尺寸下，擁有完整功能的TCP 協議，適合應用在資源有限的輕量級物聯網網關中．LwIP的移植工作主要涉及源程序對于編譯器、操作系統和網絡驅動3方面的程序修改[10]．

編譯器相關的移植改動，主要是添加修改文件cc.h，重新定義u8_t, s8_t, u16_t, s16_t, u32_t, s32_t, mem_ptr_t等數據類型以及結構體字節對齊宏定義．

操作系統模擬層的移植，主要是實現與操作系統相關的接口，如線程，信號量，互斥鎖，系統時間等函數．依據LwIP的sys_arch.txt描述，分別對sys_arch.h、sys_arch.c兩個文件進行修改．首先在sys_arch.h中對LwIP使用的信號量、消息隊列和線程類型重新定義，其次在sys_arch.c中，用LwIP的mailbox和semaphore函數接口形式，對FreeRTOS的queue和semaphore進行封裝．包括sys_sem_new、sys_sem_free、sys_sem_signal、sys_arch_sem_wait等信號量操作函數和sys_mbox_new、sys_mbox_free、sys_mbox_post、sys_arch_mbox_fetch等郵箱操作函數．如實現sys_mbox_post的代碼如下：

void sys_mbox_post(sys_mbox_t mbox, void *data){

while ( xQueueSendToBack(mbox, &data, portMAX_DELAY ) != pdTRUE ){}

}

該函數用于將消息發送至消息隊列中，是一個阻塞型函數，只有當消息成功發送后，函數才返回．sys_arch.．其余函數的實現不一一列舉．

網絡驅動的移植主要是修改ethernetif.c文件，重新實現ethernetif_init、ethernetif_input、low_level_init、 low_level_output、low_level_input等函數．其中ethernetif_init負責指定網絡主機名和網卡描述，設置網卡MAC地址，指定發送報文函數，并調用low_level_init完成網卡硬件初始化；ethernetif_input負責讀取報文并發送給協議棧處理；low_level_init負責底層硬件初始化，low_level_output是底層硬件發送數據函數，low_level_input是底層硬件接收數據函數[11]．

LwIP協議棧啟動時，先調用ethernetif_init進行初始化，該函數又調用low_level_init對網卡進行初始化．當協議棧有數據發送時，協議棧調用low_level_output進行數據發送．當有數據到達時，中斷服務ETH_IRQHandler響應并釋放信號量，平常處于阻塞狀態的以太網接收任務ethernetif_input被激活，調用low_level_input獲取網卡報文數據，并把報文數據通過消息隊列的形式發給LwIP協議棧處理，然后再給應用層任務．應用層任務通過阻塞型的Sequential API來使用LwIP的通信服務．移植之后的LwIP任務驅動模型如圖4所示．

根據模型，首先實現以太網中斷服務程序．當接收到數據引發中斷時，ISR內釋放s_xSemaphore信號量后清除相應標志位：

void ETH_IRQHandler(void){

portBASE_TYPE xHigherPriorityTaskWoken = pdFALSE;

if ( ETH_GetDMAFlagStatus(ETH_DMA_FLAG_R) == SET){ /* Frame received */

5）索緒爾的結構符號學強調符號與所指的事物之間的雙項關系，而弗雷格等人在此基礎上加入的意義項，使這雙項關系變成符號——意義——事物的三項關系。詳見參考文獻[25]：361-362.

/* Give the semaphore to wakeup LwIP task */

xSemaphoreGiveFromISR( s_xSemaphore, &xHigherPriorityTaskWoken );

}

ETH_DMAClearITPendingBit(ETH_DMA_IT_R); /* Clear the interrupt flags. */

ETH_DMAClearITPendingBit(ETH_DMA_IT_NIS); /* Clear the Eth DMA Rx IT pending bits */

if( xHigherPriorityTaskWoken != pdFALSE ){ /* Switch tasks if necessary. */

portEND_SWITCHING_ISR( xHigherPriorityTaskWoken );

}

然后定義以太網接收任務ethernetif_input，在任務內等待s_xSemaphore信號量，然后調用low_level_input獲取數據，再使用指針s_pxNetIf-＞input指向的處理函數tcpip_input將數據發送到消息隊列．

void ethernetif_input( void * pvParameters ){

struct pbuf *p;

f

or( ;; ) {

if(xSemaphoreTake(s_xSemaphore, macBLOCK_TIME_WAITING_FOR_INPUT)==pdTRUE) {

p = low_level_input( s_pxNetIf );

if (ERR_OK != s_pxNetIf-＞input( p, s_pxNetIf)) {

pbuf_free(p);

p=NULL;

}

}

}

}

在low_level_init中創建ethernetif_input任務，建立MAC控制器和DMA的通道．

此外，PHY和MAC界面的時鐘信號由STM32F107的 MCO引腳提供，所以需要配置MCO輸出50MHz時鐘、STM32F107的RMII接口管腳、MAC控制器的10M/100M自適應、硬件CRC、DMA收發等，這些工作由init_ethernet函數完成．網關程序在上電后，啟動LwIP協議棧之前，需要先調用init_ethck和init_ethernet進行基本硬件配置．完成以上工作就可實現LwIP在網關中運行．

2.3 UART驅動和Modbus RTU / TCP開發

網關支持外接GPRS DTU和Modbus RTU串行鏈路，需要開發串口驅動．驅動采用DMA中斷方式，可以充分發揮STM32F107的硬件性能，減少CPU等待時間，提高通信吞吐率．在串口初始化時配置DMA通道，將發送DMA設為普通模式，而接收DMA設為環形模式．因為串口通信工作在半雙工模式下，因此收發可共用緩沖區以節省RAM開銷．

在定時中斷中查詢DMA緩沖區數據，當大于Modbus報文幀間隔時間數據指針沒有變化且數據不為零時，則將收到的報文數據通過消息隊列發送給Modbus協議棧，由協議對報文進行解析、校驗，并根據功能碼、數據單元進行事務處理．處理完后，返回響應報文，如果需要轉發，則將數據交給TCP Task處理．

圖4 LwIP任務驅動模型

對Modbus TCP報文的接收，是在502端口創建TCP偵聽任務，當收到報文時，將報文通過消息隊列發給協議棧處理．

在FreeRTOS和LwIP基礎上，實現Modbus RTU/TCP應用層協議相對簡單，主要是根據協議標準，對報文字段進行解析、封裝、事務處理．Modbus TCP報文的MBAP頭部UnitID就是RTU的SlavID，當報文校驗無誤后，PDU部分可以在串行鏈路和TCP端口間直接轉發．由于TCP是基于可靠連接的服務，Modbus TCP報文可以不帶CRC校驗域[12]．

2.4 SD驅動和文件系統移植

網關支持SD卡和文件系統，以保存數據記錄．STM32F107本身不帶SDIO接口，所以采用SPI模式接口讀寫SD卡．SD卡驅動實現MSD_WriteByte、MSD_ReadByte、MSD_ReadBlock，MSD_WriteBlock等函數，完成讀寫字節和塊功能．文件系統采用FAT16格式，使用HCC Embedded的FAT SL文件系統進行移植．移植工作主要是實現物理介質接口函數，修改配置頭文件和系統時間函數．接口函數包括：磁盤初始化F_DRIVERINIT、獲取磁盤信息F_GETPHY、讀扇區F_READSECTOR、寫扇區F_WRITESECTOR、讀磁盤狀態F_GETSTATUS、卸載磁盤F_RELEASE．使用SD卡的讀寫函數重新實現這些接口函數．然后在配置頭文件config_fat_sl.h頭文件中定義4個常量F_FS_THREAD_AWAR、F_MAX_LOCK_WAIT_ TICKS 、F_MAXPATH、F_SECTOR_SIZE，分別含義為多線程可重入、最大阻塞節拍、最長文件名和扇區大小．在psp_rtc.c中實現系統時間函數psp_getcurrenttimedate，就可在文件系統實現時間戳．經過以上修改后文件系統就可以運行了[13]．

測試和應用結果表明，該網關進行TCP/IP和串行鏈路間的網絡轉發，通信穩定可靠，數據轉發延遲小，系統響應速度快，實時性強，整個系統的通信效率高，設備運行良好，具有較高的性價比．

[1] 朱洪波，楊龍祥，朱琦．物聯網技術進展與應用[J]．南京郵電大學學報（自然科學版），2011（01）：1-6．

[2] STMicroelectronics Inc. Reference manual of STM32F107xx advanced ARM-based 32-bit MCUs Rev15[M/OL].[2014-10-13]. http://www.st.com/ st -web-ui/static/active/en/resource/technical/document/r eference_manual/CD00171190.pdf.

[3] TI Inc. DP83848C PHYTER Commercial Temperature Single Port 10/100 Mb/s Ethernet Physical Layer Transceiver Rev.E[M/OL].（2008-05-8）[2014-10-13]．http://www.ti.com/lit/ds/symlink/dp83848c.pdf．

[4] EXAR Inc. 1/10th Unit Load RS-485 Transceiver Version 1.0.0[M/OL].[2014-10-13]. https://www.exar.com/ common/content/document.ashx?id=1583&languageid=1033．

[5] TI Inc. CC1101 Low-Power Sub-1 GHz RF Transceiver Rev.I [M/OL].（2013-11-05）[2014-10-13]. http:// www. ti.com/lit/ds/symlink/cc1101.pdf．

[6] Real Time Engineers Ltd. FreeRTOS[DB/OL]. [2014-10-13]．http://www.freertos.org/index.html．

[7] Real Time Engineers Ltd .FreeRTOS Quick Start Guide [DB/OL]. [2014-10-13]．http://www.freertos.org/Free-RTOS-quick-start-guide. html

[8] 趙震奇．FreeRTOS在數據采集傳輸系統中的設計與應用[J]．寧波職業技術學院學報，2013（06）：84-88．

[9] 張龍彪，張果，王劍平，等．嵌入式操作系統FreeRTOS的原理與移植實現[J]．信息技術，2012（11）：31-34．

[10] Free Software Foundation, Inc. lwIP - A Lightweight TCP/IP stack-Summary[DB/OL].[2014-10-13]．http:// savannah.nongnu.org/projects/lwip/．

[11] 王祖云，楊思國，王建偉，等．嵌入式LwIP協議棧的移植與測試研究[J]．計算機與數字工程，2014（02）：272-275．

[12] GB/T 19582-2008. 基于Modbus協議的工業自動化網絡規范[S]．

[13] Real Time Engineers Ltd. FreeRTOS+FAT SL[DB/OL]. [2014-10-13]．http://www. freertos.org/FreeRTOS-Plus /FreeRTOS_Plus_FAT_SL/FreeRTOS_Plus_FAT_SL.shtml．

Implementation of Lightweight IOT Gateway

CEN Hongjie, ZHANGXisheng

（School of Electronic and Communication Engineering, Shenzhen Polytechnic, Shenzhen, Guangdong 518055, China）

In this paper, we design and implement a low cost and lightweight gatewayfor engineering application of the Internet of things, adopting STM32F107VC based on 32 bit Cortex-M3 core and open source embedded operating system FreeRTOS as the system platform, operated by FAT file system, TCP/IP and Modbus protocol. Gateway can acquire sensor data in field through RS485 or 433MHz wireless network, and store them on build-in SD memory card. It can connect Internet by using link of Ethernet or GPRS, transmit data to server, and be controlled remotely. Characterized by low cost, low power, multi-interface, and real-time, it offers a more cost-efficient solution to supervisory system in IOT.

Internet of things; Gateway; FreeRTOS; LwIP; Modbus; TCP/IP

TP391.44；TN929.5

A

1672-0318（2015）01-0012-06

10.13899/j.cnki.szptxb.2015·01, 003

2014-10-13

*項目來源：深圳職業技術學院校級重點科研項目資助（2210K3010001）

岑宏杰（1978-），男，廣西梧州人，講師，主要研究方向為嵌入式系統開發．

張喜生（1965-），男，山西代縣人，副教授，主要研究方向為軟件技術、網絡技術、移動互聯技術．