關(guān)于STM32的物聯(lián)網(wǎng)嵌入式網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)分析

張國偉

（晉中職業(yè)技術(shù)學(xué)院 山西 晉中 030600）

1 引言

隨著時(shí)代的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也獲得了較快的發(fā)展。其中，物聯(lián)網(wǎng)重要的一個(gè)實(shí)現(xiàn)即借助Internet網(wǎng)向用戶的PC機(jī)以及手機(jī)上傳傳感器控制節(jié)點(diǎn)所收集數(shù)據(jù)，為了可使這一需求得以滿足，需對網(wǎng)關(guān)設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)，而這種設(shè)備不僅能夠確保網(wǎng)絡(luò)連接以及GPRS傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)，還能作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。作為一種服務(wù)器，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)備是傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)以及物聯(lián)網(wǎng)感知層連接的紐帶，不僅可互聯(lián)廣域網(wǎng)，還可確保局域網(wǎng)互聯(lián)的實(shí)現(xiàn)。此外，其擁有的系統(tǒng)管理極其的強(qiáng)大，可使成本有效降低。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

路由器和無線協(xié)調(diào)器、GPRS模塊和嵌入式主設(shè)備都包括在嵌入式網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)當(dāng)中。從實(shí)質(zhì)來講，嵌入式的主設(shè)備一般借助網(wǎng)口來連接路由器，應(yīng)用AT指令對GPRS模塊進(jìn)行控制，借助串口連接于GPRS模塊。另外，借助串口向無線協(xié)調(diào)器發(fā)送指令，可間接地對無線傳感器組進(jìn)行控制。

2.1 主設(shè)備的硬件設(shè)計(jì)

STM32F417是嵌入式主設(shè)備的主控芯片，串口驅(qū)動(dòng)電路和鍵盤操作、網(wǎng)口驅(qū)動(dòng)電路和液晶顯示電路都屬外圍硬件電路。ST公司在Contex-M4核基礎(chǔ)上而開發(fā)的一種控制器即STM32F417，可提供4路串口。百兆以太網(wǎng) MAC模塊內(nèi)置于其中，可以通過SPI總線外擴(kuò)FLASH存儲模塊。該設(shè)計(jì)采用了串口液晶，而串口液晶無需對驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，僅需應(yīng)用到串口命令，顯示頁面和控件可以下載到液晶的FLASH中，結(jié)合設(shè)計(jì)的需要對GUI頁面進(jìn)行編寫，用戶可自行對本地網(wǎng)關(guān)設(shè)備進(jìn)行設(shè)置[1]。

MAC模塊內(nèi)置于STM32F417中，要想確保網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)需對PHY芯片進(jìn)行外擴(kuò)，在操作和控制無線協(xié)調(diào)器時(shí)，可借助自定義協(xié)議和串口協(xié)議；連接GPRS模塊的使用串口，通過AT指令的發(fā)送可讓GPRS模塊同網(wǎng)絡(luò)相連接，并能確保開關(guān)機(jī)以及短信發(fā)送等操作的實(shí)現(xiàn)；TCP/IP協(xié)議用到了uIP協(xié)議棧，底層網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)可有效地操作PHY芯片[2]。

2.2 無線協(xié)調(diào)器的硬件設(shè)計(jì)

借助ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸，無線協(xié)調(diào)器能夠向嵌入式主設(shè)備傳輸無線傳感器組所收集到的數(shù)據(jù)，而通過串口，嵌入式的主設(shè)備能夠向無線協(xié)調(diào)器發(fā)送控制命令，并間接的向無線傳感器組發(fā)送。CC2430芯片是無線協(xié)調(diào)器所應(yīng)用的主控芯片，這一芯片對ZigBee微控制器和內(nèi)存以及射頻前端進(jìn)行了整合，可給ZigBee無線通信協(xié)議提供支持[3]。

2.3 GPRS模塊的硬件設(shè)計(jì)

向用戶手機(jī)傳送傳感器收集數(shù)據(jù)即GPRS模塊的重要實(shí)現(xiàn)，借助手機(jī)，用戶便能夠遠(yuǎn)程地控制傳感器。借助串口，GPRS模塊便能夠連接于嵌入式的主設(shè)備，LPC2103是GPRS模塊采用的主控芯片，其可驅(qū)動(dòng)控制GPRS收發(fā)器，并能夠通過串口連接嵌入式的主設(shè)備[4]。

3 軟件設(shè)計(jì)

GPRS模塊和客戶端軟件、ZigBee協(xié)議棧和嵌入式的設(shè)備軟件都屬該設(shè)計(jì)當(dāng)中的軟件。

3.1 主設(shè)備的軟件設(shè)計(jì)

借助網(wǎng)口連接以太網(wǎng)確保和遠(yuǎn)程PC機(jī)通信的實(shí)現(xiàn)，這就是嵌入式主設(shè)備功能。借助串口可對無線協(xié)調(diào)器和GPRS模塊進(jìn)行控制，而外接按鍵以及串口液晶屏可確保本地設(shè)置參數(shù)的實(shí)現(xiàn)[5]。

3.1.1 網(wǎng)絡(luò)管理設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議采用到了uIP協(xié)議，uIP協(xié)議是TCP/IP協(xié)議的簡化，包括ARP和ICMP、UDP和TCP以及IP等等，而應(yīng)用層協(xié)議涵蓋WEB和Telnet以及HTTP等相關(guān)的服務(wù)[6]。

3.1.2 C/OS-II系統(tǒng)任務(wù) C/OS-II系統(tǒng)任務(wù)需將任務(wù)建立起來，任務(wù)主要有統(tǒng)計(jì)時(shí)間的運(yùn)行任務(wù)和網(wǎng)絡(luò)處理任務(wù)、圖形用戶的接口任務(wù)和空閑任務(wù)、數(shù)據(jù)存儲管理任務(wù)和系統(tǒng)任務(wù)以及串口任務(wù)等等，主程序于main（）入口函數(shù)集中，便可確保C/OS-II系統(tǒng)啟動(dòng)和節(jié)拍技術(shù)的設(shè)置、主任務(wù)的建立以及初始化硬件平臺、C/OS-II系統(tǒng)的完成。

首先應(yīng)建立起開始任務(wù)，而后再將其他的任務(wù)建立起來，總共要?jiǎng)?chuàng)建按鍵任務(wù)和串口通信任務(wù)、時(shí)間片任務(wù)和空閑任務(wù)以及主任務(wù)等等任務(wù)[7]。

3.2 無線協(xié)調(diào)器的軟件設(shè)計(jì)

無線協(xié)調(diào)器軟件有兩個(gè)部分，包括客戶端程序以及ZigBee協(xié)議棧兩部分。實(shí)際中，把協(xié)調(diào)器通上電之后，為了對適當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)標(biāo)識符進(jìn)行選擇，首先便是對信道進(jìn)行掃描，而后對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行啟動(dòng)，允許連接相關(guān)設(shè)備。之后，借助串口，網(wǎng)關(guān)主設(shè)備便可連接無線協(xié)調(diào)器，借助無線協(xié)調(diào)器，間接地連接于其他接口。針對2.4GHz射頻頻段，ZigBee協(xié)議劃分成十六個(gè)獨(dú)立信道，每一設(shè)備的信道集均有一個(gè)為默認(rèn)，協(xié)調(diào)器對自身默認(rèn)信道集進(jìn)行掃描，而后對最小噪聲信道進(jìn)行選擇，視為建立網(wǎng)絡(luò)的信道。

3.3 GPRS模塊的軟件設(shè)計(jì)

借助串口1，主控芯片可通信于主設(shè)備，自定義串口協(xié)議即通信協(xié)議，而借助AT指令，串口2便可對GPRS收發(fā)器進(jìn)行控制。從實(shí)質(zhì)來講，AT指令可確保短信發(fā)送和接受、連網(wǎng)和開關(guān)機(jī)等功能的實(shí)現(xiàn)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在相關(guān)監(jiān)測的平臺上運(yùn)用到以上提到的設(shè)計(jì)網(wǎng)關(guān)，在監(jiān)測時(shí)，把電源電壓以及電源電流當(dāng)作對象，最終要將電源所發(fā)生的功耗計(jì)算出來，借助模數(shù)轉(zhuǎn)換通道，監(jiān)測模塊主控芯片可采集到電壓以及電流。一般情況下要實(shí)現(xiàn)電源輸出電流到電壓的轉(zhuǎn)換。此外，監(jiān)測模塊對MAX472進(jìn)行使用，實(shí)現(xiàn)電流到電壓的轉(zhuǎn)換，最后借助網(wǎng)關(guān)傳輸向PC機(jī)傳輸功耗值和電壓值以及電流值，保證電源功耗和電壓以及輸出電流實(shí)時(shí)監(jiān)測的實(shí)現(xiàn)，并可設(shè)置本地網(wǎng)關(guān)以及距離較遠(yuǎn)的遠(yuǎn)程網(wǎng)關(guān)。

5 結(jié)語

綜上所述，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)運(yùn)用的網(wǎng)關(guān)有多種優(yōu)點(diǎn)，包括低成本、利于維護(hù)以及便于搭建等優(yōu)勢，因此廣泛地在環(huán)境監(jiān)測和機(jī)房的設(shè)備監(jiān)控、溫室控制和智能家居當(dāng)中運(yùn)用。在采集和傳輸多種物理量時(shí)，嵌入式網(wǎng)關(guān)模型和設(shè)計(jì)理念均可將作用發(fā)揮出來，結(jié)合相關(guān)的需求，傳輸媒介可進(jìn)行轉(zhuǎn)換傳輸協(xié)議可根據(jù)自身需求展開嵌入設(shè)計(jì)。比方說，在采集處理軍工產(chǎn)品時(shí)，可結(jié)合環(huán)境需求使傳輸介質(zhì)改變。綜上所述，嵌入式的網(wǎng)關(guān)有非常客觀的應(yīng)用前景，有著多樣且靈活的設(shè)計(jì)，不過要使是嵌入式網(wǎng)關(guān)的可靠安全以及兼容性得以保障，還需加大研究力度，還需付出更大的努力，這樣才能夠滿足應(yīng)用需求。

[1] 孟凡振，劉宏，汪明亮，等.用于物聯(lián)網(wǎng)通信的低功耗喚醒接收機(jī)設(shè)計(jì)[J].西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2017，44(2)：95-100.

[2] 孟凡振，劉宏，汪明亮，等.用于物聯(lián)網(wǎng)的帶濾波CMOS低功耗欠采樣器設(shè)計(jì)[J].西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2017，44(3)：108-113.

[3] 王興華，賈棟，左韻琳，等.一種基于物聯(lián)網(wǎng)的智能語音垃圾收集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2015，12(20)：42.

[4] 是德科技與應(yīng)科院合作推出創(chuàng)新的窄帶物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)和仿真解決方案[J].電子測量與儀器學(xué)報(bào)，2016，30(12)：1891.

[5] 陳長喜，許曉華.基于物聯(lián)網(wǎng)的肉雞可追溯與監(jiān)管平臺設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(5)：224-231.

[6] 桑迎平，蔡晉輝，演鑫，等.基于物聯(lián)網(wǎng)的軸承噪聲測量儀管理系統(tǒng)[J].中國計(jì)量學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，25(2)：155-159.

[7] 侯軍，邱頂，王明生，等.基于物聯(lián)網(wǎng)的醫(yī)療設(shè)備電氣安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2015，36(1)：43-45，86.