基于STM32的物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計

葛年明，周 泉，沈春梅

（三江學(xué)院 電工電子實驗中心，江蘇 南京 210012）

2009年8月溫家寶總理在視察中科院無錫高新微納傳感網(wǎng)工程技術(shù)研發(fā)中心時，提出建設(shè)“感知中國”中心，自此物聯(lián)網(wǎng)在中國受到了全社會極大的關(guān)注。2010年兩會，物聯(lián)網(wǎng)被正式列為國家經(jīng)濟技術(shù)發(fā)展的戰(zhàn)略支柱之一，寫入“政府工作報告”[1]。

隨著物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)注度不斷提高，越來越多的工程技術(shù)人員開始學(xué)習(xí)物聯(lián)網(wǎng)，國內(nèi)高校也紛紛開始設(shè)置物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)或研究中心。本文介紹了一款基于STM32設(shè)計的物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)應(yīng)用系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以方便用戶學(xué)習(xí)物聯(lián)網(wǎng)知識，同時利用該系統(tǒng)進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的開發(fā)與應(yīng)用可以縮短開發(fā)周期。系統(tǒng)在使用RFID技術(shù)的同時，引入ZigBee技術(shù)，利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及傳感器節(jié)點，實現(xiàn)環(huán)境監(jiān)控，從而將物聯(lián)網(wǎng)的物體識別、環(huán)境感知與無線通信等核心技術(shù)相互融合，使物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)得到更好的發(fā)展和應(yīng)用。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計概述

物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)應(yīng)用系統(tǒng)主要由電源電路、MCU微控器、RFID系統(tǒng)電路、ZigBee模塊電路以及顯示 （液晶顯示）電路組成。系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

系統(tǒng)利用RFID系統(tǒng)實現(xiàn)對物品信息的讀取，利用基于ZigBee設(shè)計的無線傳感器節(jié)點模塊實現(xiàn)對多節(jié)點傳感器信息的采集與傳輸，從而實現(xiàn)對環(huán)境的感知，將數(shù)據(jù)送至STM32處理并顯示，并可通過GPRS模塊將相關(guān)信息實時傳送到用戶手機上。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

2.1 電源電路

系統(tǒng)采用USB接口電源電路輸出3.3 V的電壓供電，USB接口電源電路主要利用一個三端穩(wěn)壓塊SP1117（U4），實現(xiàn)將USB接口輸出的5 V電壓穩(wěn)定在3.3 V。電路還接有一個發(fā)光二極管（D1）起到電源指示燈作用。具體的電路如圖2所示。

2.2 MCU微控制單元

控制單元采用STM32F103xx基本型系列。它使用高性能的ARM CortexM3 32 bit的RISC內(nèi)核，內(nèi)置高速存儲器，工作頻率為36 MHz，CPU能以零等待周期訪問（讀/寫），豐富的增強型外設(shè)和I/O端口連接到兩條APB外設(shè)。所有型號的器件都包含1個12 bit的ADC和3個通用的16 bit定時器，還包含標(biāo)準(zhǔn)的通信接口：2個I2C、2個 SPI和 3個 USART。

圖2 USB接口電源電路

設(shè)計時，采用STM32F103xx可方便實現(xiàn)接入傳感器信號和電子標(biāo)簽的ID卡號，其2.0 V～3.6 V的工作電壓能夠滿足MCU和GPRS模塊直接相連的需要，而無需電平轉(zhuǎn)換，一系列的省電模式滿足低功耗應(yīng)用的需求。

2.3 RFID系統(tǒng)電路

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)核心關(guān)鍵就是射頻識別技術(shù)（RFID）。一般的RFID系統(tǒng)由閱讀器、應(yīng)答器（電子標(biāo)簽EPC）和高層等部分組成。電子標(biāo)簽由芯片與天線組成，每個標(biāo)簽具有唯一的電子編碼，標(biāo)簽附著在物體上以表示目標(biāo)對象。RFID閱讀器的主要任務(wù)是控制射頻模塊向標(biāo)簽發(fā)射讀取信號，并接收標(biāo)簽的應(yīng)答，對標(biāo)簽的識別信息進(jìn)行處理，之后閱讀器把接收到的數(shù)據(jù)整合處理傳送給計算機。高層是信息管理系統(tǒng)和決策系統(tǒng)，通過對數(shù)據(jù)的加工、分析和挖掘，為正確決策提供依據(jù)[3]。

該部分電路的設(shè)計主要是RFID閱讀器電路的設(shè)計，閱讀器可采用TI公司最新推出的HF TRF796X來設(shè)計。TRF7960芯片支持TI公司Tag-it HF-I全系列ISO15693協(xié)議及ISO18000-3協(xié)議標(biāo)簽，以及符合ISO14443標(biāo)準(zhǔn)的高頻非接觸式近程卡片。該芯片具有高度集成度、多標(biāo)準(zhǔn)模擬前端及數(shù)據(jù)成幀系統(tǒng)，廣泛適用于13.56 MHz高頻非接觸式標(biāo)簽讀寫識別系統(tǒng)；內(nèi)置編程選項及較小的體積，使之成為各種近程RFID 系統(tǒng)應(yīng)用之首選。具體的硬件電路設(shè)計如圖3所示。

通過閱讀器可以實現(xiàn)對貼有電子標(biāo)簽物品信息的讀取，閱讀器在接收到來自電子標(biāo)簽的載波信息后，對接收信號進(jìn)行解調(diào)和解碼，將其信息送至微處理器處理，并可經(jīng)由GPRS網(wǎng)絡(luò)將信息實時傳到用戶手機上。

2.4 ZigBee電路

圖3 RFID閱讀器電路

ZigBee技術(shù)是一種短距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)或無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，是一組基于IEEE 802.15.4無線標(biāo)準(zhǔn)研制開發(fā)的有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的通信技術(shù)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有3種：星型、樹狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。它采用DSSS擴頻技術(shù)，使用的頻段是2.45 GHz的超高頻段，抗干擾能力強，傳輸速度快，主要適合于自動控制、無線傳感器、監(jiān)控和遠(yuǎn)程控制等領(lǐng)域，可以嵌入到各種設(shè)備中，還支持地理定位功能[2]。

圖4 ZigBee電路

該部分電路設(shè)計時，選用TI公司推出的ZigBee新一代SoC芯片CC2530。CC2530使用IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，支持新RemoTI的ZigBee RF4CE，具有極高的接收靈敏度和抗干擾能力，是理想的ZigBee專業(yè)應(yīng)用芯片。具體的硬件電路設(shè)計如圖4所示。

3 系統(tǒng)軟件的設(shè)計

軟件采用C語言編寫，在keil環(huán)境下開發(fā)，核心是RFID閱讀器子程序設(shè)計和ZigBee系統(tǒng)子程序設(shè)計兩部分。RFID閱讀器程序設(shè)計的流程圖如圖5所示。

ZigBee系統(tǒng)程序設(shè)計主要是對協(xié)調(diào)器配置以及ZigBee節(jié)點的設(shè)計，具體的設(shè)計過程如圖6所示。

圖5 RFID閱讀器流程圖

本文介紹了一款基于處理器ARM Cortex-M3內(nèi)核STM32設(shè)計的物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)應(yīng)用系統(tǒng)，該系統(tǒng)融合了RFID、ZigBee、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）、互聯(lián)網(wǎng)以及嵌入式系統(tǒng)等物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中加入ZigBee技術(shù)，可實現(xiàn)設(shè)備及不同協(xié)議讀寫器之間聯(lián)網(wǎng)，同時通過ZigBee實現(xiàn)數(shù)據(jù)的多點無線采集和傳輸?shù)哪康模瑸槲锫?lián)網(wǎng)技術(shù)更好地推廣和使用提供了一種新的途徑。隨著移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不斷的發(fā)展，RFID及ZigBee相結(jié)合的技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用的優(yōu)勢將更為突出，從而可以更好地改善人們的生活。

圖6 ZigBee系統(tǒng)流程圖

[1]劉強.物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用[J].計算機科學(xué)，2010，37（6）：1-10.

[2]李文仲，段朝玉.ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)入門與實戰(zhàn)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

[3]單承贛，單玉峰，姚磊，等.射頻識別（RFID）原理與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.