基于STM32的物聯網系統的設計

賴樹明,楊卓鑫,張麗娟,韓清濤,任 斌

（1、東莞理工學院 電子工程學院,廣東東莞,523808; 2、東莞理工學院 計算機學院,廣東東莞,523808）

0 引言

現在很多物聯網的設計比較簡單，接口比較單一，沒有多樣化，這樣在很多復雜的工業場合，比如很多工業場合會用不同的接口連接，但由于物聯網的一些設計比較單一，所以需要更換或者再另外買進或者研發一些適合的通信技術，因此大大地增加了不便和投資成本。為了適應不同的工業現場和降低投資的成本，我們研究了一款基于STM32設計的物聯網開發應用系統，該系統中聚集了RFID、傳感技術和多樣化接口的無線和有線通信技術，根據不同的工業現場環境選擇性的接入相應的通信接口，這樣在不同的工業環境不需要重新研發相對應的通信技術。這樣集成化的方式減少了大量的財力和物力，使物聯網技術得到更好的發展和應用。

1 系統的總體設計

該物聯網系統采用STM32作為控制芯片，綜合應用了Zigbee、WIfi、GSM、藍牙、以太網、CAN總線、RS485、RS232、USB等有線和無線通信技術及RFID身份識別技術。系統的整體

通過各類傳感器和RFID對工業現場數據進行采集，再根據實際環境通過按鍵中斷選擇如上圖所示左邊的zigbee、wifi、以太網等傳送方式傳送到STM32處理，不同的通信模式數據將劃區域的存放到falsh中，再通過按鍵中斷選擇wifi、以太網、框架圖如下圖1所示：USB模式將有效的flash區域的數據傳送至PC機處理和控制；整個過程的通信模式都會通過液晶屏顯示出來。

圖1 系統的整體框架圖

2 系統硬件設計

2.1 總體硬件框圖

在上圖2中控制單元采用STM32F103XX基本型系列。它使用高性能的ARM CortexM3 32bit的RISC內核，內置高速存儲器，工作頻率為72MHZ，CPU能以零等待周期訪問，豐富的增強型外設和I/O口連接到兩條APB外設。所有型號器件都包含1個12bit的ADC和3個通用的16bit定時器，還包含標準的通訊接口；2個IIC，2個SPI和3個USART。在上述硬件框圖中STM32是通過IO口模擬時序來控制CAN總線收發器和RFID存儲模塊；通過內部的SPI通信接口與以太網模塊和flash存儲模塊通信；通過內部的USART通信接口與RS485、GPRS、zigbee等模塊通信?？梢钥闯鰏tm32的內部通信接口是不夠用的，因此通過74HC573鎖存器將其分時段的應用。

3 軟件的設計

軟件采用C語言編寫，在keil環境下開發，應用STM32將各個通信模塊方式匯集起來。

3.1 總體的軟件流程圖

如圖3所示，開始工作時，MCU的時鐘自動設置并設置外部中斷，然后檢測外部中斷，若有外部中斷，則根據外部中斷設定進行總線選擇性的初始化，然后根據初始化將采集進來的數據存放到對應的Flash數據區域，然后再將Flash中的數據讀出傳輸到PC機上，傳送完畢接著等待下一次外部中斷的發生。若沒有中斷發生，則根據初始化將采集進來的數據存放到對應的FLASH數據區域，并根據初始化將數據從FLASH中讀出傳輸到PC機中，然后回到判斷是否有外部中斷，并進行循環。

圖3 總體的軟件流程圖

圖2 總體硬件框圖

3.1.1 zigbee協調器的軟件流程圖

如圖4所示，zigbee協調器工作時，先上點激活，然后開始信道主動掃描，檢查是否收到信標幀，若收到，則監聽信標幀，并選擇父節點入網，選擇之后發送入網請求，若收到入網回復，則建立新子節點，意味著入網成功，若沒有收到入網回復，則判斷是否有沒申請的父節點，如果有則重新監聽信標幀，若沒有則入網失敗，所申請父節點作為冗余節點進入休眠模式；若之前沒有收到信標幀，則信道掃描變為被動模式，然后建立網絡，如果收到入網請求，自動判斷地址空間是否滿了，如果滿了，則沒有地址空間，加入新子節點失敗，若地址空間沒有滿，則分配地址，并回復入網請求，回復成功后允許子節點入網。

3.1.2 zigbee節點軟件流程圖

如圖5所示，開始工作時，設備自動初始化，之后通過zigbee協調器的工作申請加入zigbee網絡，若加入之后與協調器綁定，就可以周期性發送數據。

3.1.3 以太網模塊的軟件流程圖

如圖6所示，工作時，ENC28J60的硬件自動初始化，Uip協議網絡也開始初始化，初始化完畢，根據外部中斷判斷是否需要切換監聽端口，如果需要，則改變監聽端口，若不需要，則輪詢處理數據。處理數據結束，在判斷是否需要切換監聽端口，繼續循環。

圖4 zigbee協調器的軟件流程圖

3.1.4 RFID的軟件流程圖

如圖7所示，開始工作時，MCU對時鐘開始配置，并對外設進行初始化。初始化完畢，查詢串口是否有收到數據，如果有，則掃描從PC接收數據緩沖區，并根據收到的數據執行命令，然后設置IOSI4443A協議，并執行防沖突算法用來識別標簽，接著傳輸標簽數據：如果沒有收到數據，直接設置協議，接著執行防沖突算法，最后傳輸數據，傳輸數據完畢，再循環判斷查詢串口是否有收到數據。

3.1.5 USB軟件流程圖

如圖8所示，工作時，MCU對時鐘和外設接口開始配置，并配置usb中斷，然后對usb初始化。初始化結束，判斷發送緩沖區是否有數據，如果有數據，則發送數據，并對數據進行處理;如果沒有，則判斷接受緩沖區是否有數據，如果有，則接收數據，并對數據進行處理，如果沒有，則循環回到判斷發送緩沖區是否有數據。

圖5 zigbee節點軟件流程圖

圖6 以太網模塊的軟件流程圖

圖7 RFID的軟件流程圖

圖8 USB軟件流程圖

3.1.6 CAN總線的軟件流程圖

如圖9所示，開始工作時，首先MCP2515初始化，并等待中斷，如果有中斷發生，則先關閉中斷，并讀取MCP2515的中斷標志，用以判斷中斷類型，假如是發送中斷，則轉發送中斷處理子程序；假如是接受中斷，則轉接受中斷處理子程序：假如是錯誤中斷，則轉錯誤中斷處理子程序。之后進行過濾匹配判斷，若不是，則進行無效報文，如果是，則進行處理請求，然后打開中斷允許，最后回到對MCP2515初始化循環。

3.1.7 GSM模塊的軟件流程圖

如圖10所示，工作時，對MCU串口和GSM模塊進行初始化，并測試TCP/IP，如果測試不成功，則再進行測試，如果成功，進行TCP連接，并判斷是否連接成功，如果沒有，則不斷進行連接，直到成功。成功后等待中斷，如果有中斷發生，則先關中斷，并讀取中斷標志，然后判斷中斷類型，如果是發中斷，則發送數據；如果是接受中斷，則接受處理子程序，完畢之后，則打開中斷，并回到判斷中斷部分，進行循環。

3.1.8 wifi的軟件流程圖

如圖11所示，開始工作時，對WIFI進行初始化成為服務器工作狀態，然后檢查WIFI的網絡狀態并開始連接，接著CPU開始監聽WIFI的數據情況，并判斷有沒有數據進來。如果有數據進來，則獲取數據到緩存器中，然后讀取WIFI在FLASH中的存儲地址并把數據存儲到FLASH中；如果沒有數據進來，首先判斷是否發送數據，如果不是，則再次判斷有沒有數據進來，如果是要發送數據，則先讀取FLASH的地址，然后獲取要發送的數據，然后通過串口把數據發送出去，最后回到判斷有沒有數據進來，并進行循環。

4 結束語

設計的一款基于STM32設計的物聯網系統，該系統融合了RFID、多種無線有線通信、傳感器、互聯網等技術。相比目前的一些物聯網技術在各方面都有了一定的提高，特別是通信接口方面涵蓋了多達10種有線無線通信接口，對于復雜的工作現場總線有了多種選擇。如何進一步提高系統的抗干擾性，以滿足要求更高的場合是我們下一步的工作重點。

圖9 CAN總線的軟件流程圖

圖10 GSM模塊的軟件流程圖

圖11 wifi的軟件流程圖

參考文獻

[1] 朱弘.物聯網技術的發展和在安防領域的應用研究[J].技術與應用，2010, 7(7): 31-33.

[2] 景熙.物聯網概論[M].南京:東南大學出版社，2010.

[3] Kramer G. Ethernet passive optical networks[M]. New York, USA:McGraw-Hill, 2005.

[4] 劉堯，黃玉輝，潘華明.配電網電纜屏蔽層寬帶載波通信技術[J].華東電力，2007, 35(12): 60-62.

[5] 盧新波，侯思祖.基于 GPRS的配網自動化系統性能分析[J].電力系統通信，2006, 27(1): 25-27.

[6] 杜祥嶺，劉加寧.高校物聯網專業與實訓中心探析[J].遼寧工業大學學報(社會科學版),2011,13 (04) :119-122.

[7] 柯強.物聯網專業課程建設探討[J].物聯網技術，2012,4(01):280- 283.

[8] 馬榮飛.融CEC一CDIO理念的物聯網專業高技能人才培養研究與實踐[J].軟件工程師，2014,6:11- 12.