關于STM32的物聯網嵌入式網關設計分析

張國偉

（晉中職業技術學院 山西 晉中 030600）

1 引言

隨著時代的發展，物聯網技術也獲得了較快的發展。其中，物聯網重要的一個實現即借助Internet網向用戶的PC機以及手機上傳傳感器控制節點所收集數據，為了可使這一需求得以滿足，需對網關設備進行設計，而這種設備不僅能夠確保網絡連接以及GPRS傳輸的實現，還能作為無線傳感器網絡協調器。作為一種服務器，物聯網網關設備是傳統通信網絡以及物聯網感知層連接的紐帶，不僅可互聯廣域網，還可確保局域網互聯的實現。此外，其擁有的系統管理極其的強大，可使成本有效降低。

2 系統的硬件設計

路由器和無線協調器、GPRS模塊和嵌入式主設備都包括在嵌入式網關系統當中。從實質來講，嵌入式的主設備一般借助網口來連接路由器，應用AT指令對GPRS模塊進行控制，借助串口連接于GPRS模塊。另外，借助串口向無線協調器發送指令，可間接地對無線傳感器組進行控制。

2.1 主設備的硬件設計

STM32F417是嵌入式主設備的主控芯片，串口驅動電路和鍵盤操作、網口驅動電路和液晶顯示電路都屬外圍硬件電路。ST公司在Contex-M4核基礎上而開發的一種控制器即STM32F417，可提供4路串口。百兆以太網 MAC模塊內置于其中，可以通過SPI總線外擴FLASH存儲模塊。該設計采用了串口液晶，而串口液晶無需對驅動電路進行設計，僅需應用到串口命令，顯示頁面和控件可以下載到液晶的FLASH中，結合設計的需要對GUI頁面進行編寫，用戶可自行對本地網關設備進行設置[1]。

MAC模塊內置于STM32F417中，要想確保網絡傳輸的實現需對PHY芯片進行外擴，在操作和控制無線協調器時，可借助自定義協議和串口協議；連接GPRS模塊的使用串口，通過AT指令的發送可讓GPRS模塊同網絡相連接，并能確保開關機以及短信發送等操作的實現；TCP/IP協議用到了uIP協議棧，底層網絡驅動可有效地操作PHY芯片[2]。

2.2 無線協調器的硬件設計

借助ZigBee網絡傳輸，無線協調器能夠向嵌入式主設備傳輸無線傳感器組所收集到的數據，而通過串口，嵌入式的主設備能夠向無線協調器發送控制命令，并間接的向無線傳感器組發送。CC2430芯片是無線協調器所應用的主控芯片，這一芯片對ZigBee微控制器和內存以及射頻前端進行了整合，可給ZigBee無線通信協議提供支持[3]。

2.3 GPRS模塊的硬件設計

向用戶手機傳送傳感器收集數據即GPRS模塊的重要實現，借助手機，用戶便能夠遠程地控制傳感器。借助串口，GPRS模塊便能夠連接于嵌入式的主設備，LPC2103是GPRS模塊采用的主控芯片，其可驅動控制GPRS收發器，并能夠通過串口連接嵌入式的主設備[4]。

3 軟件設計

GPRS模塊和客戶端軟件、ZigBee協議棧和嵌入式的設備軟件都屬該設計當中的軟件。

3.1 主設備的軟件設計

借助網口連接以太網確保和遠程PC機通信的實現，這就是嵌入式主設備功能。借助串口可對無線協調器和GPRS模塊進行控制，而外接按鍵以及串口液晶屏可確保本地設置參數的實現[5]。

3.1.1 網絡管理設計 系統的網絡協議采用到了uIP協議，uIP協議是TCP/IP協議的簡化，包括ARP和ICMP、UDP和TCP以及IP等等，而應用層協議涵蓋WEB和Telnet以及HTTP等相關的服務[6]。

3.1.2 C/OS-II系統任務 C/OS-II系統任務需將任務建立起來，任務主要有統計時間的運行任務和網絡處理任務、圖形用戶的接口任務和空閑任務、數據存儲管理任務和系統任務以及串口任務等等，主程序于main（）入口函數集中，便可確保C/OS-II系統啟動和節拍技術的設置、主任務的建立以及初始化硬件平臺、C/OS-II系統的完成。

首先應建立起開始任務，而后再將其他的任務建立起來，總共要創建按鍵任務和串口通信任務、時間片任務和空閑任務以及主任務等等任務[7]。

3.2 無線協調器的軟件設計

無線協調器軟件有兩個部分，包括客戶端程序以及ZigBee協議棧兩部分。實際中，把協調器通上電之后，為了對適當的網絡標識符進行選擇，首先便是對信道進行掃描，而后對網絡進行啟動，允許連接相關設備。之后，借助串口，網關主設備便可連接無線協調器，借助無線協調器，間接地連接于其他接口。針對2.4GHz射頻頻段，ZigBee協議劃分成十六個獨立信道，每一設備的信道集均有一個為默認，協調器對自身默認信道集進行掃描，而后對最小噪聲信道進行選擇，視為建立網絡的信道。

3.3 GPRS模塊的軟件設計

借助串口1，主控芯片可通信于主設備，自定義串口協議即通信協議，而借助AT指令，串口2便可對GPRS收發器進行控制。從實質來講，AT指令可確保短信發送和接受、連網和開關機等功能的實現。

4 實驗結果

在相關監測的平臺上運用到以上提到的設計網關，在監測時，把電源電壓以及電源電流當作對象，最終要將電源所發生的功耗計算出來，借助模數轉換通道，監測模塊主控芯片可采集到電壓以及電流。一般情況下要實現電源輸出電流到電壓的轉換。此外，監測模塊對MAX472進行使用，實現電流到電壓的轉換，最后借助網關傳輸向PC機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時監測的實現，并可設置本地網關以及距離較遠的遠程網關。

5 結語

綜上所述，物聯網設計運用的網關有多種優點，包括低成本、利于維護以及便于搭建等優勢，因此廣泛地在環境監測和機房的設備監控、溫室控制和智能家居當中運用。在采集和傳輸多種物理量時，嵌入式網關模型和設計理念均可將作用發揮出來，結合相關的需求，傳輸媒介可進行轉換傳輸協議可根據自身需求展開嵌入設計。比方說，在采集處理軍工產品時，可結合環境需求使傳輸介質改變。綜上所述，嵌入式的網關有非常客觀的應用前景，有著多樣且靈活的設計，不過要使是嵌入式網關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，這樣才能夠滿足應用需求。

[1] 孟凡振，劉宏，汪明亮，等.用于物聯網通信的低功耗喚醒接收機設計[J].西安電子科技大學學報（自然科學版），2017，44(2)：95-100.

[2] 孟凡振，劉宏，汪明亮，等.用于物聯網的帶濾波CMOS低功耗欠采樣器設計[J].西安電子科技大學學報（自然科學版），2017，44(3)：108-113.

[3] 王興華，賈棟，左韻琳，等.一種基于物聯網的智能語音垃圾收集系統的設計[J].科技創新導報，2015，12(20)：42.

[4] 是德科技與應科院合作推出創新的窄帶物聯網設計和仿真解決方案[J].電子測量與儀器學報，2016，30(12)：1891.

[5] 陳長喜，許曉華.基于物聯網的肉雞可追溯與監管平臺設計與應用[J].農業工程學報，2017，33(5)：224-231.

[6] 桑迎平，蔡晉輝，演鑫，等.基于物聯網的軸承噪聲測量儀管理系統[J].中國計量學院學報，2014，25(2)：155-159.

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