基于硬件TCP/IP協議的物聯網網關設計

沈翔

摘 要：針對小型智能家居等物聯網應用場景，基于STM32嵌入式處理器及硬件TCP/IP協議網絡芯片W5500等，設計了一種支持RJ 45，WiFi，藍牙等多種接入方式的小型網關，分析網關的技術架構，闡明主要軟、硬件模塊以及接入Yeelink云端應用的實現方法。

關鍵詞：網關;W5500;RJ 45;WiFi;藍牙;TCP/IP協議;Yeelink云平臺

中圖分類號：TP39;TN274文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）10-00-03

0 引 言

小型智能家居應用系統的網關數據流量較小，接入方式多樣，對成本要求較高，功能上一般比較精簡。現今市面上的網關大多采用高端嵌入式處理器加操作系統設計，預置有豐富的應用軟件，配置較高，導致成本高，不太適用于小型智能家居等應用場合[1]。本文旨在利用高性價比STM32嵌入式處理器與基于硬件TCP/IP協議的W5500以太網芯片等多種接入模塊，實現成本低廉、接入方式多樣的智能家居網關。

1 技術架構

智能家居網關的核心功能是路由與控制，需要通過WiFi，藍牙，RJ 45，RS 485等接入方式與終端產品進行數據交互，實現網絡配置、路由管理、數據轉發、遠程控制等功能[2]。本文設計以小型智能家居應用系統為應用對象，以低成本、快速開發、多方式接入為主要需求點。根據功能需求，規劃設計的技術架構如圖1所示。

網關硬件以STM32F103CBT6處理器為核心，外擴W5500以太網模塊、ESP8266 WiFi模塊、HC-05藍牙模塊等，以便接入具有多種通信方式的智能家居終端產品，并在網關完成協議轉換與數據轉發。其中，以太網模塊選用W5500以太網控制器實現相應功能。W5500是WIZnet公司開發的一款以太網控制器，它采用全硬件TCP/IP協議棧架構，集成了10/100 M以太網數據鏈路層（MAC）及物理層（PHY），支持TCP，UDP，ICMP，ARP，IPv4，IGMP 及PPPoE協議，能提供8個獨立的硬件Socket通信客戶端，使得用戶使用單芯片就能夠在應用中實現以太網連接，縮短了開發周期，減少了成本[3]。

（1）網關軟件基于輕量級嵌入式操作系統μC/OS-III實現。

（2）底層包含W5500以太網驅動、HC-05藍牙驅動、ESP8266 WiFi驅動，以及其他I/O外設驅動。

（3）應用層則根據業務需求實現網絡配置、協議轉換、路由管理、數據轉發、遠程控制等。

2 主要硬件電路設計

2.1 主控模塊

主控模塊主要完成協議轉換及數據轉發功能。本文設計采用基于M3內核的STM32F103CBT6芯片作為核心處理單元，設計時鐘電路、復位電路、啟動模式選擇電路、SWD仿真調試電路等[4]。

2.2 W5500以太網模塊

基于W5500的以太網模塊電路如圖2所示，由W5500芯片、10 bit/100 bit網絡工作模式選擇電路、25 MHz時鐘電路、復位電路、SPI接口及電源濾波電路構成。其中，W5500的 SCSn，SCLK，MISO，MOSI分別與STM32F103CBT6的PA4，PA5，PA6，PA7連接，作為從機基于SPI接口與STM32F103CBT6的主機通信;W5500通過差分信號TX+，TX-，RX+和RX-連接隔離變壓器的RJ 45接口，與其他網絡設備實現串行傳輸。

2.3 WiFi及藍牙模塊

WiFi及藍牙模塊電路如圖3所示。WiFi模塊由ESP8266 WiFi模塊及其電源控制電路構成，藍牙模塊采用HC-05實現，兩者均采用2線串口與STM32主控模塊連接，并通過AT指令進行模塊初始化配置與數據通信。最終形成的網關實物如圖4所示。

3 硬件驅動程序設計

3.1 W5500網絡驅動程序

W5500是基于硬件TCP/IP協議的網絡芯片，通過STM32配置W5500的SPI接口及相關寄存器就可實現與網絡的連接。W5500驅動程序流程如圖5所示。初始化W5500需設置模式寄存器（MR）、中斷屏蔽寄存器（IMR）、重發時間寄存器（RTR）、重發次數寄存器（RCR）;建立網絡通信需配置本機硬件地址寄存器（SHAR）、網關地址寄存器（GAR）、子網掩碼寄存器（SUBR）、本機IP地址寄存器[5]（SIPR）。

3.2 WiFi及藍牙串口驅動程序

STM32F103CBT6共有三個可獨立使用的串口。本文設計中，COM1留作備用，可連接PC或其他串口設備;COM2與COM3分別連接WiFi與藍牙模塊。串口配置流程如圖6所示，設計時鐘配置、I/O重映射，設置Tx，Rx的I/O功能模式及I/O的Speed，初始化串口模塊，使能發送和接收中斷，以及使能串口等。

4 應用案例

基于前述網關及Yeelink云平臺，可構建簡單的物聯網應用系統。下面以采集一路環境溫濕度數據，并通過網絡將數據上傳至Yeelink云平臺，再通過網頁或APP訪問相關數據的遠程溫濕度采集系統為例，介紹具體實現過程。首先按圖7所示構建溫濕度管理系統，該系統主要由溫濕度傳感器DHT11（前述STM32網關板載傳感器）、物聯網網關、網絡環境及Yeelink云平臺組成。

搭建好硬件后，按照“初始化DHT11，W5500→配置網絡連接參數→讀取DHT11溫濕度數據（次/5 s）→將溫濕度數據封裝為HTTP數據包→連接Yeelink云平臺→上傳數據（POST方式）”的步驟完成相關程序開發及軟件配置，即可得到圖8所示的Yeelink云平臺溫濕度采集界面。

5 結 語

本文針對精簡功能型智能家居應用場景，基于STM32嵌入式處理器及硬件TCP/IP協議網絡芯片W5500等，設計了一種支持RJ 45，WiFi，藍牙等多種接入方式的小型網關。該網關采用硬件TCP/IP方案，可支持8個TCP/IP客戶端訪問并預留有多類接口，接入方便、性價比高，可用于小型智能家居及其他物聯網應用系統的快速搭建。

參 考 文 獻

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