1、引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中一個(gè)重要的實(shí)現(xiàn)就是要將各類傳感器控制節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)通過Internet網(wǎng)上傳到用戶手機(jī)或者PC機(jī)，為了滿足這一需求，需要設(shè)計(jì)出一種既能作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器，又能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程GPRS傳輸和網(wǎng)絡(luò)連接的網(wǎng)關(guān)設(shè)備。

針對(duì)以上需求，本設(shè)計(jì)采用STM32F417作為主設(shè)備控制芯片，片上運(yùn)行μC/OS-II實(shí)時(shí)系統(tǒng)作為設(shè)備管理系統(tǒng)，使用uIP作為TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，主設(shè)備同時(shí)具有鍵盤操作及顯示功能，可以進(jìn)行本地設(shè)置，也可以使用PC機(jī)遠(yuǎn)程設(shè)置。嵌入式網(wǎng)關(guān)中的GPRS模塊通過串口與嵌入式主設(shè)備相連，無線協(xié)調(diào)器通過串口將采集來的數(shù)據(jù)上傳到嵌入式主設(shè)備，主設(shè)備也可以將命令下發(fā)給無線協(xié)調(diào)器，無線協(xié)調(diào)器通過ZigBee無線通信協(xié)議將命令發(fā)給傳感器。

2、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

嵌入式網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)主要包括嵌入式主設(shè)備、GPRS模塊、無線協(xié)調(diào)器、路由器。嵌入式網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 ?嵌入式網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)框圖

嵌入式主設(shè)備通過網(wǎng)口與路由器相連；通過串口與GPRS模塊相連，用AT指令控制GPRS模塊；通過串口發(fā)送指令給無線協(xié)調(diào)器，間接控制無線傳感器組。

2.1、嵌入式主設(shè)備硬件設(shè)計(jì)

嵌入式設(shè)備硬件平臺(tái)主要由STM32F417為主控芯片，外圍硬件電路包括液晶顯示電路，網(wǎng)口驅(qū)動(dòng)電路，鍵盤操作和串口驅(qū)動(dòng)電路。硬件電路框圖如圖2所示。

圖2 ?嵌入式主設(shè)備硬件電路框圖

本設(shè)計(jì)中采用串口液晶，串口液晶無需設(shè)計(jì)復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)電路，只需要串口命令對(duì)其控制，顯示頁(yè)面和控件可以下載到液晶的FLASH中，根據(jù)設(shè)計(jì)需要編寫GUI界面。鍵盤操作主要為用戶提供本地設(shè)置網(wǎng)關(guān)設(shè)備的功能。

STM32F417內(nèi)置MAC模塊，要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸需要外擴(kuò)一片PHY芯片，底層網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)就是對(duì)PHY芯片的操作，TCP/IP協(xié)議采用uIP協(xié)議棧；與GPRS模塊的連接使用串口，通過發(fā)送AT指令來實(shí)現(xiàn)對(duì)GPRS模塊連接網(wǎng)絡(luò)，發(fā)送短信，開關(guān)機(jī)等操作；對(duì)無線協(xié)調(diào)器的操作也是通過串口，自定義協(xié)議完成控制。

2.2、GPRS模塊硬件設(shè)計(jì)

GPRS模塊主要實(shí)現(xiàn)將傳感器采集來的數(shù)據(jù)上傳給用戶手機(jī)，用戶可以通過手機(jī)對(duì)傳感器進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。GPRS模塊通過串口與嵌入式主設(shè)備相連。硬件設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。

圖3 ?GPRS模塊硬件設(shè)計(jì)框圖

GPRS模塊主控芯片采用Philips公司的LPC2103，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)GPRS收發(fā)器（SIMCOM300）的驅(qū)動(dòng)控制，以及通過串口與嵌入式主設(shè)備連接。

2.3、無線協(xié)調(diào)器硬件設(shè)計(jì)

無線協(xié)調(diào)器是將無線傳感器組采集的數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸給嵌入式主設(shè)備，嵌入式主設(shè)備通過串口將控制命令發(fā)送給無線協(xié)調(diào)器，再間接發(fā)給無線傳感器組。硬件系統(tǒng)框圖如圖4所示。

圖4 ?無線協(xié)調(diào)器硬件設(shè)計(jì)框圖

無線協(xié)調(diào)器使用TI公司開發(fā)的CC2430芯片作為主控芯片，CC2430整合了ZigBee射頻前端、內(nèi)存和微控制器，支持ZigBee無線通信協(xié)議，工作頻段在2.4GHz。

3、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中的軟件包括運(yùn)行于STM32F417上的嵌入式主設(shè)備軟件、運(yùn)行于CC2430上ZigBee協(xié)議棧與客戶端軟件及運(yùn)行于LPC2103上的GPRS模塊軟件。

3.1、嵌入式主設(shè)備軟件設(shè)計(jì)

嵌入式主設(shè)備軟件以μC/OS-II實(shí)時(shí)系統(tǒng)作為設(shè)備管理主程序框架，同時(shí)嵌入了uIP協(xié)議棧作為TCP/IP協(xié)議，嵌入式主設(shè)備的功能是通過網(wǎng)口與以太網(wǎng)連接實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程PC機(jī)的通信；外接串口液晶屏和按鍵實(shí)現(xiàn)本地參數(shù)設(shè)置；通過串口控制GPRS模塊及無線協(xié)調(diào)器。主設(shè)備系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 ?主設(shè)備軟件設(shè)計(jì)

3.1.1、μC/OS-II系統(tǒng)任務(wù)

μC/OS-II系統(tǒng)建立任務(wù)，包含系統(tǒng)任務(wù)、圖形用戶接口任務(wù)、網(wǎng)絡(luò)處理任務(wù)、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)管理任務(wù)、串口任務(wù)、空閑任務(wù)、統(tǒng)計(jì)時(shí)間運(yùn)行任務(wù)。

主程序集中在main（）入口函數(shù)，完成μC/OS-II系統(tǒng)初始化、硬件平臺(tái)初始化、建立主任務(wù)、設(shè)置節(jié)拍計(jì)數(shù)以及啟動(dòng)μC/OS-II系統(tǒng)等。

開始任務(wù)建立通過App_TaskStart（）函數(shù)完成，再由該函數(shù)調(diào)用App_TaskCreat（）建立其他任務(wù)，一共創(chuàng)建了主任務(wù)、串口通信任務(wù)、圖形界面任務(wù)、按鍵任務(wù)、I2C總線讀寫EEPROM任務(wù)、SPI讀寫FLASH任務(wù)、網(wǎng)絡(luò)處理任務(wù)以及空閑任務(wù)和時(shí)間片任務(wù)。建立任務(wù)流程圖如圖6所示。

圖6 ?系統(tǒng)任務(wù)建立流程圖

3.1.2、網(wǎng)絡(luò)管理軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧采用uIP協(xié)議，相關(guān)硬件平臺(tái)初始化是STM32F417內(nèi)部以太網(wǎng)模塊的初始化和對(duì)DP83848PHY芯片的初始化設(shè)置，硬件初始化在BSP_Init（）函數(shù)中調(diào)用，并嵌套一個(gè)NetInit_Config（）用來初始化uIP協(xié)議棧、配置本機(jī)IP地址及端口號(hào)。

IP協(xié)議是簡(jiǎn)化的TCP/IP協(xié)議，主要包含IP、TCP、UDP、ICMP、ARP這些網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層協(xié)議，應(yīng)用層協(xié)議涉及HTTP、Telnet、WEB等服務(wù)。uIP協(xié)議棧構(gòu)架如圖7所示，uIP協(xié)議與底層驅(qū)動(dòng)的接口函數(shù)為uip_input（），與上層應(yīng)用程序的函數(shù)為UIP_APPCALL（）。在系統(tǒng)開始任務(wù)建立函數(shù)App_TaskStart（）中增加了從網(wǎng)絡(luò)設(shè)備讀取一個(gè)IP數(shù)據(jù)包，返回?cái)?shù)據(jù)長(zhǎng)度；定時(shí)查詢TCP連接收發(fā)狀態(tài)，ARP表更新，網(wǎng)絡(luò)接收完成傳遞信號(hào)量。具體代碼如下：

while（1）

{

uip_len=tapdev_read（）；

if（uip_len》0）OSSemPost（ETH_SEM）；

eth_poll（）；

OSTimeDlyHMSM（0，0，0，10）；

}

圖7 ?uIP協(xié)議棧接口架構(gòu)圖

M32F417內(nèi)部中斷實(shí)現(xiàn)。程序中設(shè)備作為服務(wù)器使用，設(shè)置本地IP為192.168.100.222，端口號(hào)為8011，網(wǎng)絡(luò)調(diào)試時(shí)，PC機(jī)上使用TCP/UDP測(cè)試工具，設(shè)置PC機(jī)為客戶端，連接方式為TCP方式，網(wǎng)絡(luò)連接成功如圖8所示。

圖8 ?PC機(jī)客戶端連接設(shè)備服務(wù)器

3.2、GPRS模塊軟件設(shè)計(jì)

GPRS模塊主要功能，如圖3所示，主控芯片通過串口1與主設(shè)備通信，通信協(xié)議為自定義的串口協(xié)議，串口2通過AT指令控制GPRS收發(fā)器，AT指令具體實(shí)現(xiàn)開關(guān)機(jī)，連網(wǎng)，短信接收與發(fā)送等功能。GPRS模塊程序流程如圖9所示。

圖9 GPRS模塊軟件流程圖

3.3、無線協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計(jì)

無線協(xié)調(diào)器的軟件包括ZigBee協(xié)議棧與客戶端程序兩部分，協(xié)調(diào)器上電后首先掃描信道，選擇一個(gè)合適的信道即合適的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)符，然后啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，允許傳感器設(shè)備連接。然后網(wǎng)關(guān)中的主設(shè)備通過串口與無線協(xié)調(diào)器連接，間接通過無線協(xié)調(diào)器與無線傳感器組連接。

ZigBee協(xié)議將2.4GHz的射頻頻段分為16個(gè)獨(dú)立的信道，每個(gè)設(shè)備都有一個(gè)默認(rèn)信道集，協(xié)調(diào)器掃描自己的默認(rèn)信道集并選擇一個(gè)噪聲最小的信道作為自己所建網(wǎng)絡(luò)的信道。程序流程如圖10所示。

圖10 協(xié)調(diào)器軟件流程圖

4、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將以上設(shè)計(jì)網(wǎng)關(guān)應(yīng)用于電流功率監(jiān)測(cè)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)中監(jiān)測(cè)對(duì)象為電源的電流和電壓，最后要計(jì)算出電源的功耗，監(jiān)測(cè)模塊的主控芯片通過模數(shù)轉(zhuǎn)換通道對(duì)電流和電壓進(jìn)行采集，模數(shù)轉(zhuǎn)換即AD采集的對(duì)象一般是電壓值，所以對(duì)電源的輸出電流需要轉(zhuǎn)換為電壓，監(jiān)測(cè)模塊使用MAX472將電流轉(zhuǎn)換為電壓，轉(zhuǎn)換電流電路如圖11所示。

圖11 ?電流轉(zhuǎn)換電路

5、結(jié)束語

針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)際應(yīng)用設(shè)計(jì)出的嵌入式網(wǎng)關(guān)，具有環(huán)境搭建簡(jiǎn)單容易，便于維護(hù)，成本低等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于智能家居、溫室控制、機(jī)房設(shè)備監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測(cè)等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中。嵌入式網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)理念及模型在對(duì)各種物理量的采集傳輸中都可以發(fā)揮作用，傳輸媒介也可以根據(jù)環(huán)境和安全需求更換傳輸媒介，傳輸協(xié)議也能夠依據(jù)需求發(fā)展自定義設(shè)計(jì)嵌入。