1、引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的飛速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術中一個重要的實現(xiàn)就是要將各類傳感器控制節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)通過Internet網(wǎng)上傳到用戶手機或者PC機，為了滿足這一需求，需要設計出一種既能作為無線傳感器網(wǎng)絡的協(xié)調(diào)器，又能實現(xiàn)遠程GPRS傳輸和網(wǎng)絡連接的網(wǎng)關設備。

針對以上需求，本設計采用STM32F417作為主設備控制芯片，片上運行μC/OS-II實時系統(tǒng)作為設備管理系統(tǒng)，使用uIP作為TCP/IP網(wǎng)絡協(xié)議棧，主設備同時具有鍵盤操作及顯示功能，可以進行本地設置，也可以使用PC機遠程設置。嵌入式網(wǎng)關中的GPRS模塊通過串口與嵌入式主設備相連，無線協(xié)調(diào)器通過串口將采集來的數(shù)據(jù)上傳到嵌入式主設備，主設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)硬件設計

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

圖1  嵌入式網(wǎng)關系統(tǒng)框圖

嵌入式主設備通過網(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、嵌入式主設備硬件設計

嵌入式設備硬件平臺主要由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)動電路，鍵盤操作和串口驅(qū)動電路。硬件電路框圖如圖2所示。

圖2  嵌入式主設備硬件電路框圖

本設計中采用串口液晶，串口液晶無需設計復雜的驅(qū)動電路，只需要串口命令對其控制，顯示頁面和控件可以到液晶的FLASH中，根據(jù)設計需要編寫GUI界面。鍵盤操作主要為用戶提供本地設置網(wǎng)關設備的功能。

STM32F417內(nèi)置MAC模塊，要實現(xiàn)網(wǎng)絡傳輸需要外擴一片PHY芯片，底層網(wǎng)絡驅(qū)動就是對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指令來實現(xiàn)對GPRS模塊連接網(wǎng)絡，發(fā)送短信，開關機等操作；對無線協(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模塊硬件設計

GPRS模塊主要實現(xiàn)將傳感器采集來的數(shù)據(jù)上傳給用戶手機，用戶可以通過手機對傳感器進行遠程控制。GPRS模塊通過串口與嵌入式主設備相連。硬件設計框圖如圖3所示。

圖3  GPRS模塊硬件設計框圖

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

2.3、無線協(xié)調(diào)器硬件設計

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)絡傳輸給嵌入式主設備，嵌入式主設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)器硬件設計框圖

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)軟件設計

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

3.1、嵌入式主設備軟件設計

嵌入式主設備軟件以μC/OS-II實時系統(tǒng)作為設備管理主程序框架，同時嵌入了uIP協(xié)議棧作為TCP/IP協(xié)議，嵌入式主設備的功能是通過網(wǎng)口與以太網(wǎng)連接實現(xiàn)與遠程PC機的通信；外接串口液晶屏和按鍵實現(xiàn)本地參數(shù)設置；通過串口控制GPRS模塊及無線協(xié)調(diào)器。主設備系統(tǒng)軟件設計如圖5所示。

圖5  主設備軟件設計

3.1.1、μC/OS-II系統(tǒng)任務

μC/OS-II系統(tǒng)建立任務，包含系統(tǒng)任務、圖形用戶接口任務、網(wǎng)絡處理任務、存儲數(shù)據(jù)管理任務、串口任務、空閑任務、統(tǒng)計時間運行任務。

主程序集中在main（）入口函數(shù)，完成μC/OS-II系統(tǒng)初始化、硬件平臺初始化、建立主任務、設置節(jié)拍計數(shù)以及啟動μC/OS-II系統(tǒng)等。

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

圖6  系統(tǒng)任務建立流程圖

3.1.2、網(wǎng)絡管理軟件設計

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

IP協(xié)議是簡化的TCP/IP協(xié)議，主要包含IP、TCP、UDP、ICMP、ARP這些網(wǎng)絡層和傳輸層協(xié)議，應用層協(xié)議涉及HTTP、Telnet、WEB等服務。uIP協(xié)議棧構(gòu)架如圖7所示，uIP協(xié)議與底層驅(qū)動的接口函數(shù)為uip_input（），與上層應用程序的函數(shù)為UIP_APPCALL（）。在系統(tǒng)開始任務建立函數(shù)App_TaskStart（）中增加了從網(wǎng)絡設備讀取一個IP數(shù)據(jù)包，返回數(shù)據(jù)長度；定時查詢TCP連接收發(fā)狀態(tài)，ARP表更新，網(wǎng)絡接收完成傳遞信號量。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)部中斷實現(xiàn)。程序中設備作為服務器使用，設置本地IP為192.168.100.222，端口號為8011，網(wǎng)絡調(diào)試時，PC機上使用TCP/UDP測試工具，設置PC機為客戶端，連接方式為TCP方式，網(wǎng)絡連接成功如圖8所示。

圖8  PC機客戶端連接設備服務器

3.2、GPRS模塊軟件設計

GPRS模塊主要功能，如圖3所示，主控芯片通過串口1與主設備通信，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指令具體實現(xiàn)開關機，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)器軟件設計

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，選擇一個合適的信道即合適的網(wǎng)絡標識符，然后啟動網(wǎng)絡，允許傳感器設備連接。然后網(wǎng)關中的主設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個獨立的信道，每個設備都有一個默認信道集，協(xié)調(diào)器掃描自己的默認信道集并選擇一個噪聲的信道作為自己所建網(wǎng)絡的信道。程序流程如圖10所示。

圖10 協(xié)調(diào)器軟件流程圖

4、實驗結(jié)果

將以上設計網(wǎng)關應用于電流功率監(jiān)測平臺，實驗中監(jiān)測對象為電源的電流和電壓，要計算出電源的功耗，監(jiān)測模塊的主控芯片通過模數(shù)轉(zhuǎn)換通道對電流和電壓進行采集，模數(shù)轉(zhuǎn)換即AD采集的對象一般是電壓值，所以對電源的輸出電流需要轉(zhuǎn)換為電壓，監(jiān)測模塊使用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

針對物聯(lián)網(wǎng)實際應用設計出的嵌入式網(wǎng)關，具有環(huán)境搭建簡單容易，便于維護，成本低等特點，廣泛應用于智能家居、溫室控制、機房設備監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測等物聯(lián)網(wǎng)應用中。嵌入式網(wǎng)關的設計理念及模型在對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)展自定義設計嵌入。