论文研究-基于STM32的物联网嵌入式网关的设计.pdf

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针对物联网在智能传感器控制中的广泛应用,采用嵌入式技术,利用现代高速发展的网络平台设计了服务于物联网智能采集系统的嵌入式网关。嵌入式网关的系统由STM32F嵌入式主设备、路由器、GPRS模块及无线协调设备组成,主设备系统采用μC/OS-II操作系统,通过百兆网口与路由器连接;通过串口与GPRS模块及无线协调设备连接,从而实现数据的实时显示功能、历史数据存储功能、网关控制参数设定及查询功能、Internet网远程访问与控制功能、GPRS网远程访问与控制功能。
李晓丹:基于STM32的物联网嵌入式网关的设计 2015,51(4)63 制器,支持 ZigBee无线通信协议,工作频段在24GHzn 任务的建立 TaskSta 3系统软件设计 本设计中的软件包括运行于STM32F417上的嵌入 任务的创建 串口1任务 App Task Creat() OSTask CreatExt( Task Com1.) 式主没备软件、运行于CC2430上 ZigBee协议栈与客户 端软件及运行于LPC2103上的GPRS模块软件 串口2任务 OSTask crcatext( Task con2……) 31嵌入式主设备软件设计 嵌入式主设备软件以以COSI实时系统作为设备 串口3任务 I OSTask CreatExt( Task Com3.) 管理主程序框架,同时嵌入了uP协议栈作为 TCPIP协 议,嵌入式主设备的功能是通过网口与以太网连接实现 网络处理任务 (S'Task Creatl'xt(lask FI'l 与远程PC机的通信;外接串口液晶屏和按键实现本地 公数设置;通过串口控制GPRS模块及尤线协调器。主 图形界面任务 OSTask CreatExt( Task AppUserIF.) 设备系统软件设计如图5所示。 EEPROM读写仟务 用户应用程序 OSTask Creatext( task 12c 用户界面 任务问通讯 LASH读写任务 用户任务n OSTaskCreatExt( Task SPI.) uP系统应用层 键盘扫描 键盘任务 AP函数山P协议栈 OSTask CreatExt( Task Key .) 用户任务2 系统消息队列 主务 用户任务1 主循环 底层驱动函数 图6系统任务建立流程图 LCD刷新 系统任务 uIP协议是简化的TCP/IP协议,主要包含IP、TCP UDP、ICMP、ARP这些网络层和传输层协议,应用层协 邮箱消息量消总队列任务调度动态内存管理议涉及HTTP、Tmet、WEB等服务。山P协议栈构架如 图7所示,uP协议与底层驱动的接口函数为 uip input() 图5主设备软件设计 与上层应用程序的函数为 UIP APPCALL()。在系 311μC/OS-II系统任务 统开始任务建立函数 App TaskStart(中增加了从网络 COSⅡ系统建立任务,包含系统任务、图形川户设备读取一个P数据包,返回数据长度;定时查询TCP 接口任务、网络处理任务、冇储数椐管理任竻、串口任连接收发状态,ΔRP表吏新,刚终接收完成传递信号 务空闲任务、统计时间运行任务6 量。具体代码如下: 主程序集中在main()入口函数,完成μC/OS系统 while( 1 初始化、硬件平台初始化、建立主任务、设置节拍计数以 及启动μCOS-I系统等。 uip len=tapley rcad(): 开始任务建立通过 App TaskStart()函数完成,再由 if uip len>0)OSSem PoSt(ETH SEM) 该函数调用 App Task creat(建立其他任务,共创建 eth poll(); 了主任务、串口通信任务、图形界面任务、按健任务、TC OSTime DlyHIMSM(0, 0, 0, 10) 总线读写 EEPROM任务、SP读写 FLASH任务、网络处 理任务以及空闲任务和时间片任务。建立任务流程图 应用程序 如图6所示。 UIP APPCALLO 3.12网络管理软件设计 系统网络协议栈采用uP协议,相关硬件平台初始化 uP协议栈 是STM32F417内部以太树模块的初始化和对DP83848PHY UIP INPUTO) UIP PERIODIC( 芯片的初始化设置,硬件初始化在 bSP nit()函数中调 网络设备驱动系统定时器 用,并嵌套一个 NetInit Config(用来初始化uP协议栈、 底 配置本机IP地址及端口号 图7um协议栈接架构图 64 015,51(4) Computer Engineering and4 pplications计算机工程与应用 其中 eth poll)用于定时查询TP连接状态,ARP设备连接。然后网关中的主设备通过串口与无线协调 表更新并响应。 器连接,间接通过无线协调器与无线传感器组连接"12 在 App task creat()调川的网络处理任务函数 Zigbee协议将24GHz的射频频段分为16个独立 Task eth(中嵌套了 uippro(函数,主要用于实现中断的信道,每个设备都有一个默认信道集,协调器扫描自 触发读取网络接收缓存等功能。网络接收中断是己的默认信道集并选择一个噪声最小的信道作为自已 STM32F417内部中断实现。 所建网络的信道。程序流程如图10所示。 程序中设备作为服务器使用,设置本地IP为 开始 192.168.100.222,端口号为8011,网络调试时,PC机上 使用TCP/UDP测试工具,设置PC机为客户端,连接方 关中断 式为TCP方式,网络连接成功如图8所示。 检测芯片电压 ◆ 初始化 品 任务1:MAC层处理函数,有事件要处理否? 转来中 计和证 任务2:网络层处理函数,有事件要处理否? 广 -任务3:抽象层处理函数,有事件要处理否 任务啁度处理函效,有事件要处理否 图8PC机客户端连接设备服务器 32GPRS模块软件设计 任务4:应用帧处理函数,有事件要处理否? GPRS模块主要功能,如图3所示,主控芯片通过串 口1与主设备通信,通信协议为白定义的串口协议,串 ∏2通过AT指令控制GPRS收发器,AT指令具体实现 任务5: Zigbee设备应用层有事件要处理香 开关机,连网,短信接收与发送等功能"。GPRS模块 程序流程如图9所示。 任务6:应用层处理函数,有事件要处理否 开始 初始化 图10协调器软件流程图 开中断 4实验结果 将以上设计网关应用于电流功率监测平台,实验中 查找网络并连接 监测对象为电源的电流和电压,最后要计算出电源的功 耗监测模块的主控芯片通过模数转换通道对屯流和电 接收并解析主]「接收并解析 压进行采集,模数转换即AD采集的对象一般是电压 设备命令协议GPRS数据 值,所以对屯源的输出电流需要转换为屯压,监测模块 时发送心跳包 使川MAX472将电流转换为电压,转换电流电路如图 11所示。 图9GPRS模块软件流程图 图11中监测对象电源的电流从1端输入,通过 33无线协调器软件设计 MAX472转换,将电流值转换为电压值,转换后的输出 无线协调器的软件包括 ZigBee tj议栈与客户端程电压值为v,由于还需要测量电源的输出电压,电源 序两部分,协调器上电后首先扫描信道,选择一个合适电压经过R2和R分压后输出为von,测量的电压需 的信道即合适的树络标识符,然后启动网络,允许传感器要分压主要是因为AD转换需要低于参考电压的电压 李晓丹:基于STM32的物联网嵌入式网关的设计 2015,51(4)6 量的采集传输中都可以发挥作用,传输媒介也可以根据 R 输入电流 乏Rn 环境和安全需求更换传输媒介,传输协议也能够依据需 mn求发展自定义设计嵌入。比如,随着物联网的发展,网 Ro:i 络应用环境会越来越复杂,还会涉及到网络安全等问 电源 题,嵌入式网关的设计也要与时俱进,嵌入网络安全协 3MAX4726 ER。 议等;在针对一些军工产品的采集处理时,可以根据环 境需求改变传输介质,例如使用微波,这时只需要将网 关的协调器换为微波接收的设备,再与嵌入式网关完成 组网便可以实现。总之,这种嵌入式网关应用前景广 图11电流转换电路 泛、设计灵活多样,但要设计出兼容性强、使用安全可靠 的嵌入式网关还需要继续研究努力。 输入值,一般这个参考电压都不高于芯片的工作电压 通过对Ht和Hon的电压值进行采集计算,最终根据参考文献: 计算出电源的输出电流值 [1]彭晓玬.关于物联网技术发展与应用前景的研究门汕头科 Veyt x(rgl+Rga) R×R (1 [2 Aruoma o I The impact of food regulation on the food 然后V。2与lod相乘计算出电源的功耗值。最终 supply chain[]. Toxicology, 2006, 211:119-127 将电流值、电压值及功耗值通过网关传输到PC机,如图[3JST.STM32F417 xx user manual[Z,Rev3,2012. 12所示为针对这一平台设计简单的PC机用户界面,实[4]张佐经,吴旭光基于GPS和GPRS模块的车载导航定位系 现了实时监测电源的输出电流、电压及功耗,并能远程 统设计[计算机测量与控制,2008,16(7):997-999 或本地进行网关的设置。 [5] Labrosse j j.μCOSI源仍公开的实时嵌入式操作系 统[M]邵贝贝,译北京:中国电力出版社,2001 [6]刘波文,孙岩标准号嵌入式实吋操作系统μCOSⅡ经典实 例:基于STM32处理器M]北京:北京航空航天大学出版 社,2012(5):382-416 [7]孟松基于嵌入式系统的TCPP协议栈的实现[J通信系 统与网终技术,2007,33(4):8-10. 打离 [8 Dunkels A Full TCP/ip for 8-bit architectures[C]/Proc of 于 MobiSys03-lst International Conference on Mobile Sys 查 tems, Applications, and Services, San Francisco, California 2003:287-301 [9 Dunkels A. The uIP embedded TCP/IP stack[Z].Rev1.0 上潭 Sweden: Swedish Institute of Computer, 2006 H MREF-O [10]宋健,王直杰,张钰基于 windOwSCENet下的GPRS模 块的研究与井发[嵌入式操作系统应用,2006,22(2): 一 86-87 [1]刑锐基于ARM处理器的 Zigbee网关设计[长春:长春 理工人学,2011 [12]王东亮基于 Zigbee的wSN研宽与应用[D]长春:吉林大 率F 拉世直数思 学,2008 13]李宁基于MDK的STM32处理器开发应用[M]北京:北 图12远程监控界闻 京航空航天大学出版社,2008 14]高巍,殷小贡.用 GPRS modern实现嵌入式 Internet接入 5结束语 系统[J单片机与嵌入式系统应用,2005(1):63-66 针对物联网实际应用设计出的嵌入式网关,具有环15] Mills d1. Nctwork time protocol( vcrsion3) pecification 境搭建简单容易,便于维护,成本低等特点,泛应用于 implementation and analysis, RFCI305[R. Delaware: Uni 智能家居、温室控制、机房设备监控、环境监测等物联网 versity of Delaware, 1992 应用中。嵌入式网关的设计理念及模型在对各种物理16]sTTM32F417X× uscr manual(7]Rev3,2012

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