基于STM32的物联网系统的设计

2015-05-15赖树明杨卓鑫张丽娟韩清涛

电子测试 2015年8期

赖树明,杨卓鑫,张丽娟,韩清涛,任斌

（1、东莞理工学院电子工程学院,广东东莞,523808; 2、东莞理工学院计算机学院,广东东莞,523808）

0 引言

现在很多物联网的设计比较简单，接口比较单一，没有多样化，这样在很多复杂的工业场合，比如很多工业场合会用不同的接口连接，但由于物联网的一些设计比较单一，所以需要更换或者再另外买进或者研发一些适合的通信技术，因此大大地增加了不便和投资成本。为了适应不同的工业现场和降低投资的成本，我们研究了一款基于STM32设计的物联网开发应用系统，该系统中聚集了RFID、传感技术和多样化接口的无线和有线通信技术，根据不同的工业现场环境选择性的接入相应的通信接口，这样在不同的工业环境不需要重新研发相对应的通信技术。这样集成化的方式减少了大量的财力和物力，使物联网技术得到更好的发展和应用。

1 系统的总体设计

该物联网系统采用STM32作为控制芯片，综合应用了Zigbee、WIfi、GSM、蓝牙、以太网、CAN总线、RS485、RS232、USB等有线和无线通信技术及RFID身份识别技术。系统的整体

通过各类传感器和RFID对工业现场数据进行采集，再根据实际环境通过按键中断选择如上图所示左边的zigbee、wifi、以太网等传送方式传送到STM32处理，不同的通信模式数据将划区域的存放到falsh中，再通过按键中断选择wifi、以太网、框架图如下图1所示：USB模式将有效的flash区域的数据传送至PC机处理和控制；整个过程的通信模式都会通过液晶屏显示出来。

图1 系统的整体框架图

2 系统硬件设计

2.1 总体硬件框图

在上图2中控制单元采用STM32F103XX基本型系列。它使用高性能的ARM CortexM3 32bit的RISC内核，内置高速存储器，工作频率为72MHZ，CPU能以零等待周期访问，丰富的增强型外设和I/O口连接到两条APB外设。所有型号器件都包含1个12bit的ADC和3个通用的16bit定时器，还包含标准的通讯接口；2个IIC，2个SPI和3个USART。在上述硬件框图中STM32是通过IO口模拟时序来控制CAN总线收发器和RFID存储模块；通过内部的SPI通信接口与以太网模块和flash存储模块通信；通过内部的USART通信接口与RS485、GPRS、zigbee等模块通信。可以看出stm32的内部通信接口是不够用的，因此通过74HC573锁存器将其分时段的应用。

3 软件的设计

软件采用C语言编写，在keil环境下开发，应用STM32将各个通信模块方式汇集起来。

3.1 总体的软件流程图

如图3所示，开始工作时，MCU的时钟自动设置并设置外部中断，然后检测外部中断，若有外部中断，则根据外部中断设定进行总线选择性的初始化，然后根据初始化将采集进来的数据存放到对应的Flash数据区域，然后再将Flash中的数据读出传输到PC机上，传送完毕接着等待下一次外部中断的发生。若没有中断发生，则根据初始化将采集进来的数据存放到对应的FLASH数据区域，并根据初始化将数据从FLASH中读出传输到PC机中，然后回到判断是否有外部中断，并进行循环。

图3 总体的软件流程图

图2 总体硬件框图

3.1.1 zigbee协调器的软件流程图

如图4所示，zigbee协调器工作时，先上点激活，然后开始信道主动扫描，检查是否收到信标帧，若收到，则监听信标帧，并选择父节点入网，选择之后发送入网请求，若收到入网回复，则建立新子节点，意味着入网成功，若没有收到入网回复，则判断是否有没申请的父节点，如果有则重新监听信标帧，若没有则入网失败，所申请父节点作为冗余节点进入休眠模式；若之前没有收到信标帧，则信道扫描变为被动模式，然后建立网络，如果收到入网请求，自动判断地址空间是否满了，如果满了，则没有地址空间，加入新子节点失败，若地址空间没有满，则分配地址，并回复入网请求，回复成功后允许子节点入网。

3.1.2 zigbee节点软件流程图

如图5所示，开始工作时，设备自动初始化，之后通过zigbee协调器的工作申请加入zigbee网络，若加入之后与协调器绑定，就可以周期性发送数据。

3.1.3 以太网模块的软件流程图

如图6所示，工作时，ENC28J60的硬件自动初始化，Uip协议网络也开始初始化，初始化完毕，根据外部中断判断是否需要切换监听端口，如果需要，则改变监听端口，若不需要，则轮询处理数据。处理数据结束，在判断是否需要切换监听端口，继续循环。

图4 zigbee协调器的软件流程图

3.1.4 RFID的软件流程图

如图7所示，开始工作时，MCU对时钟开始配置，并对外设进行初始化。初始化完毕，查询串口是否有收到数据，如果有，则扫描从PC接收数据缓冲区，并根据收到的数据执行命令，然后设置IOSI4443A协议，并执行防冲突算法用来识别标签，接着传输标签数据：如果没有收到数据，直接设置协议，接着执行防冲突算法，最后传输数据，传输数据完毕，再循环判断查询串口是否有收到数据。

3.1.5 USB软件流程图

如图8所示，工作时，MCU对时钟和外设接口开始配置，并配置usb中断，然后对usb初始化。初始化结束，判断发送缓冲区是否有数据，如果有数据，则发送数据，并对数据进行处理;如果没有，则判断接受缓冲区是否有数据，如果有，则接收数据，并对数据进行处理，如果没有，则循环回到判断发送缓冲区是否有数据。

图5 zigbee节点软件流程图

图6 以太网模块的软件流程图

图7 RFID的软件流程图

图8 USB软件流程图

3.1.6 CAN总线的软件流程图

如图9所示，开始工作时，首先MCP2515初始化，并等待中断，如果有中断发生，则先关闭中断，并读取MCP2515的中断标志，用以判断中断类型，假如是发送中断，则转发送中断处理子程序；假如是接受中断，则转接受中断处理子程序：假如是错误中断，则转错误中断处理子程序。之后进行过滤匹配判断，若不是，则进行无效报文，如果是，则进行处理请求，然后打开中断允许，最后回到对MCP2515初始化循环。

3.1.7 GSM模块的软件流程图

如图10所示，工作时，对MCU串口和GSM模块进行初始化，并测试TCP/IP，如果测试不成功，则再进行测试，如果成功，进行TCP连接，并判断是否连接成功，如果没有，则不断进行连接，直到成功。成功后等待中断，如果有中断发生，则先关中断，并读取中断标志，然后判断中断类型，如果是发中断，则发送数据；如果是接受中断，则接受处理子程序，完毕之后，则打开中断，并回到判断中断部分，进行循环。

3.1.8 wifi的软件流程图

如图11所示，开始工作时，对WIFI进行初始化成为服务器工作状态，然后检查WIFI的网络状态并开始连接，接着CPU开始监听WIFI的数据情况，并判断有没有数据进来。如果有数据进来，则获取数据到缓存器中，然后读取WIFI在FLASH中的存储地址并把数据存储到FLASH中；如果没有数据进来，首先判断是否发送数据，如果不是，则再次判断有没有数据进来，如果是要发送数据，则先读取FLASH的地址，然后获取要发送的数据，然后通过串口把数据发送出去，最后回到判断有没有数据进来，并进行循环。

4 结束语

设计的一款基于STM32设计的物联网系统，该系统融合了RFID、多种无线有线通信、传感器、互联网等技术。相比目前的一些物联网技术在各方面都有了一定的提高，特别是通信接口方面涵盖了多达10种有线无线通信接口，对于复杂的工作现场总线有了多种选择。如何进一步提高系统的抗干扰性，以满足要求更高的场合是我们下一步的工作重点。