关于STM32的物联网嵌入式网关设计分析

张国伟

（晋中职业技术学院 山西 晋中 030600）

1 引言

随着时代的发展，物联网技术也获得了较快的发展。其中，物联网重要的一个实现即借助Internet网向用户的PC机以及手机上传传感器控制节点所收集数据，为了可使这一需求得以满足，需对网关设备进行设计，而这种设备不仅能够确保网络连接以及GPRS传输的实现，还能作为无线传感器网络协调器。作为一种服务器，物联网网关设备是传统通信网络以及物联网感知层连接的纽带，不仅可互联广域网，还可确保局域网互联的实现。此外，其拥有的系统管理极其的强大，可使成本有效降低。

2 系统的硬件设计

路由器和无线协调器、GPRS模块和嵌入式主设备都包括在嵌入式网关系统当中。从实质来讲，嵌入式的主设备一般借助网口来连接路由器，应用AT指令对GPRS模块进行控制，借助串口连接于GPRS模块。另外，借助串口向无线协调器发送指令，可间接地对无线传感器组进行控制。

2.1 主设备的硬件设计

STM32F417是嵌入式主设备的主控芯片，串口驱动电路和键盘操作、网口驱动电路和液晶显示电路都属外围硬件电路。ST公司在Contex-M4核基础上而开发的一种控制器即STM32F417，可提供4路串口。百兆以太网 MAC模块内置于其中，可以通过SPI总线外扩FLASH存储模块。该设计采用了串口液晶，而串口液晶无需对驱动电路进行设计，仅需应用到串口命令，显示页面和控件可以下载到液晶的FLASH中，结合设计的需要对GUI页面进行编写，用户可自行对本地网关设备进行设置[1]。

MAC模块内置于STM32F417中，要想确保网络传输的实现需对PHY芯片进行外扩，在操作和控制无线协调器时，可借助自定义协议和串口协议；连接GPRS模块的使用串口，通过AT指令的发送可让GPRS模块同网络相连接，并能确保开关机以及短信发送等操作的实现；TCP/IP协议用到了uIP协议栈，底层网络驱动可有效地操作PHY芯片[2]。

2.2 无线协调器的硬件设计

借助ZigBee网络传输，无线协调器能够向嵌入式主设备传输无线传感器组所收集到的数据，而通过串口，嵌入式的主设备能够向无线协调器发送控制命令，并间接的向无线传感器组发送。CC2430芯片是无线协调器所应用的主控芯片，这一芯片对ZigBee微控制器和内存以及射频前端进行了整合，可给ZigBee无线通信协议提供支持[3]。

2.3 GPRS模块的硬件设计

向用户手机传送传感器收集数据即GPRS模块的重要实现，借助手机，用户便能够远程地控制传感器。借助串口，GPRS模块便能够连接于嵌入式的主设备，LPC2103是GPRS模块采用的主控芯片，其可驱动控制GPRS收发器，并能够通过串口连接嵌入式的主设备[4]。

3 软件设计

GPRS模块和客户端软件、ZigBee协议栈和嵌入式的设备软件都属该设计当中的软件。

3.1 主设备的软件设计

借助网口连接以太网确保和远程PC机通信的实现，这就是嵌入式主设备功能。借助串口可对无线协调器和GPRS模块进行控制，而外接按键以及串口液晶屏可确保本地设置参数的实现[5]。

3.1.1 网络管理设计 系统的网络协议采用到了uIP协议，uIP协议是TCP/IP协议的简化，包括ARP和ICMP、UDP和TCP以及IP等等，而应用层协议涵盖WEB和Telnet以及HTTP等相关的服务[6]。

3.1.2 C/OS-II系统任务 C/OS-II系统任务需将任务建立起来，任务主要有统计时间的运行任务和网络处理任务、图形用户的接口任务和空闲任务、数据存储管理任务和系统任务以及串口任务等等，主程序于main（）入口函数集中，便可确保C/OS-II系统启动和节拍技术的设置、主任务的建立以及初始化硬件平台、C/OS-II系统的完成。

首先应建立起开始任务，而后再将其他的任务建立起来，总共要创建按键任务和串口通信任务、时间片任务和空闲任务以及主任务等等任务[7]。

3.2 无线协调器的软件设计

无线协调器软件有两个部分，包括客户端程序以及ZigBee协议栈两部分。实际中，把协调器通上电之后，为了对适当的网络标识符进行选择，首先便是对信道进行扫描，而后对网络进行启动，允许连接相关设备。之后，借助串口，网关主设备便可连接无线协调器，借助无线协调器，间接地连接于其他接口。针对2.4GHz射频频段，ZigBee协议划分成十六个独立信道，每一设备的信道集均有一个为默认，协调器对自身默认信道集进行扫描，而后对最小噪声信道进行选择，视为建立网络的信道。

3.3 GPRS模块的软件设计

借助串口1，主控芯片可通信于主设备，自定义串口协议即通信协议，而借助AT指令，串口2便可对GPRS收发器进行控制。从实质来讲，AT指令可确保短信发送和接受、连网和开关机等功能的实现。

4 实验结果

在相关监测的平台上运用到以上提到的设计网关，在监测时，把电源电压以及电源电流当作对象，最终要将电源所发生的功耗计算出来，借助模数转换通道，监测模块主控芯片可采集到电压以及电流。一般情况下要实现电源输出电流到电压的转换。此外，监测模块对MAX472进行使用，实现电流到电压的转换，最后借助网关传输向PC机传输功耗值和电压值以及电流值，保证电源功耗和电压以及输出电流实时监测的实现，并可设置本地网关以及距离较远的远程网关。

5 结语

综上所述，物联网设计运用的网关有多种优点，包括低成本、利于维护以及便于搭建等优势，因此广泛地在环境监测和机房的设备监控、温室控制和智能家居当中运用。在采集和传输多种物理量时，嵌入式网关模型和设计理念均可将作用发挥出来，结合相关的需求，传输媒介可进行转换传输协议可根据自身需求展开嵌入设计。比方说，在采集处理军工产品时，可结合环境需求使传输介质改变。综上所述，嵌入式的网关有非常客观的应用前景，有着多样且灵活的设计，不过要使是嵌入式网关的可靠安全以及兼容性得以保障，还需加大研究力度，还需付出更大的努力，这样才能够满足应用需求。

[1] 孟凡振，刘宏，汪明亮，等.用于物联网通信的低功耗唤醒接收机设计[J].西安电子科技大学学报（自然科学版），2017，44(2)：95-100.

[2] 孟凡振，刘宏，汪明亮，等.用于物联网的带滤波CMOS低功耗欠采样器设计[J].西安电子科技大学学报（自然科学版），2017，44(3)：108-113.

[3] 王兴华，贾栋，左韵琳，等.一种基于物联网的智能语音垃圾收集系统的设计[J].科技创新导报，2015，12(20)：42.

[4] 是德科技与应科院合作推出创新的窄带物联网设计和仿真解决方案[J].电子测量与仪器学报，2016，30(12)：1891.

[5] 陈长喜，许晓华.基于物联网的肉鸡可追溯与监管平台设计与应用[J].农业工程学报，2017，33(5)：224-231.

[6] 桑迎平，蔡晋辉，演鑫，等.基于物联网的轴承噪声测量仪管理系统[J].中国计量学院学报，2014，25(2)：155-159.

[7] 侯军，邱顶，王明生，等.基于物联网的医疗设备电气安全监控系统设计[J].医疗卫生装备，2015，36(1)：43-45，86.