用STM32和ESP8266实现的可扩展物联网系统*

2019-01-17，

单片机与嵌入式系统应用 2018年12期

，

(武汉科技大学信息科学与工程学院,武汉 430081)

引言

物联网是新一代信息技术的重要组成部分，通过智能组网、智能传输技术将传统网络的覆盖范围扩展到物与物的级别。当前物联网已发展成为对物体具有全面感知能力，对信息具有可靠传递和智能处理能力的连接物与物之间的信息网络[1]。STM32在原有的工业市场已经具有很好的基础，在其上发展加入更多的联接与云端的服务具有很大的市场成长空间[2]。本文在嵌入式应用最为典型STM32系列芯片的基础上，结合使用ESP8266网络通信芯片，通过软硬件设计，解决了嵌入式系统常见的运行时状态独立、数据传输缺乏实时性的问题，有效拓展了其联网应用能力。

1 系统框架组成

本系统主要分为三大模块：数据采集端、控制端、网络端。数据采集端是整个系统的数据入口，负责搜集传感器数据。网络端的主要功能是在网络上对数据进行展示，本文使用OneNET作为数据接入和管理平台，该平台同时提供了基于数据认证和保护机制的信息可视化服务，允许用户查看系统详细数据，并在任何时间接收通知[3]。控制端是本系统的核心，承担着数据接收、缓存、处理以及发送任务。系统架构如图1所示。

图1 系统框架图

2 主设备硬件设计

本系统的主要硬件组成如图2所示。其中，STM32F103ZE负责数据处理，由于其拥有112个可用的I/O端口，以及2个I2C接口和SPI接口、3个USART接口、一个USB接口和一个CAN接口，每个I/O均可接入相应外设[4]。所以根据需求可快速灵活地接入各种不同的外部设备，系统可实现的具体功能由所接入传感器的类型决定。ESP8266负责网络通信，具体采用了ESP8266 01S无线模块，该模块支持标准的 IEEE802.11 b/g/n 协议，此外还集成了包括天线开关、电源管理等硬件单元。不仅能解决单个系统中的网络连接问题，也可以避免节点到服务器通信中任何类型的故障[5]。ESP8266的传感器及其连接执行器通过网络进行监控和控制,现有设备可以用来加强对应功能并令其更加智能[6]。集成调试单元主要用于编码阶段的代码调试。状态指示单元用于工作状态监测。

图2 系统硬件组成图

ESP8266 01S无线模块与STM32F103ZE连接需要4个接口，具体设计如图3所示。

图3 ESP8266接线以及实物图

图5 ESP8266程序流程图

板载电源提供3.3 V和GND接口。MCU_RXD接口负责数据上传，MCU_TXD接口负责数据下载。ESP_TXD接主控制器芯片的PA2口，ESP_RXD接PA3口，二者均被配置为串口(USART2)。

3 系统软件设计

本系统的硬件程序采用C语言编写，软件部分包括硬件驱动、硬件间协调、数据处理以及格式化、数据转发等功能。此外，本系统中用到的EDP协议包由已在GitHub上开源OneNET云平台代码经过适当改进而来，数据传输基于该协议。

3.1 主函数程序设计

本系统的工作过程大致可分为硬件初始化、建立网络接、采集数据处理并转发三大过程，流程图如图4所示。

图4 Main函数流程图

3.2 ESP8266程序设计

ESP8266程序主要完成硬件层面的初始化以及软件层面的网络连接两大功能，其流程图如图5所示。

本文使用的ESP8266 01S与STM32F103ZE之间的通信采用基于AT指令的串口通信方式。串口是计算机上一种非常通用的通信协议，大多数计算机包含两个基于RS232的串口，串口同时也是仪器仪表设备通用的通信协议[7]。其初始化代码如下：

void NET_DEVICE_IO_Init(void){

GPIO_InitTypeDef gpioInitStruct;

gpioInitStruct.GPIO_Mode=GPIO_Mode_Out_PP;

gpioInitStruct.GPIO_Pin=GPIO_Pin_0;

//GPIOA0被定义为复位引脚

gpioInitStruct.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;

GPIO_Init(GPIOA,&gpioInitStruct);

NET_IO_Init();

//串口初始化

netDeviceInfo.reboot=0;

}

在I/O初始化完成后，需要进一步设置相应的AT指令，其中最为关键的两条指令如下：

#define ESP8266_WIFI_INFO "AT+CWJAP="PDCN","wxx960105" "

#define ESP8266_ONENET_INFO "AT+CIPSTART="TCP","183.230.40.39",876 "

AT+CWJAP指令的功能是连接无线WiFi指令，它有两个参数，分别是SSID以及对应的密码。只有正常接入网络才可以向网络服务器发送数据。AT+CIPSTART指令的功能是访问指定网络位置。它有三个参数，分别是通信协议类型、主机地址、端口号。ESP8266通过上述两条宏指令实现与远程服务器的连接。

3.3 数据处理程序设计

本系统产生的各种数据通过EDP协议进行传输。EDP (Enhanced Device Protocol)即增强设备协议，是OneNET平台根据物联网特点专门定制的完全公开的基于TCP的协议，被广泛应用到家居、物流、能源以及其他行业应用中[8]。

数据传送前需要对数据进行格式化处理。数据格式化的主要工作为封装信息属性和文件拆分。封装信息属性环节包括封装协议头和数据头。协议头指派采用对应协议格式传输，数据头向服务器传递诸如数据类型大小等信息，以便服务器正确处理数据。文件拆分传输包含以下几个环节：提取信息-拆分-传输-接收-组装-检查。接收组装和检查的过程由服务器端自动完成。综上所述，数据格式化的流程图如图6所示。