基于STM32的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

賴樹明,楊卓鑫,張麗娟,韓清濤,任 斌

（1、東莞理工學(xué)院 電子工程學(xué)院,廣東東莞,523808; 2、東莞理工學(xué)院 計(jì)算機(jī)學(xué)院,廣東東莞,523808）

0 引言

現(xiàn)在很多物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計(jì)比較簡單，接口比較單一，沒有多樣化，這樣在很多復(fù)雜的工業(yè)場合，比如很多工業(yè)場合會(huì)用不同的接口連接，但由于物聯(lián)網(wǎng)的一些設(shè)計(jì)比較單一，所以需要更換或者再另外買進(jìn)或者研發(fā)一些適合的通信技術(shù)，因此大大地增加了不便和投資成本。為了適應(yīng)不同的工業(yè)現(xiàn)場和降低投資的成本，我們研究了一款基于STM32設(shè)計(jì)的物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)應(yīng)用系統(tǒng)，該系統(tǒng)中聚集了RFID、傳感技術(shù)和多樣化接口的無線和有線通信技術(shù)，根據(jù)不同的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境選擇性的接入相應(yīng)的通信接口，這樣在不同的工業(yè)環(huán)境不需要重新研發(fā)相對應(yīng)的通信技術(shù)。這樣集成化的方式減少了大量的財(cái)力和物力，使物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)得到更好的發(fā)展和應(yīng)用。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

該物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)采用STM32作為控制芯片，綜合應(yīng)用了Zigbee、WIfi、GSM、藍(lán)牙、以太網(wǎng)、CAN總線、RS485、RS232、USB等有線和無線通信技術(shù)及RFID身份識別技術(shù)。系統(tǒng)的整體

通過各類傳感器和RFID對工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，再根據(jù)實(shí)際環(huán)境通過按鍵中斷選擇如上圖所示左邊的zigbee、wifi、以太網(wǎng)等傳送方式傳送到STM32處理，不同的通信模式數(shù)據(jù)將劃區(qū)域的存放到falsh中，再通過按鍵中斷選擇wifi、以太網(wǎng)、框架圖如下圖1所示：USB模式將有效的flash區(qū)域的數(shù)據(jù)傳送至PC機(jī)處理和控制；整個(gè)過程的通信模式都會(huì)通過液晶屏顯示出來。

圖1 系統(tǒng)的整體框架圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 總體硬件框圖

在上圖2中控制單元采用STM32F103XX基本型系列。它使用高性能的ARM CortexM3 32bit的RISC內(nèi)核，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器，工作頻率為72MHZ，CPU能以零等待周期訪問，豐富的增強(qiáng)型外設(shè)和I/O口連接到兩條APB外設(shè)。所有型號器件都包含1個(gè)12bit的ADC和3個(gè)通用的16bit定時(shí)器，還包含標(biāo)準(zhǔn)的通訊接口；2個(gè)IIC，2個(gè)SPI和3個(gè)USART。在上述硬件框圖中STM32是通過IO口模擬時(shí)序來控制CAN總線收發(fā)器和RFID存儲(chǔ)模塊；通過內(nèi)部的SPI通信接口與以太網(wǎng)模塊和flash存儲(chǔ)模塊通信；通過內(nèi)部的USART通信接口與RS485、GPRS、zigbee等模塊通信?？梢钥闯鰏tm32的內(nèi)部通信接口是不夠用的，因此通過74HC573鎖存器將其分時(shí)段的應(yīng)用。

3 軟件的設(shè)計(jì)

軟件采用C語言編寫，在keil環(huán)境下開發(fā)，應(yīng)用STM32將各個(gè)通信模塊方式匯集起來。

3.1 總體的軟件流程圖

如圖3所示，開始工作時(shí)，MCU的時(shí)鐘自動(dòng)設(shè)置并設(shè)置外部中斷，然后檢測外部中斷，若有外部中斷，則根據(jù)外部中斷設(shè)定進(jìn)行總線選擇性的初始化，然后根據(jù)初始化將采集進(jìn)來的數(shù)據(jù)存放到對應(yīng)的Flash數(shù)據(jù)區(qū)域，然后再將Flash中的數(shù)據(jù)讀出傳輸?shù)絇C機(jī)上，傳送完畢接著等待下一次外部中斷的發(fā)生。若沒有中斷發(fā)生，則根據(jù)初始化將采集進(jìn)來的數(shù)據(jù)存放到對應(yīng)的FLASH數(shù)據(jù)區(qū)域，并根據(jù)初始化將數(shù)據(jù)從FLASH中讀出傳輸?shù)絇C機(jī)中，然后回到判斷是否有外部中斷，并進(jìn)行循環(huán)。

圖3 總體的軟件流程圖

圖2 總體硬件框圖

3.1.1 zigbee協(xié)調(diào)器的軟件流程圖

如圖4所示，zigbee協(xié)調(diào)器工作時(shí)，先上點(diǎn)激活，然后開始信道主動(dòng)掃描，檢查是否收到信標(biāo)幀，若收到，則監(jiān)聽信標(biāo)幀，并選擇父節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)，選擇之后發(fā)送入網(wǎng)請求，若收到入網(wǎng)回復(fù)，則建立新子節(jié)點(diǎn)，意味著入網(wǎng)成功，若沒有收到入網(wǎng)回復(fù)，則判斷是否有沒申請的父節(jié)點(diǎn)，如果有則重新監(jiān)聽信標(biāo)幀，若沒有則入網(wǎng)失敗，所申請父節(jié)點(diǎn)作為冗余節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠模式；若之前沒有收到信標(biāo)幀，則信道掃描變?yōu)楸粍?dòng)模式，然后建立網(wǎng)絡(luò)，如果收到入網(wǎng)請求，自動(dòng)判斷地址空間是否滿了，如果滿了，則沒有地址空間，加入新子節(jié)點(diǎn)失敗，若地址空間沒有滿，則分配地址，并回復(fù)入網(wǎng)請求，回復(fù)成功后允許子節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)。

3.1.2 zigbee節(jié)點(diǎn)軟件流程圖

如圖5所示，開始工作時(shí)，設(shè)備自動(dòng)初始化，之后通過zigbee協(xié)調(diào)器的工作申請加入zigbee網(wǎng)絡(luò)，若加入之后與協(xié)調(diào)器綁定，就可以周期性發(fā)送數(shù)據(jù)。

3.1.3 以太網(wǎng)模塊的軟件流程圖

如圖6所示，工作時(shí)，ENC28J60的硬件自動(dòng)初始化，Uip協(xié)議網(wǎng)絡(luò)也開始初始化，初始化完畢，根據(jù)外部中斷判斷是否需要切換監(jiān)聽端口，如果需要，則改變監(jiān)聽端口，若不需要，則輪詢處理數(shù)據(jù)。處理數(shù)據(jù)結(jié)束，在判斷是否需要切換監(jiān)聽端口，繼續(xù)循環(huán)。

圖4 zigbee協(xié)調(diào)器的軟件流程圖

3.1.4 RFID的軟件流程圖

如圖7所示，開始工作時(shí)，MCU對時(shí)鐘開始配置，并對外設(shè)進(jìn)行初始化。初始化完畢，查詢串口是否有收到數(shù)據(jù)，如果有，則掃描從PC接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，并根據(jù)收到的數(shù)據(jù)執(zhí)行命令，然后設(shè)置IOSI4443A協(xié)議，并執(zhí)行防沖突算法用來識別標(biāo)簽，接著傳輸標(biāo)簽數(shù)據(jù)：如果沒有收到數(shù)據(jù)，直接設(shè)置協(xié)議，接著執(zhí)行防沖突算法，最后傳輸數(shù)據(jù)，傳輸數(shù)據(jù)完畢，再循環(huán)判斷查詢串口是否有收到數(shù)據(jù)。

3.1.5 USB軟件流程圖

如圖8所示，工作時(shí)，MCU對時(shí)鐘和外設(shè)接口開始配置，并配置usb中斷，然后對usb初始化。初始化結(jié)束，判斷發(fā)送緩沖區(qū)是否有數(shù)據(jù)，如果有數(shù)據(jù)，則發(fā)送數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理;如果沒有，則判斷接受緩沖區(qū)是否有數(shù)據(jù)，如果有，則接收數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，如果沒有，則循環(huán)回到判斷發(fā)送緩沖區(qū)是否有數(shù)據(jù)。

圖5 zigbee節(jié)點(diǎn)軟件流程圖

圖6 以太網(wǎng)模塊的軟件流程圖

圖7 RFID的軟件流程圖

圖8 USB軟件流程圖

3.1.6 CAN總線的軟件流程圖

如圖9所示，開始工作時(shí)，首先MCP2515初始化，并等待中斷，如果有中斷發(fā)生，則先關(guān)閉中斷，并讀取MCP2515的中斷標(biāo)志，用以判斷中斷類型，假如是發(fā)送中斷，則轉(zhuǎn)發(fā)送中斷處理子程序；假如是接受中斷，則轉(zhuǎn)接受中斷處理子程序：假如是錯(cuò)誤中斷，則轉(zhuǎn)錯(cuò)誤中斷處理子程序。之后進(jìn)行過濾匹配判斷，若不是，則進(jìn)行無效報(bào)文，如果是，則進(jìn)行處理請求，然后打開中斷允許，最后回到對MCP2515初始化循環(huán)。

3.1.7 GSM模塊的軟件流程圖

如圖10所示，工作時(shí)，對MCU串口和GSM模塊進(jìn)行初始化，并測試TCP/IP，如果測試不成功，則再進(jìn)行測試，如果成功，進(jìn)行TCP連接，并判斷是否連接成功，如果沒有，則不斷進(jìn)行連接，直到成功。成功后等待中斷，如果有中斷發(fā)生，則先關(guān)中斷，并讀取中斷標(biāo)志，然后判斷中斷類型，如果是發(fā)中斷，則發(fā)送數(shù)據(jù)；如果是接受中斷，則接受處理子程序，完畢之后，則打開中斷，并回到判斷中斷部分，進(jìn)行循環(huán)。

3.1.8 wifi的軟件流程圖

如圖11所示，開始工作時(shí)，對WIFI進(jìn)行初始化成為服務(wù)器工作狀態(tài)，然后檢查WIFI的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)并開始連接，接著CPU開始監(jiān)聽WIFI的數(shù)據(jù)情況，并判斷有沒有數(shù)據(jù)進(jìn)來。如果有數(shù)據(jù)進(jìn)來，則獲取數(shù)據(jù)到緩存器中，然后讀取WIFI在FLASH中的存儲(chǔ)地址并把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到FLASH中；如果沒有數(shù)據(jù)進(jìn)來，首先判斷是否發(fā)送數(shù)據(jù)，如果不是，則再次判斷有沒有數(shù)據(jù)進(jìn)來，如果是要發(fā)送數(shù)據(jù)，則先讀取FLASH的地址，然后獲取要發(fā)送的數(shù)據(jù)，然后通過串口把數(shù)據(jù)發(fā)送出去，最后回到判斷有沒有數(shù)據(jù)進(jìn)來，并進(jìn)行循環(huán)。

4 結(jié)束語

設(shè)計(jì)的一款基于STM32設(shè)計(jì)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)融合了RFID、多種無線有線通信、傳感器、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)。相比目前的一些物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在各方面都有了一定的提高，特別是通信接口方面涵蓋了多達(dá)10種有線無線通信接口，對于復(fù)雜的工作現(xiàn)場總線有了多種選擇。如何進(jìn)一步提高系統(tǒng)的抗干擾性，以滿足要求更高的場合是我們下一步的工作重點(diǎn)。

圖9 CAN總線的軟件流程圖

圖10 GSM模塊的軟件流程圖

圖11 wifi的軟件流程圖

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