基于STM32的iBeacon集中器設(shè)計(jì)

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(電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院，成都 611731)

基于STM32的iBeacon集中器設(shè)計(jì)

師敬旭，張紅雨，何超

(電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院，成都 611731)

針對(duì)iBeacon設(shè)備的管理問題，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于STM32的iBeacon集中器。集中器可以采集周圍的iBeacon數(shù)據(jù)包，并可通過串口、以太網(wǎng)或WiFi將數(shù)據(jù)包實(shí)時(shí)地轉(zhuǎn)發(fā)至用戶計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)管理iBeacon設(shè)備的功能。集中器硬件設(shè)計(jì)上選用了內(nèi)存大且通信接口豐富的STM32F407作為MCU，使集中器能讀取大量的iBeacon設(shè)備并通過多種方式轉(zhuǎn)發(fā)iBeacon數(shù)據(jù)包。軟件設(shè)計(jì)上應(yīng)用了循環(huán)FIFO隊(duì)列，實(shí)現(xiàn)iBeacon數(shù)據(jù)包的緩存。測(cè)試結(jié)果表明，集中器無丟包現(xiàn)象，穩(wěn)定可靠。

iBeacon；STM32；集中器；以太網(wǎng)；WiFi

引 言

iBeacon是蘋果公司于2013年發(fā)布的一項(xiàng)基于低功耗藍(lán)牙的無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，本文把任何支持iBeacon技術(shù)的設(shè)備統(tǒng)稱為iBeacon設(shè)備。iBeacon設(shè)備利用低功耗藍(lán)牙的廣播信道周期地發(fā)送自己特有的ID，接收到此ID的智能手機(jī)會(huì)喚醒相應(yīng)的應(yīng)用軟件執(zhí)行特定操作。目前，iBeacon設(shè)備的功能主要是室內(nèi)導(dǎo)航、信息推送和環(huán)境監(jiān)測(cè)。一個(gè)iBeacon系統(tǒng)部署后，緊跟著的就是維護(hù)問題。在iBeacon系統(tǒng)運(yùn)行期間，iBeacon設(shè)備丟失、人為損壞和沒電的情況經(jīng)常發(fā)生，因此需要維護(hù)人員定期地到現(xiàn)場(chǎng)檢查每一個(gè)設(shè)備的運(yùn)行情況。但這樣做不僅提高了系統(tǒng)成本，而且也不能及時(shí)地發(fā)現(xiàn)設(shè)備丟失或故障。為了解決iBeacon的分布應(yīng)用、多種網(wǎng)絡(luò)接口和管理等問題，本文基于STM32微控制器設(shè)計(jì)了一種iBeacon集中器。

1 iBeacon系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

iBeacon系統(tǒng)主要由iBeacon設(shè)備、iBeacon集中器和用戶計(jì)算機(jī)三部分組成。集中器通過低功耗藍(lán)牙與iBeacon設(shè)備通信，通過串口或路由器與用戶計(jì)算機(jī)通信。若局域網(wǎng)外的計(jì)算機(jī)需要連接iBeacon集中器，只需在路由器上設(shè)置端口映射即可。系統(tǒng)中，各iBeacon設(shè)備負(fù)責(zé)周期地發(fā)送帶有自己ID的iBeacon藍(lán)牙廣播包；iBeacon集中器負(fù)責(zé)掃描iBeacon設(shè)備和執(zhí)行用戶指令，實(shí)現(xiàn)低功耗藍(lán)牙、串口、以太網(wǎng)和WiFi協(xié)議的相互轉(zhuǎn)換；用戶計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)包并將其中的內(nèi)容解析后顯示。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 iBeacon系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 硬件設(shè)計(jì)

iBeacon集中器硬件系統(tǒng)主要由MCU、藍(lán)牙模塊、串口通信模塊、以太網(wǎng)模塊和WiFi模塊組成。硬件系統(tǒng)框架如圖2所示。

2.1 藍(lán)牙模塊

藍(lán)牙模塊負(fù)責(zé)掃描iBeacon設(shè)備，是集中器與iBeacon設(shè)備通信的接口。本文中的藍(lán)牙模塊是以低功耗藍(lán)牙芯片CC2540為核心設(shè)計(jì)的。CC2540內(nèi)置了增強(qiáng)型8051內(nèi)核，8 KB RAM，256 KB FLASH，擁有2個(gè)USART接口和一個(gè)USB接口。藍(lán)牙模塊使用串口與MCU連接，通過串口接收指令和轉(zhuǎn)發(fā)iBeacon數(shù)據(jù)包。

2.2 MCU

iBeacon集中器硬件系統(tǒng)框架如圖2所示，MCU需要擁有三個(gè)串口和一個(gè)RMII接口，同時(shí)，MCU還需要擁有大的內(nèi)存來緩存iBeacon數(shù)據(jù)包。

圖2 iBeacon集中器硬件系統(tǒng)框架

基于以上兩點(diǎn)要求，本文選取了STM32F407作為集中器的MCU。STM32F407主頻可達(dá)168 MHz，SRAM容量為128 KB，支持外擴(kuò)SRAM。此外，STM32F407有豐富的通信接口，包括4個(gè)USART通信接口、2個(gè)UART通信接口和一個(gè)10M/100M以太網(wǎng)接口等。綜上所述，無論是在內(nèi)存方面，還是在通信接口方面，STM32F407都完全滿足要求。

2.3 串口通信模塊

串口通信模塊負(fù)責(zé)與本地計(jì)算機(jī)通信，主要用于接收配置指令。當(dāng)集中器不能連接WiFi和以太網(wǎng)時(shí)，iBeacon數(shù)據(jù)包也可通過此模塊轉(zhuǎn)發(fā)至用戶計(jì)算機(jī)。由于現(xiàn)在大多數(shù)筆記本電腦沒有串口，因此本文采用USB轉(zhuǎn)串口芯片CH340實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與集中器的串口通信。

2.4 以太網(wǎng)模塊

以太網(wǎng)模塊負(fù)責(zé)連接路由器，需要將iBeacon數(shù)據(jù)包通過路由器轉(zhuǎn)發(fā)至用戶計(jì)算機(jī)，同時(shí)還需要接收用戶的控制指令。本文選用了低功耗的10 M/100 M以太網(wǎng)PHY層芯片LAN8720A實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信功能。此芯片通過RMII接口與MCU通信，可以通過自協(xié)商的方式確定與目的主機(jī)的連接速度和雙工模式；同時(shí)，此芯片支持HP Auto-MDIX自動(dòng)翻轉(zhuǎn)功能，無需更換網(wǎng)線即可將連接改為直接連接或交叉連接。

2.5 WiFi模塊

WiFi模塊負(fù)責(zé)連接附近的無線路由器，功能與以太網(wǎng)模塊相同。本文選用了低功耗WiFi模塊ATK-ESP8266實(shí)現(xiàn)WiFi通信功能，此模塊內(nèi)置了CPU內(nèi)核和TCP/IP協(xié)議棧，能夠獨(dú)立運(yùn)行也能夠作為適配器搭配其他MCU使用。作為WiFi適配器時(shí)，外部MCU可通過串口發(fā)送AT指令控制此模塊并傳輸數(shù)據(jù)。本文中將此模塊作為WiFi適配器使用，并使用AT指令與此模塊通信。

3 軟件設(shè)計(jì)

iBeacon集中器軟件系統(tǒng)主要由各芯片驅(qū)動(dòng)程序、協(xié)議棧和頂層控制程序組成，軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 iBeacon集中器軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖4 循環(huán)FIFO隊(duì)列

圖中的箭頭表示調(diào)用關(guān)系，上層軟件調(diào)用下層軟件完成相應(yīng)的功能。本文中藍(lán)牙協(xié)議棧使用TI公司針對(duì)CC2540/CC2541開發(fā)的BLE-Stack 軟件開發(fā)套件 BLE-CC254x-1.4.2.2實(shí)現(xiàn)，其中不僅包含藍(lán)牙芯片的驅(qū)動(dòng)程序，還包含低功耗藍(lán)牙應(yīng)用快速開發(fā)所需的所有軟件、示例應(yīng)用和文檔。由于WiFi芯片內(nèi)置了TCP/IP協(xié)議棧，所以圖3中的TCP/IP協(xié)議棧實(shí)際上代表了兩個(gè)TCP/IP協(xié)議棧，這兩個(gè)協(xié)議棧分別運(yùn)行在WiFi芯片和外部MCU上。本文中運(yùn)行在外部MCU上的TCP/IP協(xié)議棧使用LWIP實(shí)現(xiàn)，LwIP是一個(gè)小型開源的TCP/IP協(xié)議棧，有無操作系統(tǒng)的支持都可以運(yùn)行；重點(diǎn)是它對(duì)內(nèi)存的要求非常小，只需十幾KB的RAM就可以運(yùn)行，因此LwIP非常適合在無操作系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)中使用。

本文中軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)是設(shè)置一個(gè)循環(huán)FIFO隊(duì)列實(shí)現(xiàn)iBeacon數(shù)據(jù)包的緩存，隊(duì)列結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖5 數(shù)據(jù)包入隊(duì)流程圖

集中器每掃描到一個(gè)新的設(shè)備，就將該設(shè)備的數(shù)據(jù)包存放到隊(duì)尾后的空緩沖區(qū)中，直到隊(duì)滿為止。數(shù)據(jù)包的入隊(duì)操作是在串口中斷服務(wù)程序中完成的，程序中設(shè)置了一個(gè)接收緩存來暫存iBeacon數(shù)據(jù)包，當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)包接收完畢后就執(zhí)行入隊(duì)操作。程序工作流程圖如圖5所示。

集中器的頂層控制程序會(huì)定時(shí)地檢查FIFO隊(duì)列的狀態(tài)，如果隊(duì)列非空，則將隊(duì)首的數(shù)據(jù)包通過串口、以太網(wǎng)或WiFi轉(zhuǎn)發(fā)到用戶計(jì)算機(jī)，直到隊(duì)列變空為止。程序流程圖如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)包出隊(duì)流程

程序運(yùn)行中，用戶可以發(fā)送指令動(dòng)態(tài)地開啟或關(guān)閉串口、以太網(wǎng)和WiFi轉(zhuǎn)發(fā)功能。串口轉(zhuǎn)發(fā)可以在任意時(shí)刻開啟或關(guān)閉，但是以太網(wǎng)和WiFi轉(zhuǎn)發(fā)不能同時(shí)開啟，只能通過發(fā)送指令在這兩種模式下切換。

4 系統(tǒng)測(cè)試

本次測(cè)試是使用開發(fā)板來對(duì)集中器功能進(jìn)行驗(yàn)證的，測(cè)試中使用的硬件電路如圖7所示。

圖7 測(cè)試硬件電路

本文使用了一款專門管理iBeacon設(shè)備的上位機(jī)軟件，對(duì)集中器的串口轉(zhuǎn)發(fā)、以太網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)和WiFi轉(zhuǎn)發(fā)功能分別進(jìn)行了測(cè)試，在測(cè)試以太網(wǎng)和WiFi轉(zhuǎn)發(fā)功能時(shí)，集中器作為TCP服務(wù)器。測(cè)試結(jié)果表明，集中器可以通過串口、以太網(wǎng)或WiFi將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)至上位機(jī)軟件并能正確解析。上位機(jī)軟件中Sensor Data用于顯示數(shù)據(jù)包中的傳感器數(shù)據(jù)，本次測(cè)試并未使用傳感器，所以這部分區(qū)域顯示一個(gè)無效的字符。

結(jié) 語

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師敬旭(碩士研究生)，主要研究方向?yàn)榍度胧郊夹g(shù)和物聯(lián)網(wǎng)；張紅雨(高級(jí)工程師)，主要研究方向?yàn)樯漕l自動(dòng)識(shí)別、物聯(lián)網(wǎng)和嵌入式技術(shù)。

DesignofiBeaconConcentratorBasedonSTM32

ShiJingxu,ZhangHongyu,HeChao

(School of Electronic Engineering,University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu 611731,China)

Aiming at the problem of management of iBeacon devices,a iBeacon concentrator based on STM32 is designed in this paper.The concentrator can receive many iBeacon data packets and send it to user computer by the serial port,Ethernet and WiFi in real time.It can be used to manage lots of iBeacon devices.The concentrator uses STM32F407 as the core control chip which provides large memory and multiform communication interfaces.It can receive plenty of iBeacon data packets and send it to user computer in a variety of ways.On the software,the circular queue has been used to store iBeacon data packets temporarily.The test results show that there is no packet loss and the concentrator is stable and reliable.

iBeacon;STM32;concentrator;Ethernet;WiFi

TN923

A

2017-06-30)