基于硬件TCP/IP協(xié)議的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

沈翔

摘 要：針對小型智能家居等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景，基于STM32嵌入式處理器及硬件TCP/IP協(xié)議網(wǎng)絡(luò)芯片W5500等，設(shè)計(jì)了一種支持RJ 45，WiFi，藍(lán)牙等多種接入方式的小型網(wǎng)關(guān)，分析網(wǎng)關(guān)的技術(shù)架構(gòu)，闡明主要軟、硬件模塊以及接入Yeelink云端應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)方法。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)關(guān);W5500;RJ 45;WiFi;藍(lán)牙;TCP/IP協(xié)議;Yeelink云平臺

中圖分類號：TP39;TN274文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2095-1302（2019）10-00-03

0 引 言

小型智能家居應(yīng)用系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)流量較小，接入方式多樣，對成本要求較高，功能上一般比較精簡?，F(xiàn)今市面上的網(wǎng)關(guān)大多采用高端嵌入式處理器加操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)，預(yù)置有豐富的應(yīng)用軟件，配置較高，導(dǎo)致成本高，不太適用于小型智能家居等應(yīng)用場合[1]。本文旨在利用高性價(jià)比STM32嵌入式處理器與基于硬件TCP/IP協(xié)議的W5500以太網(wǎng)芯片等多種接入模塊，實(shí)現(xiàn)成本低廉、接入方式多樣的智能家居網(wǎng)關(guān)。

1 技術(shù)架構(gòu)

智能家居網(wǎng)關(guān)的核心功能是路由與控制，需要通過WiFi，藍(lán)牙，RJ 45，RS 485等接入方式與終端產(chǎn)品進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)配置、路由管理、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、遠(yuǎn)程控制等功能[2]。本文設(shè)計(jì)以小型智能家居應(yīng)用系統(tǒng)為應(yīng)用對象，以低成本、快速開發(fā)、多方式接入為主要需求點(diǎn)。根據(jù)功能需求，規(guī)劃設(shè)計(jì)的技術(shù)架構(gòu)如圖1所示。

網(wǎng)關(guān)硬件以STM32F103CBT6處理器為核心，外擴(kuò)W5500以太網(wǎng)模塊、ESP8266 WiFi模塊、HC-05藍(lán)牙模塊等，以便接入具有多種通信方式的智能家居終端產(chǎn)品，并在網(wǎng)關(guān)完成協(xié)議轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。其中，以太網(wǎng)模塊選用W5500以太網(wǎng)控制器實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。W5500是WIZnet公司開發(fā)的一款以太網(wǎng)控制器，它采用全硬件TCP/IP協(xié)議棧架構(gòu)，集成了10/100 M以太網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層（MAC）及物理層（PHY），支持TCP，UDP，ICMP，ARP，IPv4，IGMP 及PPPoE協(xié)議，能提供8個(gè)獨(dú)立的硬件Socket通信客戶端，使得用戶使用單芯片就能夠在應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)連接，縮短了開發(fā)周期，減少了成本[3]。

（1）網(wǎng)關(guān)軟件基于輕量級嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-III實(shí)現(xiàn)。

（2）底層包含W5500以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)、HC-05藍(lán)牙驅(qū)動(dòng)、ESP8266 WiFi驅(qū)動(dòng)，以及其他I/O外設(shè)驅(qū)動(dòng)。

（3）應(yīng)用層則根據(jù)業(yè)務(wù)需求實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)配置、協(xié)議轉(zhuǎn)換、路由管理、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、遠(yuǎn)程控制等。

2 主要硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 主控模塊

主控模塊主要完成協(xié)議轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能。本文設(shè)計(jì)采用基于M3內(nèi)核的STM32F103CBT6芯片作為核心處理單元，設(shè)計(jì)時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、啟動(dòng)模式選擇電路、SWD仿真調(diào)試電路等[4]。

2.2 W5500以太網(wǎng)模塊

基于W5500的以太網(wǎng)模塊電路如圖2所示，由W5500芯片、10 bit/100 bit網(wǎng)絡(luò)工作模式選擇電路、25 MHz時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、SPI接口及電源濾波電路構(gòu)成。其中，W5500的 SCSn，SCLK，MISO，MOSI分別與STM32F103CBT6的PA4，PA5，PA6，PA7連接，作為從機(jī)基于SPI接口與STM32F103CBT6的主機(jī)通信;W5500通過差分信號TX+，TX-，RX+和RX-連接隔離變壓器的RJ 45接口，與其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實(shí)現(xiàn)串行傳輸。

2.3 WiFi及藍(lán)牙模塊

WiFi及藍(lán)牙模塊電路如圖3所示。WiFi模塊由ESP8266 WiFi模塊及其電源控制電路構(gòu)成，藍(lán)牙模塊采用HC-05實(shí)現(xiàn)，兩者均采用2線串口與STM32主控模塊連接，并通過AT指令進(jìn)行模塊初始化配置與數(shù)據(jù)通信。最終形成的網(wǎng)關(guān)實(shí)物如圖4所示。

3 硬件驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

3.1 W5500網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序

W5500是基于硬件TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)芯片，通過STM32配置W5500的SPI接口及相關(guān)寄存器就可實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)的連接。W5500驅(qū)動(dòng)程序流程如圖5所示。初始化W5500需設(shè)置模式寄存器（MR）、中斷屏蔽寄存器（IMR）、重發(fā)時(shí)間寄存器（RTR）、重發(fā)次數(shù)寄存器（RCR）;建立網(wǎng)絡(luò)通信需配置本機(jī)硬件地址寄存器（SHAR）、網(wǎng)關(guān)地址寄存器（GAR）、子網(wǎng)掩碼寄存器（SUBR）、本機(jī)IP地址寄存器[5]（SIPR）。

3.2 WiFi及藍(lán)牙串口驅(qū)動(dòng)程序

STM32F103CBT6共有三個(gè)可獨(dú)立使用的串口。本文設(shè)計(jì)中，COM1留作備用，可連接PC或其他串口設(shè)備;COM2與COM3分別連接WiFi與藍(lán)牙模塊。串口配置流程如圖6所示，設(shè)計(jì)時(shí)鐘配置、I/O重映射，設(shè)置Tx，Rx的I/O功能模式及I/O的Speed，初始化串口模塊，使能發(fā)送和接收中斷，以及使能串口等。

4 應(yīng)用案例

基于前述網(wǎng)關(guān)及Yeelink云平臺，可構(gòu)建簡單的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)。下面以采集一路環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)，并通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳至Yeelink云平臺，再通過網(wǎng)頁或APP訪問相關(guān)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程溫濕度采集系統(tǒng)為例，介紹具體實(shí)現(xiàn)過程。首先按圖7所示構(gòu)建溫濕度管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由溫濕度傳感器DHT11（前述STM32網(wǎng)關(guān)板載傳感器）、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境及Yeelink云平臺組成。

搭建好硬件后，按照“初始化DHT11，W5500→配置網(wǎng)絡(luò)連接參數(shù)→讀取DHT11溫濕度數(shù)據(jù)（次/5 s）→將溫濕度數(shù)據(jù)封裝為HTTP數(shù)據(jù)包→連接Yeelink云平臺→上傳數(shù)據(jù)（POST方式）”的步驟完成相關(guān)程序開發(fā)及軟件配置，即可得到圖8所示的Yeelink云平臺溫濕度采集界面。

5 結(jié) 語

本文針對精簡功能型智能家居應(yīng)用場景，基于STM32嵌入式處理器及硬件TCP/IP協(xié)議網(wǎng)絡(luò)芯片W5500等，設(shè)計(jì)了一種支持RJ 45，WiFi，藍(lán)牙等多種接入方式的小型網(wǎng)關(guān)。該網(wǎng)關(guān)采用硬件TCP/IP方案，可支持8個(gè)TCP/IP客戶端訪問并預(yù)留有多類接口，接入方便、性價(jià)比高，可用于小型智能家居及其他物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的快速搭建。

參 考 文 獻(xiàn)

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