基于硬件TCPIP协议的物联网网关设计

2019年 / 第10期 物联网技术
可靠传输 Reliable Transmission
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0 引 言
小型智能家居应用系统的网关数据流量较小，接入方式多样，对成本要求较高，功能上一般比较精简。

现今市面上的网关大多采用高端嵌入式处理器加操作系统设计，预置有丰富的应用软件，配置较高，导致成本高，不太适用于小型智能家居等应用场合[1]。

本文旨在利用高性价比STM32嵌入式处理器与基于硬件TCP/IP 协议的W5500以太网芯片等多种接入模块，实现成本低廉、接入方式多样的智能家居网关。

1 技术架构
智能家居网关的核心功能是路由与控制，需要通过WiFi ，蓝牙，RJ 45，RS 485等接入方式与终端产品进行数据交互，实现网络配置、路由管理、数据转发、远程控制等功能[2]。

本文设计以小型智能家居应用系统为应用对象，以低成本、快速开发、多方式接入为主要需求点。

根据功能需求，规划设计的技术架构如图1所示。

图1 网关技术架构
网关硬件以STM32F103CBT6处理器为核心，外扩
W5500以太网模块、ESP8266 WiFi 模块、HC-05蓝牙模块等，以便接入具有多种通信方式的智能家居终端产品，并在网关完成协议转换与数据转发。

其中，以太网模块选用W5500以太网控制器实现相应功能。

W5500是WIZnet 公司开发的一款以太网控制器，它采用全硬件TCP/IP 协议栈架构，集成了10/100 M 以太网数据链路层（MAC ）及物理层（PHY ），支持TCP ，UDP ，ICMP ，ARP ，IPv4，IGMP 及PPPoE 协议，能提供8个独立的硬件Socket 通信客户端，使得用户使用单芯片就能够在应用中实现以太网连接，缩短了开发周期，减少了成本[3]。

（1）网关软件基于轻量级嵌入式操作系统μC/OS-III 实现。

（2）底层包含W5500以太网驱动、HC-05蓝牙驱动、ESP8266 WiFi 驱动，以及其他I/O 外设驱动。

（3）应用层则根据业务需求实现网络配置、协议转换、路由管理、数据转发、远程控制等。

2 主要硬件电路设计
2.1 主控模块
主控模块主要完成协议转换及数据转发功能。

本文设计采用基于M3内核的STM32F103CBT6芯片作为核心处理单元，设计时钟电路、复位电路、启动模式选择电路、SWD 仿真调试电路等[4]。

2.2 W5500以太网模块
基于W5500的以太网模块电路如图2所示，由W5500芯片、10 bit/100 bit 网络工作模式选择电路、
25 MHz 时钟电路、复位电路、SPI 接口及电源滤波电路构成。

其中，W5500的 SCSn ，SCLK ，MISO ，MOSI 分别与STM32F103CBT6的PA4，PA5，PA6，PA7连接，作为从机基于SPI 接口与STM32F103CBT6的主机通信；W5500通过
收稿日期：2019-06-29 修回日期：2019-07-30
DOI ：10.16667/j.issn.2095-1302.2019.10.009
基于硬件TCP/IP 协议的物联网网关设计
沈 翔
（成都工业职业技术学院，四川 成都 610213）
摘 要：针对小型智能家居等物联网应用场景，基于STM32嵌入式处理器及硬件TCP/IP 协议网络芯片W5500等，设计了一种支持RJ 45，WiFi ，蓝牙等多种接入方式的小型网关，分析网关的技术架构，阐明主要软、硬件模块以及接入Yeelink 云端应用的实现方法。

关键词：
网关；W5500；RJ 45；WiFi ；蓝牙；TCP/IP 协议；Yeelink 云平台中图分类号：TP39；TN274 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2019）10-0035-03
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36图2 W5500
以太网通信模块电路
图3 WiFi 及蓝牙模块电路
图4 网关实物
3 硬件驱动程序设计
3.1 W5500网络驱动程序
W5500是基于硬件TCP/IP 协议的网络芯片，通过STM32配置W5500的SPI 接口及相关寄存器就可实现与网络的连接。

W5500驱动程序流程如图5所示。

初始化W5500需设置模式寄存器（MR ）、中断屏蔽寄存器（IMR ）、重发时间寄存器（RTR ）、重发次数寄存器（RCR ）；建立网络通信需配置本机硬件地址寄存器（SHAR ）、网关地址寄存器（GAR ）、
子网掩码寄存器（SUBR ）、本机IP 地址寄存器[5]（SIPR ）。

3.2 WiFi 及蓝牙串口驱动程序
STM32F103CBT6共有三个可独立使用的串口。

本文设计中，COM1留作备用，可连接PC 或其他串口设备；COM2
与COM3分别连接WiFi 与蓝牙模块。

串口配置流程如图6
差分信号TX+，TX -，RX+和RX -连接隔离变压器的RJ 45接口，与其他网络设备实现串行传输。

2.3 WiFi 及蓝牙模块
WiFi 及蓝牙模块电路如图3所示。

WiFi 模块由
ESP8266 WiFi 模块及其电源控制电路构成，蓝牙模块采用HC-05实现，两者均采用2线串口与STM32主控模块连接，并通过AT 指令进行模块初始化配置与数据通信。

最终形成的网关实物如图4所示。

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所示，设计时钟配置、I/O 重映射，设置Tx ，Rx 的I/O 功能模式及I/O 的Speed ，初始化串口模块，使能发送和接收中断，以及使能串口等。

图5 W5500
驱动程序流程
图6 串口配置流程
4 应用案例
基于前述网关及Yeelink 云平台，可构建简单的物联网应用系统。

下面以采集一路环境温湿度数据，并通过网络将数据上传至
Yeelink 云平台，再通过网页或APP 访问相关数据的远程温湿度采集系统为例，介绍具体实现过程。

首先按图7所示构建温湿度管理系统，该系统主要由温湿度传感器DHT11（前述STM32网关板载传感器）、物联网网关、网络环境及Yeelink 云平台组成。

图7 基于网关及Yeelink 云平台的远程温湿度采集系统
搭建好硬件后，按照“初始化DHT11，W5500→配置
网络连接参数→读取DHT11温湿度数据（次/5 s ）→将温湿度数据封装为HTTP 数据包→连接Yeelink 云平台→上传数据（POST 方式）”的步骤完成相关程序开发及软件配置，即可得到图8所示的Yeelink 云平台温湿度采集界面。

图8 Yeelink 云平台采集的温湿度信息
5 结 语
本文针对精简功能型智能家居应用场景，基于STM32嵌入式处理器及硬件TCP/IP 协议网络芯片W5500等，设计了一种支持RJ 45，WiFi ，蓝牙等多种接入方式的小型网关。

该网关采用硬件TCP/IP 方案，可支持8个TCP/IP 客户端访问并预留有多类接口，接入方便、性价比高，可用于小型智能家居及其他物联网应用系统的快速搭建。

参 考 文 献
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作者简介： 沈 翔（1982—），男，研究生，讲师，成都工业职业技术学院教师，职业发展中心主任，主要研究方向为
电子信息工程技术。