基于STM32实现多协议物联网网关:Modbus/Zigbee到以太网/Wi-Fi的数据桥接

摘要: 随着物联网技术的飞速发展,不同通信协议之间的互联互通成为了构建智能化系统的一大挑战。本文将以实战项目为例,详细介绍如何利用 STM32 微控制器实现 Modbus/Zigbee 与以太网/Wi-Fi 之间的协议转换,从而打通传感器数据上传至服务器的“最后一公里”。

关键词: STM32,协议转换,Modbus,Zigbee,以太网,Wi-Fi,物联网

一、 引言

在物联网时代,各种传感器和设备如同百花齐放,但同时也带来了“语言不通”的难题——它们往往采用不同的通信协议,例如工业现场常用的 Modbus、无线传感网络常用的 Zigbee,以及连接互联网的以太网和 Wi-Fi 等。为了实现数据的互联互通,我们需要一个“翻译官”来进行协议转换。

本文将介绍如何使用 STM32 微控制器搭建一个协议转换网关,实现 Modbus/Zigbee 设备与以太网/Wi-Fi 网络之间的无缝连接,并将传感器数据最终传输到服务器,为构建智能化系统提供可靠的数据桥梁。

二、 系统架构

本项目采用分层架构设计,主要包括以下几个部分:

  1. 感知层: 负责采集数据的传感器,例如温度、湿度、光照度传感器等,它们可能采用 Modbus 或 Zigbee 协议进行通信。
  2. 协议转换层: 核心模块,使用 STM32 微控制器作为主控芯片,通过不同的通信接口和协议栈实现 Modbus/Zigbee 与以太网/Wi-Fi 之间的协议转换。
  3. 网络层: 提供网络连接,例如以太网、Wi-Fi 等,将数据传输到服务器。
  4. 应用层: 运行在服务器上的应用程序,负责接收、处理、存储和展示传感器数据。

三、 硬件设计

本项目的硬件平台以 STM32F103 为例,该芯片拥有丰富的片上资源,包括多个 UART、SPI 接口以及可扩展的以太网和 Wi-Fi 模块。

硬件连接示意图如下:

  • STM32F103 的 UART 接口连接 RS485 模块,用于与 Modbus 传感器通信。
  • STM32F103 的 SPI 接口连接 Zigbee 模块,用于与 Zigbee 传感器通信。
  • STM32F103 通过扩展接口连接以太网或 Wi-Fi 模块,实现网络连接。
  • 四、 软件设计

    软件设计是本项目的核心,主要包括以下几个模块:

    1. Modbus 协议栈: 实现 Modbus RTU/TCP 协议的解析和封装,负责与 Modbus 传感器进行数据交互。
    2. Zigbee 协议栈: 实现 Zigbee 协议的解析和封装,负责与 Zigbee 传感器进行数据交互。
    3. 网络协议栈: 实现 TCP/IP 协议栈,负责与服务器建立连接并进行数据传输。
    4. 数据处理模块: 负责对传感器数据进行解析、格式转换和打包,以便上传至服务器。

    4.1 Modbus 协议栈

    Modbus 协议栈负责解析从 Modbus 传感器接收到的数据帧,并将其转换为系统内部可以理解的格式。同时,它也需要将系统发出的指令封装成 Modbus 协议数据帧,发送给 Modbus 传感器。

  • Modbus RTU: 使用 UART 接口进行通信,需要实现数据帧的组包和解包,包括起始位、地址码、功能码、数据区、CRC 校验等字段的处理。
  • Modbus TCP: 使用 TCP/IP 协议进行通信,需要在 TCP 报文的基础上添加 Modbus 应用层协议数据单元(ADU)。
  • 以下代码展示了使用 FreeModbus 库实现 Modbus RTU 主站读取数据的示例:

    // 初始化 Modbus 主站
    eMBMasterInit(MB_RTU, 1, 115200, MB_PAR_NONE);
    eMBMasterStart();
    
    // 读取保持寄存器
    usRegInputBuf[0] = 1; // 从站地址
    usRegInputBuf[1] = 0x03; // 功能码
    usRegInputBuf[2] = 0x00; // 起始地址高字节
    usRegInputBuf[3] = 0x00; // 起始地址低字节
    usRegInputBuf[4] = 0x00; // 寄存器数量高字节
    usRegInputBuf[5] = 0x02; // 寄存器数量低字节
    
    eMBMasterRequest(1, MB_FUNC_READ_HOLDING_REGISTER, usRegInputBuf, 8, &ucMasterSend);
    
    // 处理接收到的数据
    if (eMBMasterGetState() == STATE_VALID_DATA) {
        // 读取数据
        int16_t value1 = (int16_t)(usRegHoldBuf[0] << 8 | usRegHoldBuf[1]);
        int16_t value2 = (int16_t)(usRegHoldBuf[2] << 8 | usRegHoldBuf[3]);
        // ...
    }
    4.2 Zigbee 协议栈

    Zigbee 协议栈负责处理与 Zigbee 传感器之间的通信,包括网络建立、节点加入、数据收发等功能。可以选择使用 Z-Stack、Zigbee2MQTT 等开源协议栈,也可以根据实际需求开发专用的协议栈。

    以下代码展示了使用 Z-Stack 发送数据的示例:

    uint8 data[10] = {0x01, 0x02, 0x03, 0x04, 0x05, 0x06, 0x07, 0x08, 0x09, 0x0A};
    afAddrType_t dstAddr;
    
    dstAddr.addrMode = (afAddrMode_t)Addr16Bit;
    dstAddr.endPoint = 1;
    dstAddr.addr.shortAddr = 0x0001; 
    
    AF_DataRequest(
        &dstAddr,
        &SampleApp_epDesc,
        SAMPLEAPP_CLUSTERID,
        10,
        data,
        &SampleApp_TransID,
        AF_DISCV_ROUTE,
        AF_DEFAULT_RADIUS
    );
    
    4.3 网络协议栈

    网络协议栈负责将数据通过以太网或 Wi-Fi 发送到服务器,可以使用 LwIP、uIP 等轻量级 TCP/IP 协议栈。

    以下代码展示了使用 LwIP 建立 TCP 连接并发送数据的示例:

    struct netconn *conn;
    struct ip_addr dest_ip;
    err_t err;
    
    // 解析服务器 IP 地址
    IP4_ADDR(&dest_ip, 192, 168, 1, 100); 
    
    // 创建 TCP 连接
    conn = netconn_new(NETCONN_TCP);
    netconn_connect(conn, &dest_ip, 8080);
    
    // 发送数据
    netconn_write(conn, data, strlen(data), NETCONN_COPY);
    
    // 关闭连接
    netconn_close(conn);
    netconn_delete(conn);

    4.4 数据处理模块

    数据处理模块是 STM32 协议转换网关的“大脑”,它负责对从传感器获取的原始数据进行一系列操作,使其能够被服务器理解和使用。

  • 数据解析: 不同类型的传感器数据格式可能不同,例如温度传感器可能上传的是整型数值,而 GPS 模块上传的则是经纬度坐标。数据处理模块需要根据预先定义好的协议或数据格式,将原始数据解析成有意义的信息。
  • 数据转换: 不同传感器的数据单位可能不同,例如温度可以使用摄氏度或华氏度表示。数据处理模块可以根据需要进行单位转换,统一数据格式。
  • 数据校验: 为了保证数据的准确性,可以使用校验算法对接收到的数据进行校验,例如 CRC 校验、奇偶校验等。如果发现数据错误,可以进行重传或丢弃处理。
  • 数据打包: 为了方便传输和处理,可以将多个传感器的数据打包成一个数据包,例如 JSON 格式、XML 格式等。
  • 以下代码展示了将温度和湿度数据打包成 JSON 格式的示例:

    #include <cjson/cJSON.h>
    
    // 假设已经获取到温度和湿度数据
    float temperature = 25.5;
    float humidity = 60.2;
    
    // 创建 JSON 对象
    cJSON *root = cJSON_CreateObject();
    
    // 添加温度和湿度数据
    cJSON_AddNumberToObject(root, "temperature", temperature);
    cJSON_AddNumberToObject(root, "humidity", humidity);
    
    // 将 JSON 对象转换为字符串
    char *json_str = cJSON_Print(root);
    
    // 发送数据
    // ...
    
    // 释放 JSON 对象
    cJSON_Delete(root);

    五、 系统实现与测试

    完成硬件和软件设计后,就可以进行系统实现和测试了。

    1. 硬件搭建: 按照硬件设计方案,连接好 STM32 开发板、传感器模块、网络模块等硬件设备。
    2. 软件烧录: 将编写好的程序代码编译链接后,烧录到 STM32 开发板中。
    3. 功能测试: 使用 Modbus/Zigbee 调试工具模拟传感器发送数据,并使用网络调试助手或服务器程序接收数据,验证协议转换功能是否正常。
    4. 性能测试: 测试系统的稳定性、数据传输速率、并发连接数等性能指标,以评估系统是否满足实际应用需求。

    作者:极客小张

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