利用 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。