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：

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。
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。
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。
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：

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。
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。
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。
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);