薛建彬++郭燕波++許洋++畢玉++王斌

摘要：隨著物聯(lián)網技術及IOT的發(fā)展，傳感器節(jié)點有接入互聯(lián)網的需求，本文設計了一種基于嵌入式TCP/IP協(xié)議棧LwIP的輕量級實現(xiàn)方案。詳細分析了嵌入式TCP/IP協(xié)議棧LwIP的架構和原理，結合實際應用的特點實現(xiàn)了LwIP協(xié)議棧在STM32微處理器上的移植和適配。實驗結果表明，基于LwIP協(xié)議棧的傳感系統(tǒng)滿足了網絡化交互需求。

關鍵詞：TCP/IP LwIP 微控制器

中圖分類號：TP316.81 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）10-0002-01

隨著計算機互聯(lián)技術與物聯(lián)網技術的發(fā)展，一些像傳感器一類的輕便設備可以接入互聯(lián)網，以便隨時監(jiān)控；這些輕便設備的特點是體積小，內部運算及存儲資源有限，因此就必須在資源受限的情況下實現(xiàn)及處理Internet協(xié)議?；谶@種趨勢，各種用于嵌入式系統(tǒng)的小型協(xié)議棧應運而生，如uC/IP、uIP、LwIP和TinyTCP等，這幾種協(xié)議棧均源自BSD TCP/IP。其中，LwIP[1]（輕量級TCP/IP協(xié)議棧，Lightweight TCP/IP protocol stack）是由瑞士計算機科學院Adam Dunkels等人開發(fā)的一套用于嵌入式系統(tǒng)的開源TCP/IP協(xié)議棧。LwIP最小限度的使用系統(tǒng)資源，通過共享內存的方式實現(xiàn)應用層與底層協(xié)議之間的通訊。應用層通過了解底層協(xié)議使用的緩沖處理機制將使應用層可以更加有效的重復使用緩沖區(qū)，同時，應用與網絡代碼可以使用相同的內存區(qū)，應用層可以直接讀寫內部緩沖區(qū)，從而避免了內存復制產生的性能損失，一般只需幾十K的RAM和40K左右的ROM就可以運行。

與其他的TCP/IP實現(xiàn)一樣，LwIP也是以分層的協(xié)議為參照設計的，它除了實現(xiàn)IP/ICMP/UDP/TCP等模塊還包括許多相關支持模塊，如操作系統(tǒng)模擬層、緩沖與內存管理子系統(tǒng)、網絡接口函數(shù)及API概要說明。

1 硬件設計

本項目的需求是將微控制系統(tǒng)接入互聯(lián)網以便服務器發(fā)起對前端設備的控制，采用的STM32F107[2-3]微控制器是意法半導體公司生產的基于ARM Cortex-M3內核的STM系列的32位互連型微處理器。處理器內置嵌套向量中斷控制器（NVIC），并且使用尾聯(lián)技術，使得中斷的響應只要6個時鐘周期，從而大大提高了中斷事件的處理速度，并且STM32F107系列芯片內部集成了一個10/100 Mbps以太網媒體控制器（MAC）。支持MII和RMII兩種接口規(guī)范。本文設計中采用RMII模式。系統(tǒng)硬件可分為電源模塊、MCU模塊、繼電器控制模塊、網絡數(shù)據(jù)收發(fā)模塊。其中電源模塊負責整個系統(tǒng)的供電；MCU模塊負責系統(tǒng)內的運算及控制邏輯；視頻模塊負責將攝像頭視頻傳輸?shù)椒掌鞯娜蝿?；繼電器控制模塊主要負責前端執(zhí)行器的開合狀態(tài)等；網絡數(shù)據(jù)收發(fā)模塊負責與服務器進行網絡數(shù)據(jù)的交互；系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。

2 LwIP協(xié)議棧的移植

移植LwIP需要在STM32F107系統(tǒng)上修改模擬層的實現(xiàn)，包括定時器、進程同步及消息傳遞機制等系統(tǒng)服務的實現(xiàn)。

2.1 消息傳遞機制的移植

ethernetif_input（）函數(shù)用于從底層物理網卡讀取報文，并將該報文向上傳遞給LwIP協(xié)議棧函數(shù)ethernet_input（）進行處理。

low_level_input（）函數(shù)用于從內存中申請一個新的pbuf，并把接收到數(shù)據(jù)報文內容拷貝至該pbuf中。

low_level_output（）函數(shù)將pbuf中的數(shù)據(jù)幀通過底層發(fā)送函數(shù)發(fā)送出去。

至此，消息傳遞機制的移植工作就完成了，用戶修改LwIP協(xié)議棧提供的系統(tǒng)模擬層函數(shù)即可。

2.2 定時器及IO的移植

STM32F107的以太網模塊實現(xiàn)了局域網CSMA/CD的子層，支持10/100Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率，支持全雙工和半雙工兩種操作模式。以太網模塊底層驅動的實現(xiàn)主要由初始化函數(shù)ETH_BSP_Config（）完成，通過設置定時器及IO配置，完成底層通信的移植。

3 結語

基于STM32F107微控制器的網絡協(xié)議棧的移植，可以使得物聯(lián)網系統(tǒng)內的前端節(jié)點在無操作系統(tǒng)支持的環(huán)境下接入網絡，從而完成網絡通信控制。

參考文獻

[1]DunkelsA.Design and Implementation of the LwIPTCP/IP Stack [D].Stockholm， Sweden： SwedishInstitute of Computer Science， 2001.

[2]劉火良，楊森.STM32庫開發(fā)實戰(zhàn)指南[M].北京：機械工業(yè)出版社，2013.

[3]李志明，檀永，徐石明.STM32嵌入式系統(tǒng)開發(fā)實戰(zhàn)指南[M].北京：機械工業(yè)出版社，2013.

收稿日期：2016-09-20

作者簡介：薛建彬（1986—），男，山西汾陽人，碩士，助理工程師，研究方向：嵌入式系統(tǒng)應用。