姜 周

（淮安市高級(jí)職業(yè)技術(shù)學(xué)校， 江蘇 淮安 223005）

1 設(shè)計(jì)背景

1.1 物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展

近年來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)概念已與產(chǎn)業(yè)應(yīng)用融合，成為我國(guó)智慧城市建設(shè)、新型工業(yè)化和傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化等信息化整體方案的主導(dǎo)性技術(shù)思維。產(chǎn)業(yè)鏈方面，中國(guó)已經(jīng)形成較完整的物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈。RFID、二維碼等技術(shù)已經(jīng)普及，基礎(chǔ)芯片設(shè)計(jì)、高端傳感器等方面與國(guó)外先進(jìn)水平的差距不斷縮小，運(yùn)營(yíng)和服務(wù)質(zhì)量不斷提高，平臺(tái)化、服務(wù)化發(fā)展模式逐漸成熟。

未來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展主要聚焦以下三個(gè)領(lǐng)域：

1）低速?gòu)V域物聯(lián)網(wǎng)，如智慧城市、智慧物流、智慧建筑、智慧農(nóng)業(yè)等。這種網(wǎng)絡(luò)的傳輸數(shù)據(jù)量小，傳輸速率一般低于100 kbps，但覆蓋范圍較廣闊。國(guó)內(nèi)主要采用部署于2G 蜂窩網(wǎng)絡(luò)的窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（NB-IoT，Narrow Band IoT，未來(lái)也可部署到5G）、需要自己部署網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)距離無(wú)線(xiàn)電技術(shù)（LoRa）以及短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)ZigBee。

2）中速率物聯(lián)網(wǎng)，如智慧家庭、智能手表等可穿戴設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)POS 機(jī)等。這種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景將從根本上影響人們的生活。其大量使用RFID、NFC、Wi-Fi、2G ～5G 移動(dòng)通信技術(shù)，以及可部署于4G-LTE 網(wǎng)絡(luò)的eMTC 技術(shù)（LTE Enhanced Machine Type Communication）。

3）高速物聯(lián)網(wǎng)，如工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、車(chē)聯(lián)網(wǎng)等。這種物聯(lián)網(wǎng)需要移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)提供較高的數(shù)據(jù)傳輸速率以及毫秒級(jí)以下的延遲，以?xún)?yōu)化工業(yè)生產(chǎn)的流程和對(duì)交通的管理，提高生產(chǎn)效率和交通效率，實(shí)現(xiàn)工業(yè)智能化和交通的智能化。這種網(wǎng)絡(luò)一般需要未來(lái)的5G 技術(shù)提供更多的支持。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)研究現(xiàn)狀

物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的重要基礎(chǔ)之一就是工業(yè)化物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。周斌斌、古樂(lè)聲對(duì)國(guó)內(nèi)相對(duì)成熟的幾個(gè)廠(chǎng)商所提供的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)進(jìn)行了研究[1]，認(rèn)為現(xiàn)代工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)主要由設(shè)備管理平臺(tái)、連接管理平臺(tái)、應(yīng)用支持平臺(tái)和業(yè)務(wù)分析平臺(tái)四部分組成，每部分負(fù)責(zé)從底層的信息采集、網(wǎng)絡(luò)層的網(wǎng)絡(luò)連接到應(yīng)用層的應(yīng)用支持和數(shù)據(jù)分析等不同的業(yè)務(wù)功能。而事實(shí)上廠(chǎng)商提供的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)服務(wù)則大多從軟件層面著手，主要基于IaaS、PaaS 和SaaS 這3 種“云模型”，呈現(xiàn)功能一體化的發(fā)展趨勢(shì)。主要代表產(chǎn)品有阿里云物聯(lián)、百度云的“物接入（IoT Hub）”產(chǎn)品、QQ 物聯(lián)、京東微聯(lián)、中國(guó)移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放平臺(tái)等。

國(guó)外由于與物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的演進(jìn)與國(guó)內(nèi)并不同步，在較長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，“物聯(lián)網(wǎng)（IoT，Internet of Things）”這個(gè)說(shuō)法并沒(méi)有得到廣泛的使用，所以難以考察“物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)”或“物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)”這些方面的研究始于何時(shí)，然而可查的是各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域的具體名稱(chēng)，例如機(jī)器間智能互聯(lián)M2M（Machine to Machine）、智能電網(wǎng)（Smart Grid）、車(chē)聯(lián)網(wǎng)（Telematics）、地理信息系統(tǒng)GIS（Geographic Information System）等。

對(duì)于現(xiàn)代化的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，馬智詳細(xì)介紹了亞馬遜AWS IoT、微軟Azure IoT 等8 家服務(wù)提供商提供的產(chǎn)品和詳細(xì)操作方法。經(jīng)過(guò)對(duì)比，這些產(chǎn)品的架構(gòu)和功能與國(guó)內(nèi)產(chǎn)品并無(wú)顯著的不同，受網(wǎng)絡(luò)條件限制，各方面使用體驗(yàn)還略差于國(guó)內(nèi)互聯(lián)網(wǎng)大廠(chǎng)的云服務(wù)平臺(tái)。

通過(guò)以上有關(guān)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展和開(kāi)發(fā)平臺(tái)現(xiàn)狀的分析，我們看到目前市場(chǎng)上常見(jiàn)的物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)在技術(shù)方面整合度不高、擴(kuò)展性不強(qiáng)，存在開(kāi)放性不足、易用性不強(qiáng)的問(wèn)題，本文即從聚合性、通用性角度，研究設(shè)計(jì)一款基于嵌入式網(wǎng)關(guān)硬件的物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)。

2 設(shè)計(jì)需求

物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)使用“自頂向下，逐步求精”的模塊化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行。由于物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)日新月異，所以本平臺(tái)采用通用協(xié)議，使其具備較強(qiáng)的擴(kuò)展性，同時(shí)，模塊化的設(shè)計(jì)也讓平臺(tái)的維護(hù)更加簡(jiǎn)單。

作為一款開(kāi)發(fā)平臺(tái)，要求支持的功能（或?qū)嶒?yàn)?zāi)K）比較多，但并不是同時(shí)使用到所有的功能，將這些功能分為板載功能、通信功能和子模塊等三類(lèi)。

板載功能是嵌入式網(wǎng)關(guān)模塊本身支持的功能，通信功能是指可通過(guò)外接各種通信模塊或工業(yè)級(jí)終端，由第三方支持的功能。這樣的通信模塊提供商很多，具體廠(chǎng)商與實(shí)驗(yàn)中的選型待下一節(jié)討論。子模塊是指與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行協(xié)作、組網(wǎng)的模塊。物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)如圖1 所示。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)功能設(shè)計(jì)

以上分析的設(shè)計(jì)需求，既相對(duì)獨(dú)立，又緊密聯(lián)系。由此確定平臺(tái)設(shè)計(jì)原則：

1）通用化。也叫標(biāo)準(zhǔn)化。作為實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)平臺(tái)，所使用的元器件規(guī)格、封裝，連接件功能、尺寸等均應(yīng)達(dá)到通用化標(biāo)準(zhǔn)，選用市場(chǎng)上最常見(jiàn)且易購(gòu)得的產(chǎn)品。

2）系列化。開(kāi)發(fā)平臺(tái)其實(shí)不是單一的產(chǎn)品，是系列化產(chǎn)品。例如，平臺(tái)中的嵌入式網(wǎng)關(guān)和各個(gè)通信模塊控制，實(shí)現(xiàn)不同的功能，在使用中，每個(gè)部件都可以單獨(dú)進(jìn)行功能擴(kuò)展和升級(jí)換代，形成系列化、集合化產(chǎn)品。

3）模塊化。以上“兩化”要求平臺(tái)設(shè)計(jì)中采用模塊化思想，要對(duì)各個(gè)模塊的功能進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃，接口預(yù)留充分，可單獨(dú)使用，也可組合使用。一個(gè)模塊的功能或指標(biāo)的升級(jí)和更新?lián)Q代不影響整體的使用和功能實(shí)現(xiàn)。

3 硬件方案

3.1 平臺(tái)架構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)是以嵌入式網(wǎng)關(guān)為核心，各通訊接口及各模塊、終端和云端協(xié)同配合的架構(gòu)，如圖2 所示。

圖2 平臺(tái)架構(gòu)

嵌入式網(wǎng)關(guān)作為開(kāi)放型網(wǎng)絡(luò)的控制中心，各個(gè)模塊傳輸過(guò)來(lái)的指令和數(shù)據(jù)被接收后，經(jīng)處理后分發(fā)到相應(yīng)的接口。要開(kāi)發(fā)這樣的開(kāi)放式系統(tǒng)互聯(lián)平臺(tái)，首先要對(duì)嵌入式網(wǎng)關(guān)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.2 嵌入式網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)的核心模塊，需要提供一定的人機(jī)交互功能，故選用性能較強(qiáng)的嵌入式ARM處理器設(shè)計(jì)，這樣的設(shè)計(jì)同時(shí)也提供計(jì)算機(jī)嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的功能。

處理器選用恩智浦半導(dǎo)體（NXP）基于Cortex-M3核心的微處理器LPC1788，這款處理器有片內(nèi)外設(shè)豐富、擴(kuò)展接口強(qiáng)大、開(kāi)發(fā)難度較低特點(diǎn)。

在嵌入式網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)部分，我們主要設(shè)計(jì)LPC1788 最小系統(tǒng)，按鍵和顯示電路，A/D、D/A 和PWM實(shí)驗(yàn)電路、溫度檢測(cè)、JTAG 調(diào)試、串口和USB電路等。

供電、復(fù)位和晶振是最小系統(tǒng)，電路圖如圖3 所示。不選擇掛載片外SDRAM和Flash，一方面是因?yàn)長(zhǎng)PC1788 的片內(nèi)RAM 和Flash 足夠?qū)嶒?yàn)使用，另一方面，LPC1788FBD208 有208 只引腳，如果外掛SDRAM 和Flash，那么將需要采用4 層PCB 板進(jìn)行布線(xiàn)，這樣做提高了整個(gè)系統(tǒng)的成本。

圖3 供電、復(fù)位和晶振電路

LPC1788 采用3.3 V 供電。將5 V 適配器輸入轉(zhuǎn)換為3.3 V。設(shè)計(jì)時(shí)3.3 V 電源只用于與核心有關(guān)的部件，外部的LED、液晶屏等用電量較大的負(fù)載直接使用適配的5 V 供電，做好控制接口的電平匹配。LPC1788 具備RTC 功能，需為RTC 功能設(shè)計(jì)3 V 鈕扣電池供電電路，與3.3 V 電源進(jìn)行銜接。

使用專(zhuān)用復(fù)位芯片MAX809 設(shè)計(jì)復(fù)位電路，提供低電平復(fù)位。MAX809 采用SOT-23 超小型封裝，主要用于監(jiān)控微處理器的電源電壓，提供復(fù)位信號(hào)。

使用雙晶振，選用一只32.768 kHz 晶振為RTC電路使用的晶振。

設(shè)計(jì)按鍵編碼電路，將8 個(gè)按鍵信號(hào)編為3 位，不提供長(zhǎng)按、組合按鍵等功能，電路如圖4 所示。

圖4 按鍵編碼電路

設(shè)計(jì)LCD 顯示模塊。雖然LPC1788 自帶LCD 接口，但由于沒(méi)有外掛SDRAM，96 kB 內(nèi)部SRAM 不足以提供顯存，故不使用LPC1788 可以直接驅(qū)動(dòng)的TFT-LCD，選用傳統(tǒng)的單色點(diǎn)陣液晶模塊19 264。

19264 是192×64 點(diǎn)陣液晶，國(guó)內(nèi)有許多廠(chǎng)商生產(chǎn)，每只價(jià)格在20～30 元之間，并且具有比較通用的20 針接口形式。這部分的電路同樣是由5 V 電源供電，數(shù)據(jù)和控制信號(hào)通過(guò)74245 收發(fā)器連接到LPC1788 的IO 口，如圖5 所示。

設(shè)計(jì)A/D、D/A、PWM輸出、JTAG 調(diào)試電路，由于LPC1788 直接提供這些接口，根據(jù)參考電路連接即可，不再贅述。

設(shè)計(jì)串口轉(zhuǎn)USB 電路。使用3.3 V 供電時(shí)，需將CH340G 的第4 腳V3 連接到3.3 V 電源，TxD 和RxD務(wù)必要連接到LPC1788 的UART0 管腳P0[2]和P0[3]。LPC1788 使用這兩個(gè)管腳和P2[10]管腳來(lái)實(shí)現(xiàn)ISP 編程，具體過(guò)程是，LPC1788 在復(fù)位時(shí)采樣P2[10]管腳電平，如果為低電平，LPC1788 進(jìn)入ISP 模式，接受來(lái)自P0[2]和P0[3]的編程請(qǐng)求，故設(shè)計(jì)ISP 電路時(shí)需要將P2[10]管腳引出、拉高，再通過(guò)兩芯排針接地，當(dāng)用戶(hù)需對(duì)LPC1788 進(jìn)行ISP 編程時(shí)，只要在關(guān)機(jī)狀態(tài)將排針短路，開(kāi)機(jī)，即可使用NXP 提供的ISP 軟件FlashMagic 燒寫(xiě)程序。

3.3 通信模塊選擇及電路設(shè)計(jì)

平臺(tái)的通信功能設(shè)計(jì)主要圍繞4 個(gè)串口相連接的模塊進(jìn)行。以太網(wǎng)通信功能選用USR-TCP232-T2插針式以太網(wǎng)模塊，該模塊可將一路UART 接口轉(zhuǎn)換到以太網(wǎng)RJ-45 接口，實(shí)現(xiàn)TCP 和UDP 連接s。

Wi-Fi 通信功能：將一路UART 接口轉(zhuǎn)換到Wi-Fi，板載陶瓷天線(xiàn)，配備IPEX 連接器，可外接天線(xiàn)。同時(shí)使用一路3.3 V 供電，持續(xù)發(fā)送時(shí)工作電流170 mA。

GPRS 通信功能：將一路UART 轉(zhuǎn)換到移動(dòng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，內(nèi)置SIM卡，外接天線(xiàn)。模塊使用3.8 V 供電，IO 口兼容3.3 V 系統(tǒng)，其射頻模塊功率較大，最大工作電流750 mA，另外設(shè)計(jì)一路輸出至少在1.2 A 的3.8 V 供電電路[3]。

RFID 模塊使用廣州致遠(yuǎn)電子開(kāi)發(fā)的13.56MHz讀寫(xiě)卡模塊ZLG600A-T2，支持IIC 和UART 兩種接口，使用5 V 供電，工作電流75 mA。

ZigBee 通信使用廣州致遠(yuǎn)電子ZM32P2S24E 串口轉(zhuǎn)ZigBee 模塊，將一路UART 轉(zhuǎn)為ZigBee 網(wǎng)絡(luò)，外接IPEX 天線(xiàn)。并且使用3.3 V 供電，發(fā)射電流74 mA，峰值電流139 mA，另外單獨(dú)設(shè)計(jì)一路供電。

藍(lán)牙通信使用上海穩(wěn)恒科技WH-BLE103a 串口轉(zhuǎn)BLE 模塊，將一路UART 轉(zhuǎn)為BLE 網(wǎng)絡(luò)，支持Mesh 自組網(wǎng)，板載PCB 天線(xiàn)。使用3.3 V 供電，工作電流約5 mA，無(wú)需單獨(dú)供電[4]。

定位模塊選用深圳天工SKM81DC，可接收北斗、GPS 和格洛納斯（GLONASS）信號(hào)，自帶天線(xiàn)，無(wú)需另外設(shè)計(jì)天線(xiàn)。采用5 V 供電，工作電流30 mA，輸出一根TxD 口線(xiàn)（UART 發(fā)送），兼容3.3 V 系統(tǒng)電平。

根據(jù)以上分析，將LPC1788 的通信接口進(jìn)行規(guī)劃。具體規(guī)劃如表1 所示。

3.4 終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)終端節(jié)點(diǎn)一般由微控制器（MCU）、傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和通信模塊組成的小型控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)特定信號(hào)的采集或執(zhí)行某種操作，并與網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信。終端節(jié)點(diǎn)的原理框圖如圖6 所示。

圖6 物聯(lián)網(wǎng)終端節(jié)點(diǎn)組成

從功能上看，每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的任務(wù)是比較單一的。例如，采集特定位置的溫度和濕度，設(shè)計(jì)溫濕度節(jié)點(diǎn)，選購(gòu)數(shù)字式溫濕度傳感器SHT10（Sensirion 公司），這個(gè)傳感器擁有一個(gè)類(lèi)似于IIC 接口的串行接口，MCU 只需要設(shè)計(jì)讀寫(xiě)這個(gè)串口的時(shí)序，就可實(shí)現(xiàn)溫濕度的采集，這樣的功能利用單片機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)就可以開(kāi)發(fā)。再如，設(shè)計(jì)燈光控制模塊，這個(gè)模塊將隨燈具一起安裝，MCU 通過(guò)繼電器或可控硅來(lái)控制燈光的開(kāi)關(guān)、明暗等，也是比較容易實(shí)現(xiàn)的。

關(guān)于通信部分，終端節(jié)點(diǎn)選用何種通信方式與嵌入式網(wǎng)關(guān)（主控）或者用戶(hù)進(jìn)行通信，是廠(chǎng)商物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的核心技術(shù)所在。例如，海爾U-home 智能家居方案采用ZigBee 和Wi-Fi 相結(jié)合的通信模式，而小米的家用電器，包括燈、電飯鍋等則傾向于使用BT/BLE 和Wi-Fi 與手機(jī)端直連，接收控制指令。其中，通220V強(qiáng)電的設(shè)備，不太需要考慮功耗的問(wèn)題，首選Wi-Fi；需要和手機(jī)進(jìn)行交互的設(shè)備，一般選用BT/BLE 連接手機(jī)；手持設(shè)備、使用電池的傳感模塊，這類(lèi)有著低功耗要求和安全性考慮的設(shè)備，使用ZigBee 進(jìn)行通信。

目前，各種常見(jiàn)的物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備或模塊在市場(chǎng)上都有供應(yīng)，如果自行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)這樣的模塊，實(shí)現(xiàn)方案有以下兩種。

第一種方案是使用通用單片機(jī)作為模塊MCU，外掛上一節(jié)使用的各通信模塊進(jìn)行開(kāi)發(fā)。利用單片機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)即可實(shí)現(xiàn)這種開(kāi)發(fā)。

第二種方案基于之前的分析，物聯(lián)網(wǎng)終端的數(shù)據(jù)采集和控制功能比較單一，這樣的功能幾乎任意一款微處理器都可以勝任，那么考慮將通信模塊自身的微處理器用于信號(hào)的采集和控制。這個(gè)微處理器由于須執(zhí)行比較復(fù)雜的協(xié)議轉(zhuǎn)換等任務(wù)，其性能不會(huì)低于增強(qiáng)型51，例如通過(guò)樂(lè)鑫提供的ESP8266 SDK 對(duì)ESP8266EX 的IO 管腳進(jìn)行開(kāi)發(fā)，以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的控制功能。再如，ZigBee 模塊常使用TI 的CC2530 方案，這個(gè)方案采用增強(qiáng)型51 作為CPU，可搭建IAR Embedded Workbench for 8051 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，對(duì)其進(jìn)行各種功能的開(kāi)發(fā)。又如，Nordic 半導(dǎo)體的BLE 芯片nRF52832使用了ARM Cortex-M4 內(nèi)核，可以方便地使用Keil MDK-ARM 結(jié)合ARM.CMSIS 開(kāi)發(fā)包以及Nordic Semiconductor 提供的nRF_DeviceFamilyPack 和nRF5 SDK開(kāi)發(fā)包進(jìn)行藍(lán)牙模塊的開(kāi)發(fā)。

以上根據(jù)需求分析，將物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)按照基于A(yíng)RM的嵌入式網(wǎng)關(guān)和各通信終端設(shè)備兩個(gè)部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)使用了具有豐富內(nèi)部外設(shè)和大量擴(kuò)展接口的Cortex-M3 微控制器產(chǎn)品，這款芯片可完全滿(mǎn)足物聯(lián)網(wǎng)各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的功能需求，又具有一定的擴(kuò)展性，可以支持底層C、μC/OS-II 操作系統(tǒng)、Modbus 應(yīng)用層以及遠(yuǎn)程云服務(wù)開(kāi)發(fā)。對(duì)于通信終端的設(shè)計(jì)，文章也給出了兩種方案：一是使用單片機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)作為基礎(chǔ)，外掛串口轉(zhuǎn)接模塊，可將單片機(jī)的UART 接口直接轉(zhuǎn)換為各種網(wǎng)絡(luò)接口，進(jìn)行組網(wǎng)和數(shù)據(jù)通信，這種方案開(kāi)發(fā)成本低，使用成熟的通信模塊，可靠性高，但硬件成本也略高；二是直接在現(xiàn)有通信模塊上進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，增加一部分?jǐn)?shù)據(jù)采集和控制功能，即可實(shí)現(xiàn)，這種方案開(kāi)發(fā)成本較高，產(chǎn)品可靠性需要驗(yàn)證，但降低了少許硬件成本。另外，在平臺(tái)使用過(guò)程中，有時(shí)并不需要用到所有的功能，結(jié)合實(shí)際需求，研究了嵌入式物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的兼容性，即通過(guò)一定的設(shè)計(jì)與規(guī)劃，使平臺(tái)可供熟悉更多其他型號(hào)CPU 的開(kāi)發(fā)者和學(xué)習(xí)者選用。

4 平臺(tái)兼容性設(shè)計(jì)

4.1 與STM32 的兼容

STM32 微控制器是意法半導(dǎo)體（ST）基于A(yíng)RM Cortex 內(nèi)核設(shè)計(jì)生產(chǎn)的系列微控制器產(chǎn)品，產(chǎn)品力較強(qiáng)，有著相當(dāng)龐大的開(kāi)發(fā)者用戶(hù)群體。在STM32 系列產(chǎn)品中，與LPC1788 同樣具有Cortex-M3 內(nèi)核的中等容量單片機(jī)STM32F103 系列體積小巧，各種通信接口齊全，功耗超低，價(jià)格低廉，與本文所討論的物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)場(chǎng)景非常契合，且使用這款芯片的開(kāi)發(fā)者眾多，相關(guān)例程及資料豐富。

選擇STM32F103 系列中48 腳LQFP 封裝、64KB Flash 的型號(hào)STM32F103C8T6 開(kāi)展兼容性設(shè)計(jì)。

根據(jù)STM32F103C8T6 引腳圖，要實(shí)現(xiàn)嵌入式網(wǎng)關(guān)的基本實(shí)驗(yàn)功能，對(duì)需要由CPU 提供的I/O 口數(shù)量進(jìn)行規(guī)劃，見(jiàn)表2。

表2 平臺(tái)功能與I/O 口規(guī)劃

借鑒某些知名手機(jī)廠(chǎng)商提出的“雙層主板”設(shè)計(jì)思路，以及早些年一些企業(yè)出于成本考慮將某些BGA 封裝芯片設(shè)計(jì)為多層“核心板”的做法，在本平臺(tái)嵌入式網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)中增加兼容接口，通過(guò)插針連接STM32 最小系統(tǒng)“兼容板”，以實(shí)現(xiàn)平臺(tái)多CPU 支持。

4.2 與樹(shù)莓派PICO 的兼容

樹(shù)莓派2021 年推出首款低成本微控制器產(chǎn)品RP2040 及其模塊化開(kāi)發(fā)平臺(tái)PICO，RP2040 基于Cortex-M0 內(nèi)核，片內(nèi)2MB Flash 和256KB SRAM，開(kāi)發(fā)平臺(tái)PICO 則采用精致小巧郵票孔設(shè)計(jì)，支持大批量的卷盤(pán)式供貨、貼片機(jī)生產(chǎn)，可立即投入商用。

由于 PICO 只提供 26 個(gè) I/O 引腳，比STM32F103C8T6 略少，可在表2 基礎(chǔ)上，將兼容接口的口線(xiàn)對(duì)應(yīng)到PICO 管腳，以實(shí)現(xiàn)與PICO 的兼容。

4.3 與ESP32 的兼容

ESP32 是中國(guó)芯片設(shè)計(jì)公司樂(lè)鑫科技近年來(lái)推出的一款功能強(qiáng)大的物聯(lián)網(wǎng)芯片，它可以作為嵌入式微控制器使用，又自帶藍(lán)牙、Wi-Fi 通信模塊，可以看作上一章討論的Wi-Fi 解決方案ESP8266EX 的升級(jí)，樂(lè)鑫為ESP32 提供了帶板載PCB 天線(xiàn)或外部天線(xiàn)接口的ESP32-S3-WROOM-1 模組。

在討論嵌入式平臺(tái)與ESP32 模組的兼容性時(shí)，可分兩種情況考慮。

1）前面STM32 和樹(shù)莓派PICO 相似，用ESP32 來(lái)替換平臺(tái)主板上的CPU，達(dá)到兼容CPU 的效果，所以將模組的接口與主板兼容接口相對(duì)應(yīng)，設(shè)計(jì)外圍電路。

2）將ESP32 模組作為主板的通訊外設(shè)，即主板上正常安裝LPC1788 控制器，將嵌入式主板的部分通信接口連接到ESP32 模組的相應(yīng)口線(xiàn)，即可作為主板的藍(lán)牙或Wi-Fi 通信模塊使用。

以上討論了嵌入式網(wǎng)關(guān)平臺(tái)的與當(dāng)前流行的幾款CPU 開(kāi)發(fā)平臺(tái)的兼容性，通過(guò)增加主板兼容接口，可將LPC1788 控制器替換為管腳豐富、功能全面、用于消費(fèi)電子和工業(yè)控制的STM32，或是開(kāi)發(fā)方便、成果極低的樹(shù)莓派PICO，又或是速度超快、功能強(qiáng)大、專(zhuān)為物聯(lián)網(wǎng)而生的國(guó)產(chǎn)ESP32 模組，供更多的開(kāi)發(fā)者和學(xué)習(xí)者使用。