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]