CN113347044A - 一种基于LwIP协议栈远程维护STM32设备的方法与系统 - Google Patents

一种基于LwIP协议栈远程维护STM32设备的方法与系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于LwIP协议栈远程维护STM32设备的方法与系统，通过将LwIP协议栈移植到STM32单片机内，利用4G无线模块通过拨号建立PPP链路，运行在STM32单片机内的软件可直接进行标准Socket网络编程，不再使用无线模块内置的网络协议栈，STM32设备根据控制命令建立TCP维护端口连接，将STM32设备连接至具有TCP监听的公网服务器上，并输出重定向完成设备打印信息的输出控制，完成STM32设备的远程维护，为开发人员排查问题、维护现场设备时提供一种手段，提高了运维效率，节省了运维成本，具有设计合理、使用方便、可操作性强等优点。

Description

一种基于LwIP协议栈远程维护STM32设备的方法与系统
技术领域
本发明涉及嵌入式系统技术领域，特别是一种基于LwIP协议栈远程维护STM32设备的方法与系统。
背景技术
现今很多采用STM32单片机+2G/3G/4G无线通信模块来实现的物联网设备，数量大分布广。而当物联网设备出现故障时，每一台终端都需要跑到现场去排查有点不太现实，也不够经济，因此需要具备远程维护的功能。
使用STM32单片机的终端设备不像嵌入式Linux系统那么强大，内核拥有丰富的网络协议栈可以使用，整个处理器的片上资源非常有限，当前传统的做法一般是STM32单片机通过AT指令与无线模块进行通信，完成数据的收发，使用的是无线模块内置的网络协议栈，这种情况下只能在云管理平台与设备进行一些简单的数据与命令交互，无法实时查看设备运行的打印信息，且通信速率较慢，每次通信都需要进行多次的AT指令交互，平均完成一次通信操作，大概需要2秒左右。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于LwIP协议栈远程维护STM32设备的方法与系统，旨在解决现有技术中STM32设备远程维护存在效率低耗时长的问题，实现提高运维效率，节省运维成本。
为达到上述技术目的，本发明提供了一种基于LwIP协议栈远程维护STM32设备的方法，所述方法包括以下操作：
移植LwIP协议栈到STM32单片机内，将4G无线通信模块基于LwIP协议栈完成拨号，建立PPP链路，获得运营商分配的局域网IP地址；
STM32设备与云管理平台建立TCP长连接，进行双向交互通信；
云管理平台向STM32设备下发建立TCP维护Socket连接控制命令，STM32设备收到命令后，进行命令解析并调用相应的处理函数，建立TCP维护Socket连接，将STM32设备连接至处于监听状态下的公网服务器上；
输出重定向，将设备打印信息输出至TCP维护Socket连接上，通过自定义Shell命令执行远程维护。
优选地，所述公网服务器通过nc工具设置监听端口。
优选地，所述移植LwIP协议栈到STM32单片机内具体为将LwIP协议栈相关的源文件和头文件添加到软件工程中，并对LwIP协议栈默认的配置选项进行优化处理，包括：关闭UDP功能；关闭DNS功能；将TCP最大报文段大小由默认的536调整为1024；将TCP接收窗口由默认的4*TCP_MSS调整为2*TCP_MSS；将内存池由默认的16调整为10。
优选地，所述建立TCP维护Socket连接控制命令以及对应的处理函数以Shell命令查找表的形式存储。
本发明还提供了一种基于LwIP协议栈远程维护STM32设备的系统，所述系统包括：
LwIP协议通信建立模块，用于移植LwIP协议栈到STM32单片机内，将4G无线通信模块基于LwIP协议栈完成拨号，建立PPP链路，获得运营商分配的局域网IP地址；
平台交互模块，用于STM32设备与云管理平台建立TCP长连接，进行双向交互通信；
Shell命令解析模块，用于云管理平台向STM32设备下发建立TCP维护Socket连接控制命令，STM32设备收到命令后，进行命令解析并调用相应的处理函数，建立TCP维护Socket连接，将STM32设备连接至处于监听状态下的公网服务器上；
输出重定向模块，用于输出重定向，将设备打印信息输出至TCP维护Socket连接上，通过自定义Shell命令执行远程维护。
优选地，所述公网服务器通过nc工具设置监听端口。
优选地，所述LwIP协议栈默认配置选项的优化包括：关闭UDP功能；关闭DNS功能；将TCP最大报文段大小由默认的536调整为1024；将TCP接收窗口由默认的4*TCP_MSS调整为2*TCP_MSS；将内存池由默认的16调整为10。
优选地，所述建立TCP维护Socket连接控制命令以及对应的处理函数以Shell命令查找表的形式存储。
发明内容中提供的效果仅仅是实施例的效果，而不是发明所有的全部效果，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：
与现有技术相比，本发明通过将LwIP协议栈移植到STM32单片机内，利用4G无线模块通过拨号建立PPP链路，运行在STM32单片机内的软件可直接进行标准Socket网络编程，不再使用无线模块内置的网络协议栈，STM32设备根据控制命令建立TCP维护端口连接，将STM32设备连接至具有TCP监听的公网服务器上，并输出重定向完成设备打印信息的输出控制，完成STM32设备的远程维护，为开发人员排查问题、维护现场设备时提供一种手段，提高了运维效率，节省了运维成本，具有设计合理、使用方便、可操作性强等优点。
附图说明
图1为本发明实施例中所提供的一种基于LwIP协议栈远程维护STM32设备的方法流程图；
图2为本发明实施例中所提供的TCP服务端与TCP客户端连接示意图；
图3为本发明实施例中所提供的一种基于LwIP协议栈远程维护STM32设备的系统结构框图。
具体实施方式
为了能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。下文公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。
下面结合附图对本发明实施例所提供的一种基于LwIP协议栈远程维护STM32设备的方法与系统进行详细说明。
如图1、2所示，本发明实施例公开了一种基于LwIP协议栈远程维护STM32设备的方法，所述方法包括以下操作：
移植LwIP协议栈到STM32单片机内，将4G无线通信模块基于LwIP协议栈完成拨号，建立PPP链路，获得运营商分配的局域网IP地址；
STM32设备与云管理平台建立TCP长连接，进行双向交互通信；
云管理平台向STM32设备下发建立TCP维护Socket连接控制命令，STM32设备收到命令后，进行命令解析并调用相应的处理函数，建立TCP维护Socket连接，将STM32设备连接至处于监听状态下的公网服务器上；
输出重定向，将设备打印信息输出至TCP维护Socket连接上，通过自定义Shell命令执行远程维护。
本发明通过移植LwIP协议栈到STM32单片机内，让4G无线模块通过拨号后建立PPP链路，这样运行在STM32单片机内的软件可直接进行标准Socket网络编程，不再使用无线模块内置的网络协议栈，基于此可以开发很多高级网络应用，比如FTP升级、远程维护等。
LwIP是Light Weight轻型IP协议，是瑞典计算机科学院SICS的Adam Dunkels开发的一个小型开源的TCP/IP协议栈，有无操作系统的支持都可以运行，LwIP实现的重点是在保持TCP协议主要功能的基础上减少对RAM的占用，它只需十几KB的RAM和40K左右的ROM就可以运行，这使LwIP协议栈适合在低端的嵌入式系统中使用。
对于TCP服务端借助一台公网服务器，通过SSH登录服务器后，在命令交互窗口执行nc-16000命令，启动TCP监听，端口号为6000。在此nc是netcat的简写，是一个简单可靠的网络工具，是Linux系统默认自带的命令，-1用于指定nc将处于侦听模式，指定该参数，意味着nc被当作server，侦听并接收连接，即作为服务端启动一个TCP监听，6000代表侦听的端口号。
对于TCP客户端，移植LwIP协议栈到STM32单片机内，其处理过程包括LwIP协议栈处理、4G无线模块通信、输出重定向、Shell命令解析处理以及平台交互。
针对LwIP协议栈处理，将LwIP协议栈相关的源文件和头文件添加到软件工程中，另外为了减少对处理器资源的消耗以及优化整个网络通信过程，本发明对LwIP协议栈默认的配置选项进行了优化处理，包括：关闭UDP功能；关闭DNS功能；将TCP_MSS(TCP最大报文段大小)由默认的536调整为1024；将TCP_WND(TCP接收窗口)由默认的(4*TCP_MSS)调整为(2*TCP_MSS)；将MEMP_NUM_PBUF(内存池)由默认的16调整为10。
针对4G无线模块通信，本发明中的STM32处理器通过串口与4G无线模块通信，顺序执行AT指令，完成拨号上线操作。在拨号上线成功后，即可建立PPP链路，获得运营商分配的IP地址，到此设备已经具备了连接公网的能力，可进行标准Socket网络编程操作。本发明实施例中所述拨号采用的是点对点协议，该协议是TCP/IP网络协议包的一个成员，其主要作用是无线模块通过拨号连接上运营服务器后，由PPP获得一个临时的IP地址，使该设备成为网络上的一个节点，只要PPP链路顺利建立成功，获得临时的IP地址，则即可在其上嵌入IP等数据包进行数据传送，完成无线模块的无线网络连接。
针对输出重定向，定义日志输出函数，该函数会在代码中需要输出调试信息的地方调用，该日志输出函数默认从设备的维护串口输出日志信息，当判断到TCP维护Socket连接建立成功后，会将日志信息输出到该Socket连接，而不再从维护串口输出，从而实现输出重定向功能。
针对Shell命令解析处理，定义数据结构用于Shell命令查找，基于该数据结构，定义Shell命令查找表，根据维护需求扩展相应的函数并加入到命令查找表中，由此可根据接收到的命令，调用对应的命令解析函数，执行相应的处理逻辑。
针对平台交互，设备通过4G无线模块联网后，根据与云管理平台约定的协议，通过建立TCP长连接与云管理平台保存双向数据通信。在设备云管理平台上，给设备下发setupconsoletcp命令字符串，在Shell命令查找表中，可看到设备收到该命令后，会执行建立维护口TCP连接的动作。这时在TCP服务端即可看到有设备连接进来，而且可看到重定向过来的打印信息。根据需要输入自定义的Shell命令执行维护操作。
本发明实施例通过将LwIP协议栈移植到STM32单片机内，利用4G无线模块通过拨号建立PPP链路，运行在STM32单片机内的软件可直接进行标准Socket网络编程，不再使用无线模块内置的网络协议栈，STM32设备根据控制命令建立TCP维护端口连接，将STM32设备连接至具有TCP监听的公网服务器上，并输出重定向完成设备打印信息的输出控制，完成STM32设备的远程维护，为开发人员排查问题、维护现场设备时提供一种手段，提高了运维效率，节省了运维成本，具有设计合理、使用方便、可操作性强等优点。
如图3所示，本发明实施例还公开了一种基于LwIP协议栈远程维护STM32设备的系统，所述系统包括：
LwIP协议通信建立模块，用于移植LwIP协议栈到STM32单片机内，将4G无线通信模块基于LwIP协议栈完成拨号，建立PPP链路，获得运营商分配的局域网IP地址；
平台交互模块，用于STM32设备与云管理平台建立TCP长连接，进行双向交互通信；
Shell命令解析模块，用于云管理平台向STM32设备下发建立TCP维护Socket连接控制命令，STM32设备收到命令后，进行命令解析并调用相应的处理函数，建立TCP维护Socket连接，将STM32设备连接至处于监听状态下的公网服务器上；
输出重定向模块，用于输出重定向，将设备打印信息输出至TCP维护Socket连接上，通过自定义Shell命令执行远程维护。
对于TCP服务端借助一台公网服务器，通过SSH登录服务器后，在命令交互窗口执行nc-l6000命令，启动TCP监听，端口号为6000。在此nc是netcat的简写，是一个简单可靠的网络工具，是Linux系统默认自带的命令，-l用于指定nc将处于侦听模式，指定该参数，意味着nc被当作server，侦听并接收连接，即作为服务端启动一个TCP监听，6000代表侦听的端口号。
对于TCP客户端，移植LwIP协议栈到STM32单片机内，其处理过程包括LwIP协议栈处理、4G无线模块通信、输出重定向、Shell命令解析处理以及平台交互。
针对LwIP协议栈处理，将LwIP协议栈相关的源文件和头文件添加到软件工程中，另外为了减少对处理器资源的消耗以及优化整个网络通信过程，本发明对LwIP协议栈默认的配置选项进行了优化处理，包括：关闭UDP功能；关闭DNS功能；将TCP_MSS由默认的536调整为1024；将TCP_WND由默认的(4*TCP_MSS)调整为(2*TCP_MSS)；将MEMP_NUM_PBUF由默认的16调整为10。
针对4G无线模块通信，本发明中的STM32处理器通过串口与4G无线模块通信，顺序执行AT指令，完成拨号上线操作。在拨号上线成功后，即可建立PPP链路，获得运营商分配的IP地址，到此设备已经具备了连接公网的能力，可进行标准Socket网络编程操作。本发明实施例中所述拨号采用的是点对点协议，该协议是TCP/IP网络协议包的一个成员，其主要作用是无线模块通过拨号连接上运营服务器后，由PPP获得一个临时的IP地址，使该设备成为网络上的一个节点，只要PPP链路顺利建立成功，获得临时的IP地址，则即可在其上嵌入IP等数据包进行数据传送，完成无线模块的无线网络连接。
针对输出重定向，定义日志输出函数，该函数会在代码中需要输出调试信息的地方调用，该日志输出函数默认从设备的维护串口输出日志信息，当判断到TCP维护Socket连接建立成功后，会将日志信息输出到该Socket连接，而不再从维护串口输出，从而实现输出重定向功能。
针对Shell命令解析处理，定义数据结构用于Shell命令查找基于该数据结构，定义Shell命令查找表，根据维护需求扩展相应的函数并加入到命令查找表中，由此可根据接收到的命令，调用对应的命令解析函数，执行相应的处理逻辑。
针对平台交互，设备通过4G无线模块联网后，根据与云管理平台约定的协议，通过建立TCP长连接与云管理平台保存双向数据通信。在设备云管理平台上，给设备下发setupconsoletcp命令字符串，在Shell命令查找表中，可看到设备收到该命令后，会执行建立维护口TCP连接的动作。这时在TCP服务端即可看到有设备连接进来，而且可看到重定向过来的打印信息。根据需要输入自定义的Shell命令执行维护操作。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于LwIP协议栈远程维护STM32设备的方法，其特征在于，所述方法包括以下操作：
移植LwIP协议栈到STM32单片机内，将4G无线通信模块基于LwIP协议栈完成拨号，建立PPP链路，获得运营商分配的局域网IP地址；
STM32设备与云管理平台建立TCP长连接，进行双向交互通信；
云管理平台向STM32设备下发建立TCP维护Socket连接控制命令，STM32设备收到命令后，进行命令解析并调用相应的处理函数，建立TCP维护Socket连接，将STM32设备连接至处于监听状态下的公网服务器上；
输出重定向，将设备打印信息输出至TCP维护Socket连接上，通过自定义Shell命令执行远程维护。
2.根据权利要求1所述的一种基于LwIP协议栈远程维护STM32设备的方法，其特征在于，所述公网服务器通过nc工具设置监听端口。
3.根据权利要求1所述的一种基于LwIP协议栈远程维护STM32设备的方法，其特征在于，所述移植LwIP协议栈到STM32单片机内具体为将LwIP协议栈相关的源文件和头文件添加到软件工程中，并对LwIP协议栈默认的配置选项进行优化处理，包括：关闭UDP功能；关闭DNS功能；将TCP最大报文段大小由默认的536调整为1024；将TCP接收窗口由默认的4*TCP_MSS调整为2*TCP_MSS；将内存池由默认的16调整为10。
4.根据权利要求1所述的一种基于LwIP协议栈远程维护STM32设备的方法，其特征在于，所述建立TCP维护Socket连接控制命令以及对应的处理函数以Shell命令查找表的形式存储。
5.一种基于LwIP协议栈远程维护STM32设备的系统，其特征在于，所述系统包括：
LwIP协议通信建立模块，用于移植LwIP协议栈到STM32单片机内，将4G无线通信模块基于LwIP协议栈完成拨号，建立PPP链路，获得运营商分配的局域网IP地址；
平台交互模块，用于STM32设备与云管理平台建立TCP长连接，进行双向交互通信；
Shell命令解析模块，用于云管理平台向STM32设备下发建立TCP维护Socket连接控制命令，STM32设备收到命令后，进行命令解析并调用相应的处理函数，建立TCP维护Socket连接，将STM32设备连接至处于监听状态下的公网服务器上；
输出重定向模块，用于输出重定向，将设备打印信息输出至TCP维护Socket连接上，通过自定义Shell命令执行远程维护。
6.根据权利要求5所述的一种基于LwIP协议栈远程维护STM32设备的系统，其特征在于，所述公网服务器通过nc工具设置监听端口。
7.根据权利要求5所述的一种基于LwIP协议栈远程维护STM32设备的系统，其特征在于，所述LwIP协议栈默认配置选项的优化包括：关闭UDP功能；关闭DNS功能；将TCP最大报文段大小由默认的536调整为1024；将TCP接收窗口由默认的4*TCP_MSS调整为2*TCP_MSS；将内存池由默认的16调整为10。
8.根据权利要求5所述的一种基于LwIP协议栈远程维护STM32设备的系统，其特征在于，所述建立TCP维护Socket连接控制命令以及对应的处理函数以Shell命令查找表的形式存储。
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