搭建 STM32 网关服务器的全流程：集成嵌入式 C++、TCP/IP 通信、Flash 存储及 JWT 认证（含代码示例）

news2024/11/15 19:45:00

引言

随着物联网（IoT）技术的快速发展，基于 STM32 的服务器（类似网关）在数据采集、设备控制等方面的应用越来越广泛。本文将介绍搭建一个基于 STM32 的服务器所需的技术栈，以及详细的搭建步骤和代码示例。

技术栈介绍

在搭建基于 STM32 的服务器时，我们需要用到以下技术栈和组件：

1. 硬件平台

  • STM32 微控制器：选择 STM32F4 或 STM32F7 系列，根据性能需求和外设支持。
  • 网络模块：可以选择 ESP8266（Wi-Fi）、ESP32（Wi-Fi + 蓝牙）或以太网模块（如 W5500）。
  • 电源管理：使用稳压器或电源管理芯片，确保系统供电稳定。

2. 开发环境

  • IDE：使用 STM32CubeIDE 或 Keil MDK 进行开发。
  • 库和驱动：
    • STM32 HAL 库：简化硬件访问。
    • LWIP（轻量级IP协议栈）：实现 TCP/IP 协议栈。
    • FreeRTOS（可选）：支持多任务处理。

3. 网络协议

  • TCP/IP：实现基本的网络通信。
  • HTTP/HTTPS：用于支持 Web 服务。
  • MQTT：适合 IoT 设备间的轻量级通信。

4. 开发语言

  • C/C++：主要用于 STM32 的底层开发。
  • HTML/CSS/JavaScript：用于开发 Web 界面。

5. 数据存储

  • Flash 存储：存储配置和小型数据。
  • SD 卡（可选）：用于大容量数据存储。

6. 安全性

  • TLS/SSL：实现数据加密，确保通信安全。
  • 认证机制：如 JWT，确保设备和用户身份验证。

搭建步骤

下面将详细介绍如何搭建基于 STM32 的服务器，涵盖硬件连接、软件开发和测试等步骤。

一、硬件搭建

1.1 准备硬件
  • 开发板：选择 STM32F4 或 STM32F7 开发板。
  • 网络模块：选择 ESP8266 或 W5500 以实现网络连接。
  • 其他配件：稳压电源模块、面包板、杜邦线等。
1.2 硬件连接

  1. 连接 STM32 和网络模块：

    • ESP8266/ESP32：

      • 将 ESP 模块的 VCC 连接到 STM32 的 3.3V，GND 连接到 GND。
      • 将 ESP 的 TX 接口连接到 STM32 的 RX 引脚，RX 接口连接到 STM32 的 TX 引脚。

    • W5500：

      • 将 W5500 的 SPI 接口连接到 STM32 的相应引脚：
        • MOSI -> STM32 MOSI
        • MISO -> STM32 MISO
        • SCK -> STM32 SCK
        • CS -> STM32 GPIO（选择任意 GPIO 作为片选引脚）
      • 连接电源（VCC 和 GND）。

  2. 确保电源管理：

    • 使用适当的稳压器，确保 STM32 和其他模块的电压符合要求。
1.3 硬件连接示意图

二、软件开发

2.1 开发环境设置

2.2 引入必要的库文件

  1. 下载 STM32CubeIDE：

    • 访问 ST 官网 下载并安装 STM32CubeIDE。

  2. 创建新工程：

    • 打开 STM32CubeIDE，选择新建 STM32 项目。
    • 选择所用的 STM32 微控制器型号。

  3. 配置外设：

    • 在 STM32CubeMX 中，配置 UART（用于串口通信）和 SPI（如果使用 W5500）。
    • 在“Pinout & Configuration”选项卡中，设置 UART 和 SPI 引脚。

  4. 启用 LWIP 协议栈：

    • 在“Middleware”选项卡中，启用 LWIP。配置 LWIP 参数，包括 IP 地址、网络掩码和网关。
    • 配置 LWIP 的使用模式（如 DHCP 或静态 IP）。

  5. 生成代码：

    • 点击“Project”菜单，选择“Generate Code”，生成项目代码。

  6. STM32 HAL 库：

    • 在项目中默认已经包含 STM32 HAL 库，无需额外引入。

  7. LWIP 协议栈：

    • LWIP 协议栈已经在 STM32CubeMX 中配置并生成，可以直接使用。

  8. FreeRTOS（可选）：

    • 如果需要多任务处理，选择 FreeRTOS，设置任务优先级及堆大小。

2.3 编写代码

2.3.1 初始化代码

在 main.c 文件中，增加网络初始化和服务器启动代码。以下是基本实现步骤：

#include "lwip/init.h"
#include "lwip/netconn.h"

// 网络配置函数
void init_network() {
    // 初始化硬件
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    MX_GPIO_Init();
    MX_SPI_Init(); // 如果使用W5500
    MX_LWIP_Init(); // 初始化LWIP
}

// TCP/IP 服务器实现
void start_server() {
    struct netconn *conn, *newconn;
    err_t err;

    // 创建 TCP 连接
    conn = netconn_new(NETCONN_TCP);
    netconn_bind(conn, NULL, 80); // 绑定到端口 80
    netconn_listen(conn);

    while (1) {
        err = netconn_accept(conn, &newconn); // 接受新的连接
        if (err == ERR_OK) {
            // 处理请求
            // 这里可以添加处理 HTTP 请求的代码
            netconn_delete(newconn); // 处理完毕后关闭连接
        }
    }
}
2.3.2 主函数

在 main() 函数中调用初始化和服务器启动代码：

int main(void) {
    init_network(); // 初始化网络
    start_server(); // 启动TCP服务器

    while (1) {
        sys_check_timeouts(); // 处理 LWIP 超时
    }
}

2.4 处理 HTTP 请求

为了让服务器能够响应 HTTP 请求，可以在 start_server() 函数中添加 HTTP 请求处理逻辑。以下是一个简单的 HTTP 响应示例：

void handle_request(struct netconn *newconn) {
    struct netbuf *inbuf;
    char *buffer;
    u16_t len;

    // 等待接收数据
    netconn_recv(newconn, &inbuf);
    netbuf_data(inbuf, (void**)&buffer, &len);

    // 简单处理 HTTP GET 请求
    if (strncmp(buffer, "GET ", 4) == 0) {
        // 发送 HTTP 响应
        const char* response = "HTTP/1.1 200 OK\r\nContent-Type: text/html\r\n\r\n"
                               "<html><body><h1>Hello, STM32!</h1></body></html>";
        netconn_write(newconn, response, strlen(response), NETCONN_NOCOPY);
    }

    netbuf_delete(inbuf); // 释放内存
}

// 在 start_server() 中调用
if (err == ERR_OK) {
    handle_request(newconn); // 处理 HTTP 请求
    netconn_delete(newconn);
}

2.5 编译和上传

  1. 编译代码：

    • 在 STM32CubeIDE 中，点击“Build”按钮编译项目，确保代码没有错误。

  2. 上传代码：

    • 连接开发板，选择正确的调试器（如 ST-Link），点击“Run”按钮将代码上传到 STM32。

2.6 测试服务器

  1. 连接网络：

    • 确保 STM32 开发板通过 ESP8266/ESP32 或 W5500 网络模块正确连接到网络。
    • 如果使用 ESP8266/ESP32，请确保模块已连接到 Wi-Fi 网络。如果使用 W5500，请确保以太网线连接到路由器。

  2. 获取 IP 地址：

    • 如果使用 DHCP，STM32 会自动获取 IP 地址。
    • 可以在调试输出（例如使用 UART）中打印出分配的 IP 地址。可以在 lwip 初始化后加入如下代码： 
      ip_addr_t ipaddr, netmask, gw;
netif_default->ip_addr.addr = netif_default->ip_addr.addr;
netif_default->netmask.addr = netif_default->netmask.addr;
netif_default->gw.addr = netif_default->gw.addr;

printf("IP Address: %s\n", ipaddr_ntoa(&netif_default->ip_addr));

  3. 使用浏览器访问服务器：

    • 在 PC 或手机的浏览器中输入 STM32 的 IP 地址，例如 http://192.168.1.100（请根据实际分配的 IP 地址修改）。
    • 如果一切正常，您应该能看到服务器返回的 HTML 页面，显示内容为 "Hello, STM32!"。

  4. 调试：

    • 如果未能访问网页，请检查以下事项：
      • 确保 STM32 开发板的电源正常。
      • 检查网络连接是否正常。
      • 使用串口监视器查看调试信息，确认 IP 地址是否正确。
      • 使用 Wireshark 等工具监控网络流量，检查请求是否到达 STM32。

3.1 增加更多的功能

处理不同的 HTTP 请求

可以根据不同的 URL 路径处理不同的请求，例如通过 GET /data 获取传感器数据。以下是如何实现的步骤：

  1. 修改请求处理函数：
    在 handle_request 函数中，根据请求的 URL 处理不同的请求。

    void handle_request(struct netconn *newconn) {
    struct netbuf *inbuf;
    char *buffer;
    u16_t len;

    // 等待接收数据
    netconn_recv(newconn, &inbuf);
    netbuf_data(inbuf, (void**)&buffer, &len);

    // 简单处理 HTTP GET 请求
    if (strncmp(buffer, "GET /data", 9) == 0) {
        // 假设我们有一个函数获取传感器数据
        char sensor_data[100]; // 假设存储传感器数据的数组
        get_sensor_data(sensor_data); // 实现这个函数以获取传感器数据

        // 发送 HTTP 响应
        char response[150];
        snprintf(response, sizeof(response), "HTTP/1.1 200 OK\r\nContent-Type: text/plain\r\n\r\n%s", sensor_data);
        netconn_write(newconn, response, strlen(response), NETCONN_NOCOPY);
    } else {
        // 处理其他请求
        const char* response = "HTTP/1.1 404 Not Found\r\n\r\n";
        netconn_write(newconn, response, strlen(response), NETCONN_NOCOPY);
    }

    netbuf_delete(inbuf); // 释放内存
}

void get_sensor_data(char *data) {
    // 模拟传感器数据
    sprintf(data, "Temperature: 25.5 C\nHumidity: 60%%");
}
实现 MQTT 支持

如果需要实现 IoT 设备间的通信，可以集成 MQTT 协议。可以使用如 Paho MQTT 或 MQTT-C 等轻量级的 MQTT 客户端库。以下是实现步骤：

  1. 下载并集成 MQTT 库：

    • 根据选定的库，下载源代码并将其添加到 STM32 项目中。

  2. 初始化 MQTT 客户端：

    #include "MQTTClient.h"  // 根据所用的 MQTT 库引入头文件

MQTTClient client;
char *mqtt_broker = "tcp://broker.hivemq.com:1883"; // MQTT Broker 地址

void mqtt_init() {
    MQTTClient_create(&client, mqtt_broker, "stm32_client_id", MQTTCLIENT_PERSISTENCE_NONE, NULL);
    MQTTClient_setCallbacks(client, NULL, NULL, messageArrived, NULL);
    MQTTClient_connectOptions conn_opts = MQTTClient_connectOptions_initializer;
    conn_opts.keepAliveInterval = 20;
    conn_opts.cleansession = 1;

    if (MQTTClient_connect(client, &conn_opts) != MQTTCLIENT_SUCCESS) {
        printf("Failed to connect to MQTT broker\n");
        return;
    }
    printf("Connected to MQTT broker\n");
}

  3. 发布和订阅消息：

    void publish_message(const char *topic, const char *payload) {
    MQTTClient_message pubmsg = MQTTClient_message_initializer;
    pubmsg.payload = (void*)payload;
    pubmsg.payloadlen = strlen(payload);
    pubmsg.qos = 1;
    pubmsg.retained = 0;
    MQTTClient_publishMessage(client, topic, &pubmsg, NULL);
}

void subscribe_to_topic(const char *topic) {
    MQTTClient_subscribe(client, topic, 1);
}

3.2 数据存储

使用 Flash 存储

可以将设备配置（如 Wi-Fi SSID 和密码）存储在 Flash 中，以便在重启时自动加载。

  1. Flash 存储函数：
#include "stm32f4xx_hal_flash.h"

void write_flash(uint32_t address, uint8_t *data, uint16_t size) {
    HAL_FLASH_Unlock(); // 解锁 Flash 写入

    // 擦除页
    FLASH_Erase_Sector(FLASH_SECTOR_2, VOLTAGE_RANGE_3); // 擦除选择的区域
    // 写入数据
       for (uint16_t i = 0; i < size; i++) {
           if (HAL_FLASH_Program(TYPEPROGRAM_BYTE, address + i, data[i]) != HAL_OK) {
               // 处理写入错误
               return;
           }
       }

       HAL_FLASH_Lock(); // 锁定 Flash 写入
   }

   void read_flash(uint32_t address, uint8_t *data, uint16_t size) {
       for (uint16_t i = 0; i < size; i++) {
           data[i] = *(__IO uint8_t*)(address + i); // 读取数据
       }
   }
使用示例

  1. 写入 Wi-Fi 配置：

    void save_wifi_config(const char* ssid, const char* password) {
    uint8_t ssid_len = strlen(ssid);
    uint8_t password_len = strlen(password);
    uint32_t address = 0x080E0000; // 假设选择这个地址存储配置

    // 写入 SSID
    write_flash(address, (uint8_t *)ssid, ssid_len);

    // 写入密码
    write_flash(address + 0x40, (uint8_t *)password, password_len); // 假设密码紧跟在 SSID 后
}

  2. 读取 Wi-Fi 配置：

    void load_wifi_config(char* ssid, char* password) {
    uint32_t address = 0x080E0000; // 读取配置的地址
    uint8_t ssid_len = 32; // 假设 SSID 最大长度为 32
    uint8_t password_len = 32; // 假设密码最大长度为 32

    read_flash(address, (uint8_t *)ssid, ssid_len);
    read_flash(address + 0x40, (uint8_t *)password, password_len);
}

使用 SD 卡存储数据

如果需要存储大量数据，可以添加 SD 卡模块，并使用 FATFS 文件系统进行数据读写。

1. 添加 SD 卡模块
  1. 硬件连接：
    • 将 SD 卡模块连接到 STM32 的 SPI 接口（MOSI、MISO、SCK 和 CS）。
    • 连接 VCC 和 GND。
2. 配置 FATFS

  1. 在 STM32CubeMX 中启用 FATFS：

    • 在中间件部分选择 FATFS，并配置为 SPI 模式。

  2. 生成代码：

    • 生成代码后，您将在项目中看到 FATFS 的相关文件。
3. SD 卡读写示例

  1. 初始化 SD 卡：

    FATFS FatFs;  // FatFs工作区
FIL fil;      // 文件对象
FRESULT fr;  // FATFS 结果

void init_sd_card() {
    fr = f_mount(&FatFs, "", 1); // 挂载文件系统
    if (fr != FR_OK) {
        // 处理错误
    }
}

  2. 写入数据到 SD 卡：

    void write_to_sd_card(const char* filename, const char* data) {
    fr = f_open(&fil, filename, FA_WRITE | FA_CREATE_ALWAYS); // 打开文件
    if (fr == FR_OK) {
        f_write(&fil, data, strlen(data), NULL); // 写入数据
        f_close(&fil); // 关闭文件
    } else {
        // 处理打开文件错误
    }
}

  3. 从 SD 卡读取数据：

    void read_from_sd_card(const char* filename, char* buffer, uint32_t buffer_size) {
    fr = f_open(&fil, filename, FA_READ); // 打开文件
    if (fr == FR_OK) {
        f_read(&fil, buffer, buffer_size, NULL); // 读取数据
        f_close(&fil); // 关闭文件
    } else {
        // 处理打开文件错误
    }
}

3.3 增强安全性

启用 HTTPS

使用 TLS/SSL 库（如 mbedTLS）实现 HTTPS，确保数据传输安全。

1. 集成 mbedTLS

  1. 下载 mbedTLS：

    • 访问 mbedTLS GitHub 页面 下载最新版本的 mbedTLS。
    • 将相关源代码和头文件添加到 STM32 项目中。

  2. 配置 mbedTLS：

    • 在 mbedtls/config.h 中，启用所需功能，例如： 
      #define MBEDTLS_SSL_CLI_C
#define MBEDTLS_SSL_SRV_C
#define MBEDTLS_TLS_C
#define MBEDTLS_X509_CRT_PARSE_C
#define MBEDTLS_SHA256_C
#define MBEDTLS_AES_C
2. 初始化 mbedTLS
#include "mbedtls/net_sockets.h"
#include "mbedtls/ssl.h"
#include "mbedtls/error.h"

// 全局变量
mbedtls_ssl_context ssl;
mbedtls_ssl_config conf;
mbedtls_entropy_context entropy;
mbedtls_ctr_drbg_context ctr_drbg;

// 初始化 mbedTLS
void init_mbedtls() {
    mbedtls_ssl_init(&ssl);
    mbedtls_ssl_config_init(&conf);
    mbedtls_entropy_init(&entropy);
    mbedtls_ctr_drbg_init(&ctr_drbg);

    // 设置随机数生成器
    const char *pers = "ssl_client";
    mbedtls_ctr_drbg_seed(&ctr_drbg, mbedtls_entropy_func, &entropy, (const unsigned char *)pers, strlen(pers));

    // 配置 SSL
    mbedtls_ssl_config_defaults(&conf, MBEDTLS_SSL_IS_CLIENT, MBEDTLS_SSL_TRANSPORT_STREAM, MBEDTLS_SSL_PRESET_DEFAULT);
    mbedtls_ssl_conf_rng(&conf, mbedtls_ctr_drbg_random, &ctr_drbg);
}

// 连接到 HTTPS 服务器
int connect_https(const char *hostname, const char *port) {
    mbedtls_net_context server_fd;
    mbedtls_net_init(&server_fd);

    // 连接到服务器
    if (mbedtls_net_connect(&server_fd, hostname, port, MBEDTLS_NET_PROTO_TCP) != 0) {
        return -1;
    }

    // 设置 SSL
    mbedtls_ssl_setup(&ssl, &conf);
    mbedtls_ssl_set_hostname(&ssl, hostname);
    mbedtls_ssl_set_bio(&ssl, &server_fd, mbedtls_net_send, mbedtls_net_recv, NULL);

    // 完成 SSL 握手
    if (mbedtls_ssl_handshake(&ssl) != 0) {
        mbedtls_net_free(&server_fd);
        return -1;
    }

    return 0; // 连接成功
}
3. 发送 HTTPS 请求
void send_https_request(const char *hostname, const char *path) {
    char request[512];
    snprintf(request, sizeof(request),
             "GET %s HTTP/1.1\r\nHost: %s\r\nConnection: close\r\n\r\n", path, hostname);

    mbedtls_ssl_write(&ssl, (unsigned char *)request, strlen(request));

    // 读取响应
    unsigned char buf[1024];
    int ret;
    do {
        ret = mbedtls_ssl_read(&ssl, buf, sizeof(buf) - 1);
        if (ret > 0) {
            buf[ret] = '\0'; // 添加字符串结束符
            printf("%s", (char *)buf); // 打印响应
        }
    } while (ret > 0);

    // 清理
    mbedtls_ssl_close_notify(&ssl);
    mbedtls_net_free(&server_fd);
}

用户身份认证

1. JWT 生成和验证
1. 生成 JWT

使用 JWT 库生成 JSON Web Token，以下是如何生成 JWT 的示例代码：

#include "jwt.h"

// 生成 JWT
char* generate_jwt(const char *secret, const char *username) {
    jwt_t *jwt = NULL;
    char *token = NULL;

    // 创建新的 JWT
    if (jwt_new(&jwt) != 0) {
        return NULL; // 处理错误
    }

    // 设置 JWT 的声明
    jwt_add_grant(jwt, "sub", username); // 用户名
    jwt_add_grant_int(jwt, "exp", time(NULL) + 3600); // 设置过期时间为1小时

    // 签名 JWT
    if (jwt_set_alg(jwt, JWT_ALG_HS256, (unsigned char *)secret, strlen(secret)) != 0) {
        jwt_free(jwt);
        return NULL; // 处理错误
    }

    // 获取 JWT 字符串
    token = jwt_encode_str(jwt);
    jwt_free(jwt); // 释放 JWT 结构体

    return token; // 返回生成的 JWT
}
2. 验证 JWT

在服务器端验证 JWT，确保请求的用户身份合法。

int verify_jwt(const char *token, const char *secret) {
    jwt_t *jwt = NULL;
    const char *username;

    // 解析 JWT
    if (jwt_decode(&jwt, token, (unsigned char *)secret, strlen(secret)) != 0) {
        return 0; // 验证失败
    }

    // 检查过期时间
    if (jwt_get_grant_int(jwt, "exp") < time(NULL)) {
        jwt_free(jwt);
        return 0; // JWT 已过期
    }

    username = jwt_get_grant(jwt, "sub"); // 获取用户名
    printf("Authenticated user: %s\n", username); // 打印用户信息

    jwt_free(jwt); // 释放 JWT 结构体
    return 1; // 验证成功
}
3. 结合 HTTP 请求与 JWT 验证

在处理 HTTP 请求时，检查 Authorization 头中是否包含有效的 JWT。

void handle_request(struct netconn *newconn) {
    struct netbuf *inbuf;
    char *buffer;
    u16_t len;

    netconn_recv(newconn, &inbuf);
    netbuf_data(inbuf, (void**)&buffer, &len);

    // 示例：处理 GET 请求，检查 JWT
    if (strncmp(buffer, "GET /data", 9) == 0) {
        // 检查 Authorization 头
        char *auth_header = strstr(buffer, "Authorization: ");
        if (auth_header) {
            char *token = strtok(auth_header + 15, "\r\n"); // 提取 JWT (Bearer token)
            if (verify_jwt(token, "your_secret_key")) { // 验证 JWT
                // 返回传感器数据
                char sensor_data[100];
                get_sensor_data(sensor_data); // 获取传感器数据
                char response[150];
                snprintf(response, sizeof(response),
                         "HTTP/1.1 200 OK\r\nContent-Type: text/plain\r\n\r\n%s", sensor_data);
                netconn_write(newconn, response, strlen(response), NETCONN_NOCOPY);
            } else {
                // JWT 验证失败
                const char* response = "HTTP/1.1 401 Unauthorized\r\n\r\n";
                netconn_write(newconn, response, strlen(response), NETCONN_NOCOPY);
            }
        } else {
            // 未提供 JWT
            const char* response = "HTTP/1.1 401 Unauthorized\r\n\r\n";
            netconn_write(newconn, response, strlen(response), NETCONN_NOCOPY);
        }
    } else {
        // 处理其他请求
        const char* response = "HTTP/1.1 404 Not Found\r\n\r\n";
        netconn_write(newconn, response, strlen(response), NETCONN_NOCOPY);
    }

    netbuf_delete(inbuf); // 释放内存
}

总结

通过本文，我们详细介绍了如何搭建一个基于 STM32 的服务器（类似网关），并实现了多种功能，具体包括：

  1. 硬件搭建：

    • 选择合适的 STM32 微控制器（如 STM32F4 或 STM32F7）和网络模块（如 ESP8266、ESP32 或 W5500）。
    • 确保电源管理稳定，为系统提供稳定的电压。

  2. 软件开发：

    • 设置开发环境，使用 STM32CubeIDE 创建项目。
    • 配置并初始化网络模块，使用 LWIP 协议栈实现 TCP/IP 通信。
    • 编写处理 HTTP 请求的代码，支持根据 URL 路径返回不同的响应。

  3. 增加更多功能：

    • 处理不同的 HTTP 请求，获取传感器数据并返回。
    • 集成 MQTT 协议，实现 IoT 设备间的通信。
    • 提供 HTTP 服务和 MQTT 服务，增加系统的灵活性。

  4. 数据存储：

    • 使用 Flash 存储设备配置（如 Wi-Fi SSID 和密码）。
    • 使用 SD 卡模块存储大量数据，并通过 FATFS 文件系统读写数据。

  5. 增强安全性：

    • 使用 mbedTLS 库启用 HTTPS，确保数据传输的安全性。
    • 实现 JWT（JSON Web Token）身份认证，确保只有授权用户能够访问服务器。

非常感谢您阅读到这里！您的关注和支持是我不断前进的动力。跟随着我探索嵌入式领域，希望因为兴趣而成为嵌入式领域的专家。

在这个快速发展的技术时代，嵌入式系统无处不在，从智能家居到医疗设备，从自动驾驶汽车到工业控制，每一个领域都离不开嵌入式技术的支持。对我来说，嵌入式不仅仅是一门技术，更是一种激情和追求。通过不断学习和实践，我深深爱上了这个充满挑战和机遇的领域。每一次调试成功，每一个创新的实现，都是我继续前行的动力。

——by 极客小张

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