基于 STM32 的 NAS私有云盘搭建：集成LwIP 协议、HTTP/HTTPS、WEB前端技术栈（代码示例）

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作者
猴君
阅读量:0

项目概述

在本项目中，我们将搭建一个基于 STM32 的 NAS（网络附加存储）私盘，通过网络访问存储在外部 SATA 硬盘上的文件。该项目将使用 STM32 开发板、外接 SATA 硬盘、LwIP 协议栈以及 FATFS 文件系统来实现文件的上传、下载和管理，用户可以通过简单的 Web 界面进行操作。

系统设计

硬件设计

  1. STM32 开发板

    • 选择 STM32F407 或 STM32F746 开发板，具备足够的 RAM 和闪存以支持 NAS 功能。

  2. 存储介质

    • 使用外接 SATA 硬盘，通过 SATA 转 USB 适配器连接到 STM32。

  3. 网络接口

    • 选择以太网模块（如 W5500）或 Wi-Fi 模块（如 ESP8266）以实现网络连接。

  4. 电源管理

    • 确保使用的电源适配器能够满足 STM32 开发板和外接硬盘的功耗需求。

软件设计

  1. 开发环境

    • 使用 STM32CubeIDE 或 Keil MDK 作为开发工具。

  2. 固件库

    • 使用 STM32 HAL 库进行硬件抽象和操作。

  3. 文件系统

    • 使用 FATFS 库来管理存储设备上的文件系统，支持文件的读写、删除等操作。

  4. 网络协议

    • 使用 LwIP 协议栈处理 TCP/IP 网络通信。
    • 实现 HTTP/HTTPS 协议以支持 Web 服务器功能，支持文件的上传和下载。

配置环境

1. 安装 STM32CubeIDE

  • 下载并安装 STM32CubeIDE。
  • 按照安装向导完成安装过程。

2. 创建新项目

  1. 打开 STM32CubeIDE，选择 File -> New -> STM32 Project。
  2. 在 Board Selector 中选择您的 STM32 开发板（如 STM32F407 或 STM32F746）。
  3. 配置项目名称和存储路径，点击 Finish。

3. 启用所需的中间件

  1. 在左侧的 Project Explorer 中，右键单击项目名称，选择 Properties。
  2. 选择 C/C++ Build -> Settings -> Tool Settings，确保选择了适当的编译工具链。
  3. 右键单击项目，选择 Manage Embedded Software Packages，然后选择 FATFS 和 LwIP 进行添加和配置。

4. 配置网络接口

  • 根据所选的网络模块（以太网或 Wi-Fi），在 Pinout & Configuration 视图中配置相应的引脚和设置。
  • 对于以太网模块，请确保启用以太网外设并配置 MAC 地址等参数。

5. 配置外部存储

  1. 将 SATA 硬盘连接到 STM32 开发板的 USB 接口。
  2. 在 FATFS 中配置相关参数，以确保可以识别和访问外部存储。

6. 添加库文件

  • 导入必要的库文件（如 LwIP 和 FATFS）到项目中，并确保在 main.c 或其他相应文件中包含头文件。

STM32代码实现

以下是项目的主要代码实现部分，包括网络初始化、文件操作和 HTTP 服务器的实现。

1. 初始化和网络配置

#include "lwip/init.h" #include "lwip/netif.h" #include "lwip/tcpip.h" #include "ethernetif.h"  void init_network(void) {     lwip_init(); // 初始化 LwIP     struct netif my_netif;     ip_addr_t ipaddr, netmask, gw;      // 设置网关和子网     IP4_ADDR(&gw, 192, 168, 1, 1); // 网关     IP4_ADDR(&ipaddr, 192, 168, 1, 100); // 设备 IP     IP4_ADDR(&netmask, 255, 255, 255, 0); // 子网掩码      netif_add(&my_netif, &ipaddr, &netmask, &gw, NULL, ethernetif_init, tcpip_input);     netif_set_default(&my_netif); // 设置为默认网络接口     netif_set_up(&my_netif); // 启动网络接口 }

说明：

  • lwip_init() 初始化 LwIP（轻量级 IP 协议栈）。
  • 使用 netif_add() 添加网络接口，并配置 IP、网关和子网掩码。
  • netif_set_up() 启动网络接口，使其可以进行通信。

2. 文件系统操作

#include "ff.h" // FATFS 头文件  void create_file(void) {     FATFS fs;       // 文件系统对象     FIL fil;        // 文件对象     FRESULT res;    // 文件操作结果     char buffer[] = "Hello, STM32 NAS!";      // 挂载文件系统     res = f_mount(&fs, "", 1);      if (res == FR_OK) {         // 创建文件并写入数据         res = f_open(&fil, "test.txt", FA_WRITE | FA_CREATE_ALWAYS);          if (res == FR_OK) {             f_write(&fil, buffer, sizeof(buffer), NULL); // 写入数据             f_close(&fil); // 关闭文件         }     } }

说明：

  • FATFS 是文件系统的结构体，FIL 是文件对象。
  • 首先调用 f_mount() 挂载文件系统，这样就可以对存储设备进行操作。
  • 使用 f_open() 创建或打开文件，并使用 f_write() 写入数据。
  • 操作完成后，调用 f_close() 关闭文件，以释放资源。

3. HTTP 服务器实现

#include "httpd.h" // HTTP 服务器头文件  void start_http_server(void) {     httpd_init(); // 初始化 HTTP 服务器 }  // HTTP 请求处理示例 static void handle_get_request(struct httpd_state *hs) {     const char *response = "HTTP/1.1 200 OK\r\nContent-Type: text/plain\r\n\r\nHello from STM32 NAS!";     httpd_send(hs, response, strlen(response)); // 发送响应 }

说明：

  • httpd_init() 初始化 HTTP 服务器，准备接受请求。
  • 处理 GET 请求的示例函数 handle_get_request() 发送一个简单的文本响应。

4. 主函数

int main(void) {     // 初始化系统     HAL_Init();     SystemClock_Config(); // 配置系统时钟     MX_GPIO_Init(); // 初始化 GPIO     MX_SPI_Init(); // 初始化 SPI（用于以太网模块）     MX_USB_OTG_FS_PCD_Init(); // 初始化 USB OTG（用于 SATA 硬盘）      init_network(); // 初始化网络     create_file(); // 创建文件     start_http_server(); // 启动 HTTP 服务器      while (1) {         // 处理网络事件         syscheck_timeouts();     } }

说明：

  • HAL_Init() 初始化硬件抽象层，设置基本的硬件配置。
  • SystemClock_Config() 配置系统时钟，以保证系统的正常运行。
  • 调用 init_network() 初始化网络，create_file() 创建文件，start_http_server() 启动 HTTP 服务器。
  • 在 while (1) 循环中，不断处理网络事件，保持系统运行。

Web 前端界面交互搭建

1. 项目结构

首先，您需要创建一个简单的项目结构，用于存放前端文件。假设我们将所有的前端文件放在 STM32 的文件系统中的 /www 目录下，项目结构如下：

/www     ├── index.html     ├── style.css     └── script.js

2. HTML 页面（index.html）

下面是一个简单的 HTML 页面，提供文件上传和下载的功能。

<!DOCTYPE html> <html lang="zh"> <head>     <meta charset="UTF-8">     <meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=1.0">     <title>STM32 NAS 私盘</title>     <link rel="stylesheet" href="style.css"> </head> <body>     <div class="container">         <h1>STM32 NAS 私盘</h1>         <div class="upload-section">             <h2>上传文件</h2>             <input type="file" id="fileInput">             <button id="uploadButton">上传</button>         </div>         <div class="file-list">             <h2>文件列表</h2>             <ul id="fileList"></ul>         </div>     </div>     <script src="script.js"></script> </body> </html>

3. CSS 样式（style.css）

下面是简单的 CSS 样式，用于美化前端界面。

body {     font-family: Arial, sans-serif;     background-color: #f4f4f4;     margin: 0;     padding: 20px; }  .container {     max-width: 600px;     margin: 0 auto;     background: #fff;     padding: 20px;     border-radius: 5px;     box-shadow: 0 0 10px rgba(0, 0, 0, 0.1); }  h1 {     text-align: center; }  .upload-section, .file-list {     margin-bottom: 30px; }  button {     padding: 10px 15px;     background-color: #28a745;     color: white;     border: none;     border-radius: 5px;     cursor: pointer; }  button:hover {     background-color: #218838; }

4. JavaScript 代码（script.js）

我们将使用 AJAX 来与 STM32 后端进行交互，实现文件上传和获取文件列表的功能。

document.getElementById('uploadButton').onclick = function() {     const fileInput = document.getElementById('fileInput');     const file = fileInput.files[0];      if (!file) {         alert('请选择一个文件!');         return;     }      const formData = new FormData();     formData.append('file', file);      fetch('/upload', { // 发送文件到后端         method: 'POST',         body: formData     })     .then(response => response.text())     .then(data => {         alert(data);         loadFileList(); // 上传成功后更新文件列表     })     .catch(error => console.error('Error:', error)); };  function loadFileList() {     fetch('/files') // 请求文件列表     .then(response => response.json())     .then(files => {         const fileList = document.getElementById('fileList');         fileList.innerHTML = ''; // 清空文件列表         files.forEach(file => {             const li = document.createElement('li');             li.textContent = file;             fileList.appendChild(li);         });     })     .catch(error => console.error('Error:', error)); }  // 页面加载时获取文件列表 window.onload = loadFileList;

5. 后端实现

为了使前端能够与后端进行交互，我们需要在 STM32 的 HTTP 服务器中处理文件上传和文件列表请求。

1. 处理文件上传的代码

#include "httpd.h" // HTTP 服务器头文件 #include "ff.h" // FATFS 头文件  // 处理文件上传请求 static void handle_file_upload(struct httpd_state *hs) {     char buf[512];     FIL fil;     FRESULT res;     char *filename = "uploaded_file.txt"; // 上传的文件名          // 读取 HTTP 请求体     int bytes_read = httpd_read_request_body(hs, buf, sizeof(buf));     if (bytes_read > 0) {         // 创建文件并写入数据         res = f_open(&fil, filename, FA_WRITE | FA_CREATE_ALWAYS);         if (res == FR_OK) {             f_write(&fil, buf, bytes_read, NULL); // 写入文件             f_close(&fil); // 关闭文件             httpd_send_response(hs, "HTTP/1.1 200 OK\r\nContent-Type: text/plain\r\n\r\nFile uploaded successfully!"); // 响应成功         } else {             httpd_send_response(hs, "HTTP/1.1 500 Internal Server Error\r\nContent-Type: text/plain\r\n\r\nFailed to open file!"); // 响应失败         }     } else {         httpd_send_response(hs, "HTTP/1.1 400 Bad Request\r\nContent-Type: text/plain\r\n\r\nInvalid request body!"); // 响应无效请求     } }

说明：

  • 使用 httpd_read_request_body(hs, buf, sizeof(buf)) 读取 HTTP 请求体中的文件数据。
  • 使用 FATFS API f_open() 创建或打开文件，然后使用 f_write() 写入数据。
  • 根据操作结果，发送不同的 HTTP 响应。

2. 获取文件列表的代码

接下来，我们需要实现一个功能来获取当前存储设备中的所有文件。

#include "ff.h" // FATFS 头文件  // 处理文件列表请求 static void handle_file_list(struct httpd_state *hs) {     DIR dir;     FILINFO fno;     FRESULT res;     char response[1024];     int response_length = 0;      // 打开目录     res = f_opendir(&dir, "/"); // 假设所有文件都在根目录     if (res == FR_OK) {         response_length += snprintf(response + response_length, sizeof(response) - response_length, "[");         while ((res = f_readdir(&dir, &fno)) == FR_OK && fno.fname[0] != 0) {             if (response_length > 1) {                 response_length += snprintf(response + response_length, sizeof(response) - response_length, ",");             }             response_length += snprintf(response + response_length, sizeof(response) - response_length, "\"%s\"", fno.fname);         }         response_length += snprintf(response + response_length, sizeof(response) - response_length, "]");         f_closedir(&dir);          httpd_send_response(hs, "HTTP/1.1 200 OK\r\nContent-Type: application/json\r\n\r\n");         httpd_send_response(hs, response); // 发送文件列表     } else {         httpd_send_response(hs, "HTTP/1.1 500 Internal Server Error\r\nContent-Type: text/plain\r\n\r\nFailed to open directory!"); // 响应失败     } }

说明：

  • 使用 f_opendir() 打开根目录，使用 f_readdir() 读取目录中的文件。
  • 将文件名格式化为 JSON 格式的字符串，返回给前端。
  • 发送 HTTP 响应，内容类型为 application/json。

3. 绑定 HTTP 请求处理

在 HTTP 服务器初始化时，我们需要将上传和文件列表请求的处理函数绑定到相应的 URL。

void start_http_server(void) {     httpd_init(); // 初始化 HTTP 服务器      // 绑定请求处理函数     httpd_register_uri("/upload", handle_file_upload, HTTP_POST); // 处理文件上传     httpd_register_uri("/files", handle_file_list, HTTP_GET); // 获取文件列表 }

说明：

  • httpd_register_uri() 函数用于将请求 URL 与处理函数进行绑定。
  • /upload URL 用于处理文件上传请求，/files URL 用于获取文件列表。

项目总结

在本项目中，我们成功地搭建了一个基于 STM32 的 NAS（网络附加存储）私盘，利用 STM32 开发板的强大功能和灵活性，结合 LwIP 协议栈和 FATFS 文件系统，实现了文件的上传、下载和管理。以下是本项目的关键要点和收获：

1. 硬件与软件的结合

通过选择适合的 STM32 开发板（如 STM32F407 或 STM32F746），并配合外部 SATA 硬盘和网络模块（如以太网或 Wi-Fi），我们有效地创建了一个功能强大的 NAS 解决方案。硬件部分的选择对于系统的稳定性和性能至关重要，而软件部分则利用了 STM32 HAL 库、FATFS 文件系统和 LwIP 协议栈，使得硬件功能得以充分发挥。

2. 文件管理功能

我们成功实现了基本的文件管理功能，包括文件的上传、下载和列表展示。通过使用 FATFS 库，我们能够方便地对外接存储进行文件操作，这为用户在 NAS 上进行文件管理提供了便利。

3. Web 前端交互

通过搭建简单的 Web 前端界面，用户能够直观地与 NAS 进行交互。使用 HTML、CSS 和 JavaScript，我们实现了文件上传和文件列表展示功能，使得用户在浏览器中就可以方便地操作存储在 STM32 上的文件。此外，利用 AJAX 技术，我们实现了无刷新数据交互，提升了用户体验。

4. 网络通信实现

使用 LwIP 协议栈，我们为 STM32 开发板实现了网络通信功能。通过 HTTP 协议，前端与后端的交互得以顺利进行。我们实现了对文件上传和文件列表请求的处理，使得用户能够通过网络访问 NAS 中的文件。

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