物聯網網關設計與實現

物聯網（Internet of Things，IoT）應用涉及智能交通、環境保護、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工業監測、老人護理、個人健康等多個領域。物聯網的各種應用依賴於所建立的高性能的物聯網實時信息系統。在物聯網實時信息系統中，物聯網網關是一個非常重要的設備，在各種實時數據的收集與傳輸及設備控制過程中起著至關重要的作用。一方面，物聯網網關從與其相連接的物聯網節點中獲取各種數據，並將這些數據進行初步處理後，發送到物聯網數據服務中心；另一方面，物聯網網關也從數據服務中心接收各種控制指令，通過執行器或者繼電器來完成這些指令的操作，如打開或關閉空調等。 《物聯網網關設計與實現》包括物聯網網關簡介、單片機網關簡介、C51 單片機網關、意法半導體 32 位處理器（STMicroelectronics 32-bit Processor，STM32）單片機網關、Arduino 單片機網關、混合信號處理器 430（Mixed Signal Processor 430，MSP430）單片機網關、樹莓派單片機網關、進階精簡指令集機器（Advanced RISC Machine，ARM）單片機網關、智能手機網關、工控機網關、復合型網關、物聯網網關設計趨勢等內容。 《物聯網網關設計與實現》適合應用型本科學校網絡工程、物聯網工程、傳感網工程、人工智能、智能科學與技術、數據科學與大數據技術、電子信息與通信、信息與計算科學等專業的本科生、研究生以及相關專業的研究人員使用。

目錄
第 1 篇 物聯網網關基礎 
第 1 章 物聯網網關簡介 2 
1.1 物聯網實時信息系統  2 
1.1.1 物聯網實時信息系統的組成 2 
1.1.2 物聯網節點 3 
1.1.3 物聯網網關 5 
1.1.4 物聯網傳輸網絡 5 
1.1.5 物聯網數據服務中心  7 
1.1.6 物聯網服務接入網絡  10 
1.1.7 物聯網服務客戶端  10 
1.2 物聯網網關的概念  10 
1.2.1 物聯網網關的功能  10 
1.2.2 物聯網網關設計內容  11 
1.3 物聯網網關數據收集技術  11 
1.4 物聯網網關的類型  12 
1.4.1 單片機網關  12 
1.4.2 智能手機網關  13 
1.4.3 X86 工控機網關  13 
1.4.4 復合型網關 15 
1.5 小結  16 
思考題 16 
案例  17 

第 2 章 單片機網關簡介 18 
2.1 單片機概述  18 
2.1.1 單片機簡介  18 
2.1.2 單片機的組成結構  18 
2.1.3 單片機的發展階段  20 
2.1.4 單片機的特點  21 
2.1.5 8 位單片機  22 
2.1.6 16 位單片機  22 
2.1.7 32 位單片機  22 
2.1.8 64 位單片機  22 
2.2 嵌入式操作系統  23 
2.3 主要嵌入式操作系統簡介  23 
2.3.1 PSoS  24 
2.3.2 VRTX  24 
2.3.3 QNX  24 
2.3.4 VxWorks . 24 
2.3.5 μC/OS  24 
2.3.6 RTLinux  25 
2.3.7 Windows CE  25 
2.3.8 Android  25 
2.3.9 iOS  26 
2.3.10 Windows 10 IoT  26 
2.3.11 Google Brillo  27 
2.3.12 華為 LiteOS  27 
2.3.13 Harmony OS  27 
2.3.14 Raspbian  27 
2.4 小結  28 
思考題  28 
案例 28 

第 2 篇 無操作系統物聯網網關 
第 3 章 C51 單片機網關 30 
3.1 C51 簡介  30 
3.2 C51 網關硬件介紹  31 
3.3 C51 軟件開發環境  31 
3.4 C51 數據收集  32 
3.5 C51 設備控制  36 
3.6 C51 數據上傳  37 
3.7 小結  37 
思考題  38 
案例  38 

第 4 章 C51 健康監控網關 39 
4.1 C51 健康監控網關簡介  39 
4.2 智能設備設計  39 
4.2.1 簡介  39 
4.2.2 設備組成  40 
4.3 硬件設計與製作  41 
4.3.1 原理設計圖  41 
4.3.2 PCB 製作  44 
4.4 系統程序設計  44 
4.4.1 血壓值代碼  44 
4.4.2 體重數據的部分代碼  45 
4.4.3 身高測量代碼  45 
4.4.4 網關連接藍牙主要代碼  45 
4.5 健康網關 App 客戶端  45 
4.6 健康網關 Web 服務端  46 
4.7 小結  46 
思考題  46 
案例  47 

第 5 章 STM32 單片機網關 48 
5.1 STM32 簡介 48 
5.2 STM32 芯片介紹  48 
5.3 STM32 軟件開發環境  49 
5.4 STM32 數據收集  50 
5.5 STM32 設備控制  51 
5.6 STM32 數據上傳 51 
5.7 小結  52 
思考題  52 
案例 52 

第 6 章 STM32 網關實驗 54 
6.1 STM32-Wi-Fi 網關概述  54 
6.1.1 核心板資源  54 
6.1.2 STM32-Wi-Fi 底板資源 55 
6.2 無線通信實驗  55 
6.2.1 STM32 串口簡介  56 
6.2.2 硬件設計 56 
6.2.3 程序設計  56 
6.2.4 硬件資源介紹  57 
6.3 485 通信實驗  58 
6.3.1 485 簡介  59 
6.3.2 RSM3485 硬件設計  60 
6.3.3 RSM3485 軟件設計  60 
6.3.4 下載驗證  61 
6.4 CAN 通信實驗  61 
6.4.1 CAN 簡介  62 
6.4.2 CAN 協議  62 
6.4.3 CAN 的位時序 65 
6.4.4 STM32 相關 bxCAN  66 
6.4.5 STM32 的 CAN 發送和接收的流程  67 
6.4.6 CAN 配置過程及相關固件庫函數  68 
6.4.7 CAN 硬件設計  69 
6.4.8 CAN 軟件設計  69 
6.4.9 CAN 通信測試  70 
6.5 STM32-Wi-Fi 網關數據採集與控制  71 
6.5.1 硬件環境搭建  71 
6.5.2 STM32-Wi-Fi 軟件設計  71 
6.5.3 STM32-Wi-Fi 運行測試  73 
6.6 小結  74 
思考題  74 
案例  74 

第 7 章 STM32 車輛安全監測網關 75 
7.1 STM32 車輛安全監測網關簡介  75 
7.2 開發環境及硬件介紹  76 
7.3 系統需求分析  77 
7.4 系統設計  78 
7.5 設備設計與製作  80 
7.6 功能實現  85 
7.7 小結  88 
思考題  89 
案例  89 

第 8 章 Arduino 單片機網關 90 
8.1 Arduino 簡介  90 
8.2 Arduino 網關硬件介紹  91 
8.3 Arduino 軟件開發環境  94 
8.4 Arduino 數據收集  99 
8.5 Arduino 設備控制  99 
8.6 Arduino 數據上傳  100 
8.7 小結  100 
思考題  101 
案例  101

9 章 Arduino 氣象服務網關  102 
9.1 Arduino 氣象服務網關簡介  102 
9.2 系統需求分析  102 
9.3 Arduino 氣象服務網關設計與製作  103 
9.4 氣象服務網關 Web 服務器設計  107 
9.5 氣象服務網關客戶端 App 開發  109 
9.6 小結  110 
思考題  110 
案例  110 

第 10 章 MSP430 單片機網關  111 
10.1 MSP430 簡介  111 
10.2 MSP430 網關硬件介紹  112 
10.3 MSP430 軟件開發環境  112 
10.4 MSP430 數據收集  115 
10.5 MSP430 設備控制  116 
10.6 MSP430 數據上傳  116 
10.7 MSP430 網關應用實例  117 
10.8 小結  117 
思考題  117 
案例  118 

第 3 篇 嵌入式操作系統物聯網網關 
第 11 章 樹莓派單片機網關  120 
11.1 樹莓派簡介  120 
11.2 樹莓派網關硬件介紹  120 
11.3 樹莓派軟件開發環境  121 
11.4 樹莓派數據收集  124 
11.5 樹莓派設備控制  124 
11.6 樹莓派數據上傳  125 
11.7 小結  126 
思考題  126 
案例  126 

第 12 章 樹莓派網關實驗  127 
12.1 樹莓派 Wi-Fi 網關概述  127 
12.2 樹莓派 Wi-Fi 網關系統架構搭建  128 
12.2.1 網關操作系統安裝 128 
12.2.2 QT 工程建立  130 
12.3 樹莓派 Wi-Fi 網關串口數據收發  134 
12.3.1 串口簡介  134 
12.3.2 程序設計 135 
12.3.3 運行驗證  137 
12.4 樹莓派 Wi-Fi 網關數據採集傳輸與控制  139 
12.4.1 硬件環境搭建  139 
12.4.2 網絡通信程序設計  140 
12.4.3 運行驗證  141 
12.5 小結  143 
思考題  143 
案例  143 

第 13 章 樹莓派實驗室安全監控網關  144 
13.1 樹莓派實驗室安全監控網關簡介  144 
13.2 相 關 技 術  145 
13.2.1 Arduino Uno 單片機  145 
13.2.2 傳感器  145 
13.2.3 ZigBee 通信  146 
13.3 需求分析及總體設計  147 
13.3.1 需求分析概述  147 
13.3.2 系統總體設計  147 
13.3.3 實驗室管理系統數據庫設計  148 
13.4 網關數據收集實現  150 
13.4.1 節點數據收集功能實現  150 
13.4.2 ZigBee 通信模塊的實現  152 
13.4.3 網關數據的處理與存儲模塊的實現  153 
13.5 Web 服務實現  153 
13.6 小結  154 
思考題  155 
案例  155 

第 14 章 ARM 單片機網關  156 
14.1 ARM 簡介  156 
14.2 ARM 網關硬件介紹  157 
14.3 ARM 軟件開發環境  159 
14.4 ARM 數據收集  160 
14.5 ARM 設備控制  161 
14.6 ARM 數據上傳  162 
14.7 小結  163
思考題  163 
案例  163 

第 15 章 ARM 工控網關實驗  164 
15.1 ARM 工控網關概述  164 
15.2 ARM 網關應用程序環境構建  165 
15.2.1 ARM 網關開發簡介  165 
15.2.2 主機 Linux 操作系統安裝步驟  165 
15.2.3 構建 ARM 交叉開發環境  166 
15.2.4 QT 應用開發環境搭建  167 
15.2.5 建立 QT 項目工程  168 
15.2.6 QT 項目開發平臺交叉編譯環境的設置  172 
15.3 ARM 網關串口實驗  174 
15.3.1 ARM 網關接口編程實驗軟件設計 174 
15.3.2 ARM 網關接口編程下載驗證  176 
15.4 ARM 網關 Linux 驅動及內核實驗部分  178 
15.4.1 ARM 網關硬件介紹  178 
15.4.2 ARM 網關硬件驅動軟件設計  179 
15.4.3 ARM 網關 RS485 硬件驅動下載驗證  180 
15.5 ARM 網關數據收集 Wi-Fi 傳輸與控制  182 
15.5.1 程序設計  182 
15.5.2 ARM 網關數據收集與傳輸實驗  183 
15.6 小結  185 
思考題  185 
案例  185 

第 16 章 ARM 黃瓜大棚監控網關  186 
16.1 ARM 黃瓜大棚監控網關在現代大棚種植技術中的應用  186 
16.2 運行環境的硬件選取及技術簡介  187 
16.2.1 系統開發環境  187 
16.2.2 硬件選取  188 
16.2.3 技術簡介  190 
16.3 系統需求分析  190 
16.3.1 功能需求分析  190 
16.3.2 性能需求分析  191 
16.3.3 開發語言分析  191 
16.4 數據庫設計  192 
16.5 系統總體設計  193 
16.5.1 系統網絡拓撲圖  193 
16.5.2 系統功能模塊  193 
16.5.3 系統功能流程設計  195 
16.6 系統的實現  197 
16.6.1 系統開發軟硬環境搭建  197 
16.6.2 Web 管理系統功能實現  198 
16.6.3 客戶端 App 功能實現  200 
16.7 小結  201 
思考題  201 
案例  201 

第 17 章 智能手機網關  202 
17.1 智能手機簡介  202 
17.2 智能手機網關硬件介紹  204 
17.3 智能手機軟件開發環境  206 
17.3.1 Android App 開發環境  206 
17.3.2 微信小程序開發環境 210 
17.3.3 微信小程序開發前期準備  210 
17.3.4 微信小程序開發過程  212 
17.3.5 微信小程序發布過程  216 
17.4 智能手機數據收集  218 
17.5 智能手機設備控制  218 
17.6 智能手機數據上傳  219 
17.7 小結  220 
思考題  220 
案例 220 

第 18 章 智能手機移動監測網關  221 
18.1 智能手機移動監測網關的開發背景及簡介  221 
18.2 移動監測網關功能設計  222 
18.3 移動監測網關功能實現  222 
18.4 移動監測網關數據傳輸  223 
18.5 數據中心 Web 管理系統  224 
18.6 小結  227 
思考題  227 
案例  227 

第 19 章 工控機網關 228 
19.1 工控機簡介  228 
19.2 工控機網關硬件介紹  228 
19.3 工控機網關軟件開發環境  230 
19.4 工控機網關數據收集  231 
19.5 工控機網關設備控制  232 
19.6 工控機網關數據上傳  233 
19.7 小結  233 
思考題  233 
案例  234 

第 20 章 X86 工控機網關實驗  235 
20.1 X86 工控機 Wi-Fi 網關概述  235 
20.1.1 X86 工控機介紹  235 
20.1.2 硬件資源說明  236 
20.2 X86 工控機 Wi-Fi 網關環境搭建  236 
20.2.1 Debian 操作系統安裝及配置  237 
20.2.2 QT 項目環境搭建 240 
20.2.3 建立 X86 工控機 QT 項目 241 
20.3 X86 工控機串口實驗  242 
20.3.1 X86 工控機串口實驗簡介  242 
20.3.2 X86 工控機-串口程序設計  243 
20.3.3 X86 工控機串口實驗運行驗證  244 
20.4 X86 工控機網關數據收集 Wi-Fi 傳輸與控制  245 
20.4.1 數據收集 Wi-Fi 傳輸實驗簡介  245 
20.4.2 數據收集 Wi-Fi 傳輸程序設計  245 
20.4.3 數據收集 Wi-Fi 傳輸運行驗證  246 
20.5 小結  249 
思考題  249 
案例  250 

第 21 章 X86 工控機養豬場監控網關  251 
21.1 X86 工控機養豬場監控網關簡介  251 
21.2 養豬監控系統整體設計  252 
21.3 養豬監控網關數據收集及控制  253 
21.4 養豬監控 Web 服務實現  256 
21.5 養豬監控 App 客戶端功能實現  269 
21.6 小結  271 
思考題  271 
案例 271 

第 4 篇 復合型物聯網網關及設計趨勢 
第 22 章 復合型網關  274 
22.1 復合型網關簡介  274 
22.2 復合型網關硬件介紹  278 
22.3 復合型網關軟件開發環境  278 
22.4 復合型網關數據收集  279 
22.5 復合型網關設備控制  279 
22.6 復合型網關數據上傳  279 
22.7 小結  280 
思考題  280 
案例 280 

第 23 章 復合型智能家居網關 281 
23.1 復合型智能家居網關的開發背景  281 
23.2 網關設計技術方案  282 
23.3 網關具體硬件實現  284 
23.4 復合型智能家居網關服務  285 
23.5 小結  287 
思考題  287 
案例  287 

第 24 章 物聯網網關設計趨勢 288 
24.1 物聯網網關面臨的挑戰  288 
24.1.1 網關的廣域接入網多協議難題  288 
24.1.2 網關數據收集標準接口難以統一  288 
24.1.3 網關數據有效性判斷難題  288 
24.1.4 網關滯後數據傳輸問題  289 
24.1.5 網關節點註冊問題  289 
24.1.6 網關安全問題  289 
24.2 網關面臨問題的解決方案  289 
24.3 物聯網網關中間件  293 
24.3.1 中間件簡介  293 
24.3.2 物聯網網關中間件模塊  293 
24.3.3 Web 服務模塊  294 
24.3.4 數據收集模塊  296 
24.3.5 數據檢驗模塊  297 
24.3.6 數據傳輸模塊  297 
24.3.7 嵌入式數據庫模塊  297
24.3.8 網關/節點安全及管理模塊  298 
24.3.9 自動發現節點模塊  300 
24.4 小結  301 
思考題  301 
案例  301 

第 25 章 物聯網網關中間件開發  303 
25.1 物聯網網關中間件簡介  303 
25.2 開發環境搭建  304 
25.3 物聯網節點介紹  306 
25.4 數據的採集與存儲  307 
25.5 數據傳輸過程  313 
25.6 數據顯示過程  314 
25.7 小結  316 
思考題  317 
案例  317 

附錄 英文簡稱  318 
參考文獻  323