物联网网关设计与实现

物联网网关是构建智慧世界的关键设备，通过《物联网网关设计与实现》读者可学到C51网关、STM32网关、Arduino网关、MSP430网关、树莓派网关、ARM网关、智能手机网关、工控机网关、复合型网关相关知识。

物联网（Internet of Things，IoT）应用涉及智能交通、环境保护、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工业监测、老人护理、个人健康等多个领域。物联网的各种应用依赖于所建立的高性能的物联网实时信息系统。在物联网实时信息系统中，物联网网关是一个非常重要的设备，在各种实时数据的收集与传输及设备控制过程中起着至关重要的作用。一方面，物联网网关从与其相连接的物联网节点中获取各种数据，并将这些数据进行初步处理后，发送到物联网数据服务中心；另一方面，物联网网关也从数据服务中心接收各种控制指令，通过执行器或者继电器来完成这些指令的操作，如打开或关闭空调等。 《物联网网关设计与实现》包括物联网网关简介、单片机网关简介、C51 单片机网关、意法半导体 32 位处理器（STMicroelectronics 32-bit Processor，STM32）单片机网关、Arduino 单片机网关、混合信号处理器 430（Mixed Signal Processor 430，MSP430）单片机网关、树莓派单片机网关、进阶精简指令集机器（Advanced RISC Machine，ARM）单片机网关、智能手机网关、工控机网关、复合型网关、物联网网关设计趋势等内容。 《物联网网关设计与实现》适合应用型本科学校网络工程、物联网工程、传感网工程、人工智能、智能科学与技术、数据科学与大数据技术、电子信息与通信、信息与计算科学等专业的本科生、研究生以及相关专业的研究人员使用。

第 1 篇 物联网网关基础 第 1 章 物联网网关简介 2 1.1 物联网实时信息系统 2 1.1.1 物联网实时信息系统的组成 2 1.1.2 物联网节点 3 1.1.3 物联网网关 5 1.1.4 物联网传输网络 5 1.1.5 物联网数据服务中心 7 1.1.6 物联网服务接入网络 10 1.1.7 物联网服务客户端 10 1.2 物联网网关的概念 10 1.2.1 物联网网关的功能 10 1.2.2 物联网网关设计内容 11 1.3 物联网网关数据收集技术 11 1.4 物联网网关的类型 12 1.4.1 单片机网关 12 1.4.2 智能手机网关 13 1.4.3 X86 工控机网关 13 1.4.4 复合型网关 15 1.5 小结 16 思考题 16 案例 17 第 2 章 单片机网关简介 18 2.1 单片机概述 18 2.1.1 单片机简介 18 2.1.2 单片机的组成结构 18 2.1.3 单片机的发展阶段 20 2.1.4 单片机的特点 21 2.1.5 8 位单片机 22 2.1.6 16 位单片机 22 2.1.7 32 位单片机 22 2.1.8 64 位单片机 22 2.2 嵌入式操作系统 23 2.3 主要嵌入式操作系统简介 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 华为 LiteOS 27 2.3.13 Harmony OS 27 2.3.14 Raspbian 27 2.4 小结 28 思考题 28 案例 28 第 2 篇 无操作系统物联网网关 第 3 章 C51 单片机网关 30 3.1 C51 简介 30 3.2 C51 网关硬件介绍 31 3.3 C51 软件开发环境 31 3.4 C51 数据收集 32 3.5 C51 设备控制 36 3.6 C51 数据上传 37 3.7 小结 37 思考题 38 案例 38 第 4 章 C51 健康监控网关 39 4.1 C51 健康监控网关简介 39 4.2 智能设备设计 39 4.2.1 简介 39 4.2.2 设备组成 40 4.3 硬件设计与制作 41 4.3.1 原理设计图 41 4.3.2 PCB 制作 44 4.4 系统程序设计 44 4.4.1 血压值代码 44 4.4.2 体重数据的部分代码 45 4.4.3 身高测量代码 45 4.4.4 网关连接蓝牙主要代码 45 4.5 健康网关 App 客户端 45 4.6 健康网关 Web 服务端 46 4.7 小结 46 思考题 46 案例 47 第 5 章 STM32 单片机网关 48 5.1 STM32 简介 48 5.2 STM32 芯片介绍 48 5.3 STM32 软件开发环境 49 5.4 STM32 数据收集 50 5.5 STM32 设备控制 51 5.6 STM32 数据上传 51 5.7 小结 52 思考题 52 案例 52 第 6 章 STM32 网关实验 54 6.1 STM32-Wi-Fi 网关概述 54 6.1.1 核心板资源 54 6.1.2 STM32-Wi-Fi 底板资源 55 6.2 无线通信实验 55 6.2.1 STM32 串口简介 56 6.2.2 硬件设计 56 6.2.3 程序设计 56 6.2.4 硬件资源介绍 57 6.3 485 通信实验 58 6.3.1 485 简介 59 6.3.2 RSM3485 硬件设计 60 6.3.3 RSM3485 软件设计 60 6.3.4 下载验证 61 6.4 CAN 通信实验 61 6.4.1 CAN 简介 62 6.4.2 CAN 协议 62 6.4.3 CAN 的位时序 65 6.4.4 STM32 相关 bxCAN 66 6.4.5 STM32 的 CAN 发送和接收的流程 67 6.4.6 CAN 配置过程及相关固件库函数 68 6.4.7 CAN 硬件设计 69 6.4.8 CAN 软件设计 69 6.4.9 CAN 通信测试 70 6.5 STM32-Wi-Fi 网关数据采集与控制 71 6.5.1 硬件环境搭建 71 6.5.2 STM32-Wi-Fi 软件设计 71 6.5.3 STM32-Wi-Fi 运行测试 73 6.6 小结 74 思考题 74 案例 74 第 7 章 STM32 车辆安全监测网关 75 7.1 STM32 车辆安全监测网关简介 75 7.2 开发环境及硬件介绍 76 7.3 系统需求分析 77 7.4 系统设计 78 7.5 设备设计与制作 80 7.6 功能实现 85 7.7 小结 88 思考题 89 案例 89 第 8 章 Arduino 单片机网关 90 8.1 Arduino 简介 90 8.2 Arduino 网关硬件介绍 91 8.3 Arduino 软件开发环境 94 8.4 Arduino 数据收集 99 8.5 Arduino 设备控制 99 8.6 Arduino 数据上传 100 8.7 小结 100 思考题 101 案例 101 9 章 Arduino 气象服务网关 102 9.1 Arduino 气象服务网关简介 102 9.2 系统需求分析 102 9.3 Arduino 气象服务网关设计与制作 103 9.4 气象服务网关 Web 服务器设计 107 9.5 气象服务网关客户端 App 开发 109 9.6 小结 110 思考题 110 案例 110 第 10 章 MSP430 单片机网关 111 10.1 MSP430 简介 111 10.2 MSP430 网关硬件介绍 112 10.3 MSP430 软件开发环境 112 10.4 MSP430 数据收集 115 10.5 MSP430 设备控制 116 10.6 MSP430 数据上传 116 10.7 MSP430 网关应用实例 117 10.8 小结 117 思考题 117 案例 118 第 3 篇 嵌入式操作系统物联网网关 第 11 章 树莓派单片机网关 120 11.1 树莓派简介 120 11.2 树莓派网关硬件介绍 120 11.3 树莓派软件开发环境 121 11.4 树莓派数据收集 124 11.5 树莓派设备控制 124 11.6 树莓派数据上传 125 11.7 小结 126 思考题 126 案例 126 第 12 章 树莓派网关实验 127 12.1 树莓派 Wi-Fi 网关概述 127 12.2 树莓派 Wi-Fi 网关系统架构搭建 128 12.2.1 网关操作系统安装 128 12.2.2 QT 工程建立 130 12.3 树莓派 Wi-Fi 网关串口数据收发 134 12.3.1 串口简介 134 12.3.2 程序设计 135 12.3.3 运行验证 137 12.4 树莓派 Wi-Fi 网关数据采集传输与控制 139 12.4.1 硬件环境搭建 139 12.4.2 网络通信程序设计 140 12.4.3 运行验证 141 12.5 小结 143 思考题 143 案例 143 第 13 章 树莓派实验室安全监控网关 144 13.1 树莓派实验室安全监控网关简介 144 13.2 相 关 技 术 145 13.2.1 Arduino Uno 单片机 145 13.2.2 传感器 145 13.2.3 ZigBee 通信 146 13.3 需求分析及总体设计 147 13.3.1 需求分析概述 147 13.3.2 系统总体设计 147 13.3.3 实验室管理系统数据库设计 148 13.4 网关数据收集实现 150 13.4.1 节点数据收集功能实现 150 13.4.2 ZigBee 通信模块的实现 152 13.4.3 网关数据的处理与存储模块的实现 153 13.5 Web 服务实现 153 13.6 小结 154 思考题 155 案例 155 第 14 章 ARM 单片机网关 156 14.1 ARM 简介 156 14.2 ARM 网关硬件介绍 157 14.3 ARM 软件开发环境 159 14.4 ARM 数据收集 160 14.5 ARM 设备控制 161 14.6 ARM 数据上传 162 14.7 小结 163 思考题 163 案例 163 第 15 章 ARM 工控网关实验 164 15.1 ARM 工控网关概述 164 15.2 ARM 网关应用程序环境构建 165 15.2.1 ARM 网关开发简介 165 15.2.2 主机 Linux 操作系统安装步骤 165 15.2.3 构建 ARM 交叉开发环境 166 15.2.4 QT 应用开发环境搭建 167 15.2.5 建立 QT 项目工程 168 15.2.6 QT 项目开发平台交叉编译环境的设置 172 15.3 ARM 网关串口实验 174 15.3.1 ARM 网关接口编程实验软件设计 174 15.3.2 ARM 网关接口编程下载验证 176 15.4 ARM 网关 Linux 驱动及内核实验部分 178 15.4.1 ARM 网关硬件介绍 178 15.4.2 ARM 网关硬件驱动软件设计 179 15.4.3 ARM 网关 RS485 硬件驱动下载验证 180 15.5 ARM 网关数据收集 Wi-Fi 传输与控制 182 15.5.1 程序设计 182 15.5.2 ARM 网关数据收集与传输实验 183 15.6 小结 185 思考题 185 案例 185 第 16 章 ARM 黄瓜大棚监控网关 186 16.1 ARM 黄瓜大棚监控网关在现代大棚种植技术中的应用 186 16.2 运行环境的硬件选取及技术简介 187 16.2.1 系统开发环境 187 16.2.2 硬件选取 188 16.2.3 技术简介 190 16.3 系统需求分析 190 16.3.1 功能需求分析 190 16.3.2 性能需求分析 191 16.3.3 开发语言分析 191 16.4 数据库设计 192 16.5 系统总体设计 193 16.5.1 系统网络拓扑图 193 16.5.2 系统功能模块 193 16.5.3 系统功能流程设计 195 16.6 系统的实现 197 16.6.1 系统开发软硬环境搭建 197 16.6.2 Web 管理系统功能实现 198 16.6.3 客户端 App 功能实现 200 16.7 小结 201 思考题 201 案例 201 第 17 章 智能手机网关 202 17.1 智能手机简介 202 17.2 智能手机网关硬件介绍 204 17.3 智能手机软件开发环境 206 17.3.1 Android App 开发环境 206 17.3.2 微信小程序开发环境 210 17.3.3 微信小程序开发前期准备 210 17.3.4 微信小程序开发过程 212 17.3.5 微信小程序发布过程 216 17.4 智能手机数据收集 218 17.5 智能手机设备控制 218 17.6 智能手机数据上传 219 17.7 小结 220 思考题 220 案例 220 第 18 章 智能手机移动监测网关 221 18.1 智能手机移动监测网关的开发背景及简介 221 18.2 移动监测网关功能设计 222 18.3 移动监测网关功能实现 222 18.4 移动监测网关数据传输 223 18.5 数据中心 Web 管理系统 224 18.6 小结 227 思考题 227 案例 227 第 19 章 工控机网关 228 19.1 工控机简介 228 19.2 工控机网关硬件介绍 228 19.3 工控机网关软件开发环境 230 19.4 工控机网关数据收集 231 19.5 工控机网关设备控制 232 19.6 工控机网关数据上传 233 19.7 小结 233 思考题 233 案例 234 第 20 章 X86 工控机网关实验 235 20.1 X86 工控机 Wi-Fi 网关概述 235 20.1.1 X86 工控机介绍 235 20.1.2 硬件资源说明 236 20.2 X86 工控机 Wi-Fi 网关环境搭建 236 20.2.1 Debian 操作系统安装及配置 237 20.2.2 QT 项目环境搭建 240 20.2.3 建立 X86 工控机 QT 项目 241 20.3 X86 工控机串口实验 242 20.3.1 X86 工控机串口实验简介 242 20.3.2 X86 工控机-串口程序设计 243 20.3.3 X86 工控机串口实验运行验证 244 20.4 X86 工控机网关数据收集 Wi-Fi 传输与控制 245 20.4.1 数据收集 Wi-Fi 传输实验简介 245 20.4.2 数据收集 Wi-Fi 传输程序设计 245 20.4.3 数据收集 Wi-Fi 传输运行验证 246 20.5 小结 249 思考题 249 案例 250 第 21 章 X86 工控机养猪场监控网关 251 21.1 X86 工控机养猪场监控网关简介 251 21.2 养猪监控系统整体设计 252 21.3 养猪监控网关数据收集及控制 253 21.4 养猪监控 Web 服务实现 256 21.5 养猪监控 App 客户端功能实现 269 21.6 小结 271 思考题 271 案例 271 第 4 篇 复合型物联网网关及设计趋势 第 22 章 复合型网关 274 22.1 复合型网关简介 274 22.2 复合型网关硬件介绍 278 22.3 复合型网关软件开发环境 278 22.4 复合型网关数据收集 279 22.5 复合型网关设备控制 279 22.6 复合型网关数据上传 279 22.7 小结 280 思考题 280 案例 280 第 23 章 复合型智能家居网关 281 23.1 复合型智能家居网关的开发背景 281 23.2 网关设计技术方案 282 23.3 网关具体硬件实现 284 23.4 复合型智能家居网关服务 285 23.5 小结 287 思考题 287 案例 287 第 24 章 物联网网关设计趋势 288 24.1 物联网网关面临的挑战 288 24.1.1 网关的广域接入网多协议难题 288 24.1.2 网关数据收集标准接口难以统一 288 24.1.3 网关数据有效性判断难题 288 24.1.4 网关滞后数据传输问题 289 24.1.5 网关节点注册问题 289 24.1.6 网关安全问题 289 24.2 网关面临问题的解决方案 289 24.3 物联网网关中间件 293 24.3.1 中间件简介 293 24.3.2 物联网网关中间件模块 293 24.3.3 Web 服务模块 294 24.3.4 数据收集模块 296 24.3.5 数据检验模块 297 24.3.6 数据传输模块 297 24.3.7 嵌入式数据库模块 297 24.3.8 网关/节点安全及管理模块 298 24.3.9 自动发现节点模块 300 24.4 小结 301 思考题 301 案例 301 第 25 章 物联网网关中间件开发 303 25.1 物联网网关中间件简介 303 25.2 开发环境搭建 304 25.3 物联网节点介绍 306 25.4 数据的采集与存储 307 25.5 数据传输过程 313 25.6 数据显示过程 314 25.7 小结 316 思考题 317 案例 317 附录 英文简称 318 参考文献 323