[正版]物联网网关设计与实现 刘持标 清华大学出版社 物联网工程物联网应用物联网信息系统

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。

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。

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