物联网网关设计与实现

本书对物联网网关相关的理论及实践知识的阐述具有较强的深度、广度。作者基于物联网领域的校企合作、科研及教学成果，对物联网网关所涉及的各种概念及关键技术进行了较为完整的论述，在编写上结合使用大量的图表，使教材的理论内容通俗易懂；同时利用详细的、具有较强操作性的实例，指导学生在学习过程中设计并实现不同类型物联网网关，提高学生的学习兴趣及解决实际问题的能力。本书包括 4 篇内容，分别是物联网网关基础、无操作系统物联网网关、嵌入式操作系统物联网网关和复合型物联网网关及设计趋势。 
第 1 篇为物联网网关基础，它讲述了物联网实时信息系统，其包括节点、网关、传输网络、数据服务中心、服务接入网络与客户端。物联网网关相关概念包括网关功能、网关设计及网关数据收集技术。物联网网关类型包括单片机网关、智能手机网关、X86 工控机网关和复合型网关。单片机网关是一类重要的物联网网关，其可分为无操作系统网关与嵌入式操作系统网关；单片机物联网网关所使用的嵌入式操作系统包括 PSoS、VRTX、QNX、 VxWorks、μC/OS、实时 Linux、Windows CE、Android、iOS、Windows 10 IoT、Google Brillo、 华为 LiteOS 和 Raspbian。 
第 2 篇为无操作系统物联网网关，介绍了C51 单片机网关、STM32 网关、Arduino 单 片机网关、MSP430 单片机网关。 
第 3 篇为嵌入式操作系统物联网网关，介绍了树莓派单片机网关、ARM 单片机网关、 智能手机网关与工控机网关设计。 
第 4 篇为复合型物联网网关及设计趋势，内容包括复合型网关相关的硬件、软件开发 环境、数据收集、设备控制和数据上传、物联网网关的挑战、网关面临问题解决方案及网关中间件等。 
本书的作者刘持标具有丰富的国内外物联网网关设计与实现经历，撰写了本书第 1～5 章、7～11 章、13～14 章、16～19 章、21～25 章的内容。本书的合著者为北京智联友道科技有限公司的汪利新，他撰写了本书第 6 章、第 12 章、第 15 章及第 20 章的内容。通过校企合作编写教材，一方面可进一步深化应用技术型本科教育与企业的深度融合，另一方面可以利用企业方面的优势资源来满足培养高素质物联网应用型人才的需求。 
感谢三明学院信息工程学院、福建省农业物联网重点实验室、物联网应用福建省高校工程研究中心为本书的顺利完成提供了各方面的大力支持。感谢福建省科技计划引导性项 目（2018N0029、2017N0029）、2017年第二批产学合作协同育人项目—物联网网关设计课程建设（教高司函〔2018〕4 号：201702185015）、2018 年省级本科教学团队—ICT 专业群应用型教学团队（闽教高〔2018〕59 号）、2019 年省级虚拟仿真实验教学项目—智能农业 3D 虚拟仿真实验教学项目（闽教高〔2019〕13 号）的支持。感谢我的学生肖毓贤、林丹舒、陈毅、郑志伟、陈金华、严孝元、陈泉成、陈嘉妹、陈勇等，在本书编写过程中所给予的帮助。同时，欢迎广大教师和读者提出宝贵意见。 
编者

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（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