工业物联网系统设计嵌入式网关设计(附件)
由于网络技术的不断发展，人们生活水平的不断提高，虚拟网络已经无法满足人们的工作需求，物联网技术应运而生。物联网就是物物相连的互联网。本课题研究的关于“工业物联网系统设计-嵌入式网关设计”就是在网络技术高速进步，各种异域网络澎湃发展的环境下出现的。本课题的主芯片使用的是LPC1765系列（Cortex-M3），采用的通信协议（数据链路层）是当前工业控制领域应用最为广泛的协议之一MODBUS协议，许多工业产品都兼容该协议（例如本课题PC机端的组态王软件）。物理层接口使用的是RS232和CAN总线标准。移植RT-Tcpnet轻型tcp/ip协议（使用的是ARM公司提供的库文件），调用相关的接口函数就可以作为WEB服务器远程访问嵌入式网关。关键字物联网，嵌入式，网关，MODBUS，RS232，CAN
目录
1 绪论 1
1.1研究背景 1
1.2发展现状 2
1.3研究目的和意义 3
1.4研究目标 3
1.5研究方法 4
2 相关技术介绍 5
2.1 RS232接口技术 5
2.2 CAN总线标准 5
2.3 MODBUS协议 7
2.4 RLTcpnet 9
2.5Zigbee技术简介 10
3 软硬件平台 10
3.1ES02开发板介绍 10
3.2开发板外观图 11
3.3软件开发环境 12
4 系统整体设计 12
4.1系统的整体设计 12
4.2 硬件设计 13
4.3软件设计 16
5 系统调试 22
5.1网关与PC机通信测试 22
5.2网关与zigbee协调器通信 23
5.3Zigbee组网调试 24
5.4系统的测试现场图 25
5.5组态王软件测试 26
结 论 27
致 谢 28
参 考 文 献 29
附录开发板PCB图 30
1 绪论
工业领域的生产设备在以往是没有主动联网功能的，导致 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
生产数据、物料消耗、产品跟踪全部由人工来完成，效率低、错漏多，在这样的背景下人们提出了工业物联网，即通过网络来连接相关设备，实现工业生产由人工向网络转变，提高了生产效率。纵所周知，2个网络是无法进行通信的，中间必须要有一个网关，而如果选用专用服务器作为网关，成本代价较大，所以工业嵌入式网关应运而生。嵌入式系统主要是以面向应用为方向，在计算机计算的基础上、具有可移植、可裁剪、适用于工业化生产应用，对产品的实时性，可靠性，成本，生产效率等方面特殊严格要求的专用计算机系统。这些特点，决定了仅仅需要很低的成本就可以实现工业不同网络间的数据传输。
随着物联网技术的发展，各种异构网络开始了蓬勃发展，zigbee网络就是产生于这个时期。但是zigbee网络是无法直接连接到互联网的，如何将zigbee网络连接到物联网这是一个需要解决的热点问题，这个时候，解决异构网络间的通信问题就显得尤为重要了。因此，提出了网关的概念，由网关来完成两个异构网络之间数据的转发。本课题使用的是基于嵌入式ARM芯片CortexM3系列的ES02开发板和CC2530 ZigBee模块，设计完成了数据的分组转发。网关的工作原理就是实现数据的分组转发，实现zigbee网络和互联网之间的通信，包括了不同网络之间的数据转发和对ZigBee网络的管理。
1.1研究背景
随着以计算机技术为核心的工业物联网的不断发展，不同网络之间的差异不断扩大。如何实现不同工业网络之间的数据通信，成了当今工业物联网的一个核心问题，嵌入式网关的出现很好的解决了这个问题。过去的互联网是以PC机为核心的，而如今的互联网已经开始往嵌入式方向发展。现如今嵌入式网关已经广泛的应用于工业生产，传输等方面。我们需要控制工业现场的数据传输都要建立专用的通信线路，物理层，数据链路层的协议都需要自己设计，这就造成了不同的网络之间通信极其困难，非常不利于数据的流通，根本无法满足当今互联网所提出的数据的共享的理念。同时，随着社会网络化的不断提高，几乎稍微大一点的企业都有自己的局域网，造成了网络的规模越来越大，差异越来越明显。另外，由于目前市场上CAN总线、RS485，、Profibus、FF等多种现场总线并存，不同总线协议之间是无法通信的，那么嵌入式网关的出现就显得尤为重要了。
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图1.1 市场上的网关
1.2发展现状
随着信息时代的到来，网络已经已经渗入了我们现实生活的方方面面，可以说，现在的人们的生活已经离不开网络了，而嵌入式网络也就是在这个时候产生了，与此同时，人们在使用网络的时候，也加快了嵌入式网络的快速发展，互联网与嵌入式网关起到了相辅相成的作用，共同促进了网络的发展。嵌入式网络应用意义深远，应用的范围也是非常的广泛，例如，家居生活，工业物联网。目前已经实现的嵌入式网络系统实现的功能非常的丰富，包含了对工业生产现场的设备的集中管理、数据的远程传输、远程控制、远程查询、故障反馈等一系列的功能。嵌入式网络的所包含的这些功能我们可以将其划分为一些子系统，如远程登录控制子系统、数据分组子系统、数据传输子系统等。嵌入式网络与下位机（本课题可以理解为zigbee组网系统）它们之间的通信方式可采用RS485或者CAN总线协议，当然RS232也是可以的。嵌入式网络连接的另一头，是由PC的组态王软件与嵌入式网络的连接，它们之间的通信协议接口可以使用合适的（如RS232，485等都是可以的）。当然，嵌入式网络一定需要有上网的功能，所以，我们需要移植tcp/ip协议，这样，可以利用远程控制的方式实现控制嵌入式网络。目前，嵌入式系统和网络已是一种不可分割的结合体。工业设备的联网与设备的远程操作，其意义已经不仅仅显示在它的经济价值了，更多的在于它把工业设备进行了联网操作，实现了嵌入式系统网络化。嵌入式网络的核心技术就是在于网络协议的转换。现在市场上已有很多种能实现这种协议转换的核心模块。随着以计算机技术为基础的嵌入式网络的快速发展，人类社会正逐步进入后PC时代，嵌入式网络解决了异构网络之间的通信问题，推动了社会的快速发展，而且，以其越来越先进的技术和越来越广阔的应用领域，必将成为后PC时代的擎天柱。我们有理由相信，嵌入式网络会在我们人类社会在扮演着越来越重要的角色。
1.3研究目的和意义
本课题主要研究基于CortexM3处理器上嵌入式网关的开发，主要实现不同的网络之间数据能够传输。是通过网关实现数据的分组转发。网关的2端分别连接着由zigbee组网实现的网络与组态王软件连接的互联网。本课题带有很强的研究性质，能够很好的提高我们的科研能力，锻炼我们的团队合作、自主研究项目的能力，培养我们的创新精神。通过对本课题的研究，一方面可以通过嵌入式网关开发，使得我们对于网络间的数据传输原理有了一个总体的认识，巩固了我们对于计算机网络的学习，而且通过对于CortexM3系列arm芯片的学习，我们对于arm这个体系结构有了更全面的认识。另一方面我们对于zigbee的组网，数据的加密，解密也有了更加清晰的认识。总而言之，通过此次课题的研究，不仅能够极大的增强我们的理论知识，更主要的还能够提高我们的动手能力，为我们今后的人生发展打下了坚实的基础。
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1 绪论 1
1.1研究背景 1
1.2发展现状 2
1.3研究目的和意义 3
1.4研究目标 3
1.5研究方法 4
2 相关技术介绍 5
2.1 RS232接口技术 5
2.2 CAN总线标准 5
2.3 MODBUS协议 7
2.4 RLTcpnet 9
2.5Zigbee技术简介 10
3 软硬件平台 10
3.1ES02开发板介绍 10
3.2开发板外观图 11
3.3软件开发环境 12
4 系统整体设计 12
4.1系统的整体设计 12
4.2 硬件设计 13
4.3软件设计 16
5 系统调试 22
5.1网关与PC机通信测试 22
5.2网关与zigbee协调器通信 23
5.3Zigbee组网调试 24
5.4系统的测试现场图 25
5.5组态王软件测试 26
结 论 27
致 谢 28
参 考 文 献 29
附录开发板PCB图 30
1 绪论
工业领域的生产设备在以往是没有主动联网功能的，导致 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
生产数据、物料消耗、产品跟踪全部由人工来完成，效率低、错漏多，在这样的背景下人们提出了工业物联网，即通过网络来连接相关设备，实现工业生产由人工向网络转变，提高了生产效率。纵所周知，2个网络是无法进行通信的，中间必须要有一个网关，而如果选用专用服务器作为网关，成本代价较大，所以工业嵌入式网关应运而生。嵌入式系统主要是以面向应用为方向，在计算机计算的基础上、具有可移植、可裁剪、适用于工业化生产应用，对产品的实时性，可靠性，成本，生产效率等方面特殊严格要求的专用计算机系统。这些特点，决定了仅仅需要很低的成本就可以实现工业不同网络间的数据传输。
随着物联网技术的发展，各种异构网络开始了蓬勃发展，zigbee网络就是产生于这个时期。但是zigbee网络是无法直接连接到互联网的，如何将zigbee网络连接到物联网这是一个需要解决的热点问题，这个时候，解决异构网络间的通信问题就显得尤为重要了。因此，提出了网关的概念，由网关来完成两个异构网络之间数据的转发。本课题使用的是基于嵌入式ARM芯片CortexM3系列的ES02开发板和CC2530 ZigBee模块，设计完成了数据的分组转发。网关的工作原理就是实现数据的分组转发，实现zigbee网络和互联网之间的通信，包括了不同网络之间的数据转发和对ZigBee网络的管理。
1.1研究背景
随着以计算机技术为核心的工业物联网的不断发展，不同网络之间的差异不断扩大。如何实现不同工业网络之间的数据通信，成了当今工业物联网的一个核心问题，嵌入式网关的出现很好的解决了这个问题。过去的互联网是以PC机为核心的，而如今的互联网已经开始往嵌入式方向发展。现如今嵌入式网关已经广泛的应用于工业生产，传输等方面。我们需要控制工业现场的数据传输都要建立专用的通信线路，物理层，数据链路层的协议都需要自己设计，这就造成了不同的网络之间通信极其困难，非常不利于数据的流通，根本无法满足当今互联网所提出的数据的共享的理念。同时，随着社会网络化的不断提高，几乎稍微大一点的企业都有自己的局域网，造成了网络的规模越来越大，差异越来越明显。另外，由于目前市场上CAN总线、RS485，、Profibus、FF等多种现场总线并存，不同总线协议之间是无法通信的，那么嵌入式网关的出现就显得尤为重要了。
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图1.1 市场上的网关
1.2发展现状
随着信息时代的到来，网络已经已经渗入了我们现实生活的方方面面，可以说，现在的人们的生活已经离不开网络了，而嵌入式网络也就是在这个时候产生了，与此同时，人们在使用网络的时候，也加快了嵌入式网络的快速发展，互联网与嵌入式网关起到了相辅相成的作用，共同促进了网络的发展。嵌入式网络应用意义深远，应用的范围也是非常的广泛，例如，家居生活，工业物联网。目前已经实现的嵌入式网络系统实现的功能非常的丰富，包含了对工业生产现场的设备的集中管理、数据的远程传输、远程控制、远程查询、故障反馈等一系列的功能。嵌入式网络的所包含的这些功能我们可以将其划分为一些子系统，如远程登录控制子系统、数据分组子系统、数据传输子系统等。嵌入式网络与下位机（本课题可以理解为zigbee组网系统）它们之间的通信方式可采用RS485或者CAN总线协议，当然RS232也是可以的。嵌入式网络连接的另一头，是由PC的组态王软件与嵌入式网络的连接，它们之间的通信协议接口可以使用合适的（如RS232，485等都是可以的）。当然，嵌入式网络一定需要有上网的功能，所以，我们需要移植tcp/ip协议，这样，可以利用远程控制的方式实现控制嵌入式网络。目前，嵌入式系统和网络已是一种不可分割的结合体。工业设备的联网与设备的远程操作，其意义已经不仅仅显示在它的经济价值了，更多的在于它把工业设备进行了联网操作，实现了嵌入式系统网络化。嵌入式网络的核心技术就是在于网络协议的转换。现在市场上已有很多种能实现这种协议转换的核心模块。随着以计算机技术为基础的嵌入式网络的快速发展，人类社会正逐步进入后PC时代，嵌入式网络解决了异构网络之间的通信问题，推动了社会的快速发展，而且，以其越来越先进的技术和越来越广阔的应用领域，必将成为后PC时代的擎天柱。我们有理由相信，嵌入式网络会在我们人类社会在扮演着越来越重要的角色。
1.3研究目的和意义
本课题主要研究基于CortexM3处理器上嵌入式网关的开发，主要实现不同的网络之间数据能够传输。是通过网关实现数据的分组转发。网关的2端分别连接着由zigbee组网实现的网络与组态王软件连接的互联网。本课题带有很强的研究性质，能够很好的提高我们的科研能力，锻炼我们的团队合作、自主研究项目的能力，培养我们的创新精神。通过对本课题的研究，一方面可以通过嵌入式网关开发，使得我们对于网络间的数据传输原理有了一个总体的认识，巩固了我们对于计算机网络的学习，而且通过对于CortexM3系列arm芯片的学习，我们对于arm这个体系结构有了更全面的认识。另一方面我们对于zigbee的组网，数据的加密，解密也有了更加清晰的认识。总而言之，通过此次课题的研究，不仅能够极大的增强我们的理论知识，更主要的还能够提高我们的动手能力，为我们今后的人生发展打下了坚实的基础。
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