论文总字数：25271字

摘 要

近年来物联网已经吸引了越来越多行业的目光，我国提出的智能制造目标要求工业系统能够智能化地管理各种现场设备。想要实现智能制造的目标就需要在制造业中广泛使用物联网，而使用物联网的关键在于保证通信，通信的核心设备是数据网关。

本文首先给出了该课题的背景及其意义，并介绍了工业物联网和智能网关，然后分析了智能网关系统的需求，给出了系统的总体设计方案后详细给出了各个部分的实现方法，紧接着介绍了实现该系统所使用的硬件并给出了各功能模块的软件实现方法，其后对各个功能模块进行运行测试后再对整体系统进行运行测试，最后总结全文并对未来进行展望。

本设计以自制的开发板为核心，在其ARM、Linux系统上搭建智能网关，通过串口利用MODBUS RTU通信协议与PLC进行通信，通过WIFI利用TCP/IP通信协议与PC上位机进行通信，并在其上搭建轻量级服务器Lighttpd来实现用户对智能网关及其通信协议相关参数的配置。该系统可用于实时监视现场PLC的数据同时可对PLC进行简单控制，以此促进智能制造目标的实现。

关键词：物联网，智能网关，服务器

Abstract

In recent years, the Internet of Things has attracted the attention of more and more industries. The smart manufacturing target proposed by China requires that industrial systems can intelligently manage various field devices. To achieve the goal of intelligent manufacturing, it is necessary to use the Internet of Things in the manufacturing industry. The key to using the Internet of Things is to ensure communication. The core device of communication is the smart gateway.

This article first gives the background and significance of the topic, and introduces the industrial Internet of things and smart gateway, then analyzes the requirements of the smart gateway system, gives the overall design of the system and gives the implementation method of each part in detail. Then, the hardware used to implement the system was introduced and the software implementation method of each function module was given. After that, each function module was tested and running the entire system. Finally, the full text was summarized and the future was forecasted.

The design is based on a self-made development board, sets up data gateways on its ARM and Linux systems, communicates with PLC through serial port using MODBUS RTU communication protocol, and communicates with PC host computer through WIFI using TCP/IP communication protocol, and lightweight server Lighttpd is set up to implement the user's configuration of smart gateway and related parameters of the communication protocol. The system can be used to monitor the PLC data in real time and at the same time can simply control the PLC to promote the realization of intelligent manufacturing goals.

KEY WORDS: Internet of Things, Smart gateway, Server

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 课题背景及意义 1

1.2 工业物联网 1

1.2.1 工业物联网的背景 1

1.2.2 工业物联网的基本架构 1

1.2.3 工业物联网的关键技术 3

1.3 智能网关 5

1.3.1 智能网关的背景 5

1.3.2 智能网关的基本架构 6

1.3.3 智能网关应有的性能 6

第二章 系统设计方案 8

2.1 需求分析 8

2.2 系统总体结构设计 8

2.3 功能模块划分 9

2.3.1 服务器 9

2.3.2 与上位机的通讯 10

2.3.3 与PLC的通讯 12

2.4 系统硬件介绍 15

2.4.1 系统总体设计思路 15

2.4.2 ARM基本系统组件 16

2.4.3 接口扩展子卡组件 16

第三章 系统软件设计 17

3.1 服务器部分 17

3.1.1 网页前端 17

3.1.2 网页后端 21

3.2 与上位机通讯部分 25

3.2.1 服务端 25

3.2.2 客户端 27

3.3 与PLC通讯部分 28

3.3.1 主机部分 28

3.3.2 从机部分 30

第四章 系统运行测试 31

4.1 软件环境搭建 31

4.2 软件运行测试 31

4.2.1 服务器运行测试 31

4.2.2 与上位机通讯测试 33

4.2.3 与PLC通讯测试 34

4.2.4 系统整体运行测试 36

第五章 总结与展望 39

致 谢 40

参考文献 41

绪论

课题背景及意义

在2015年政府报告中提出了《中国制造2025》，我国将“智能制造”作为《中国制造2025》的主攻方向,其实质是通过互联网与工业深度融合,在新一轮产业革命中抢占未来制造业变革的先机^[1]。如果想要提高各种复杂工业系统的可靠性和可扩展性，有必要设计能够进行有效信息交换的更灵活的基础设施。对于传统的网络，如果需要提供一种新的合作机制，我们应该逐一更新所有相关设备的通信协议。 因此，我们应该寻求新的方法来快速管理和配置各种网络资源。使用工业物联网可以很好地将互联网与工业设备融合起来，而物联网中的数据网关就是工业设备与互联网连接的桥梁。故提出本课题来设计并实现一个采集最常见的工业设备——PLC的数据并上传给PC上位机供用户观察分析的数据网关系统，通过这个数据网关系统工厂可以对其PLC中的数据进行监控和改写，以此推进其智能制造的进程。

工业物联网

工业物联网的背景

所谓物联网（The Internet of Things），其概念是指通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络^[2]。近年来，随着电子技术的不断进步以及新型高性能和低成本无线通信技术的发展^[3]，工业物联网技术也在不断的进步。工业物联网由众多依赖传感、通信、网络和信息处理技术的设备构成。提供了连接设备或物体的可能性并让这些设备或物体共享周围环境中发的相关信息。工业物联网具有监视、控制等能力，因此工业物联网已经在许多领域中被尝试使用，此外工业物联网已被成功用于建设智能化工厂。工业物联网可用于收集工业现场的数据，通过高度的智能化来提高生产力；通过对现场工作人员的定位，以及快速事件检测能力来及时处理设备故障，以此提高工业现场的安全性。工业物联网通过使用带有无线传感能力的设备来监控各个设备的工作状态，通过开发先进且通用的具有预测能力的用于维护现场设备的应用程序，来降低现场设备的维护成本及减少危险事件的发生。工业物联网设备之间的信息交互和相互操作可避免人与设备交互导致的延迟，以此提高整个工业系统的实时性。

物联网被认为是继互联网和移动通信网络之后的第三次信息技术浪潮^[4]。物联网技术可以有效促进物质生产与服务管理的整合，物理世界与数字世界的融合。物联网可以改变许多现有工业系统的运营及其所扮演的角色。在各个行业中人们使用物联网技术的兴趣越来越大，大量工业物联网项目已经在农业，食品加工，环境监测，安全监控等领域开展。

工业物联网的基本架构

工业物联网可以通过网络连接不同的现场设备，由于工业互联网还处于发展阶段，因此了解典型工业互联网系统的架构在系统设计中起着重要作用。工业物联网架构的设计涉及通信对象、网络服务应用、功能模型、工作流程、数据处理、隐私安全等方面问题。工业物联网架构的设计还需要考虑该架构的可扩展性，各种功能的模块化以及异构设备之间的互操作性。由于工业物联网系统中的对象可能会发生移动或需要对周围环境进行实时监控，因此需要使用带有自适应能力的架构来实现异构设备动之间或异构设备与周围环境之间的交互。此外工业物联网中各个对象的分散性和异构性决定了该架构必须具有高效的驱动性能。而连接异构系统和异构对象的面向服务架构（SOA）^[5][6]可以以多种方式保证不同异构对象之间、不同异构对象和异构系统之间、不同异构系统之间的信息交互，故以下介绍面向服务的工业物联网架构。图1-1显示了面向服务架构的物联网。

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