工业物联网系统无线嵌入式(附件)
本设计针对工业物联网中的无线嵌入式网关数据传输的问题，对OPENWRT技术进行了仔细的研究，完成了将工业数据在无线嵌入式网关中传输的设计，并初步设计并提出了解决方案。采用串口通信和Socket通信的技术原理，首先通过安装串口驱动程序使用串口通信的方式解决了OPENWRT开发板和ZigBee协调器之间的数据通信问题，其次通过安装LuaSocket软件包的方式使用Socket通信实现了OPENWRT开发板和服务器之间的数据传输问题。测试结果表明，系统能够基本实现设计目标，能够实现从串口中读取ZigBee协调器传输的数据，并能将数据显示出来，并能通过Socket通信的方式向服务器传输数据。关键词 无线嵌入式网关，OPENWRT，Socket通信，串口通信
目 录
1 绪论 1
1.1 研究背景与意义 1
1.2 国内外研究与发展现状 1
1.3 设计主要研究内容 5
2 设计总体设计 5
2.1 设计需求 5
2.2 方案设计 6
3 基础知识 8
3.1 开发软件介绍 8
3.2 OPENWRT操作系统介绍 10
4 硬件分析 10
4.1 硬件总体分析 10
4.2 无线嵌入式网关硬件 11
5 软件设计 14
5.1 总体设计 14
5.2 串口通信设计 15
5.3 Socket通信设计 17
5.4 WEB界面设计 19
6 系统测试与实验 23
6.1 配置和编译 23
6.2 安装所需环境 25
6.3 数据传输调试 26
6.4 界面显示调试 28
结 论 30
致 谢 31
参考文献 32
附录 34
1 绪论
1.1 研究背景与意义
在物联网技术快速发展的今天，嵌入式设备已经在各个领域中得到了应用。尤其在工业领域，物联网推动着传统工业企业的网络化和移动化的快速发展。在网络时代，传统产业中的许多设备都可以联网，从而 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
通过网络对设备状态进行监控，还能通过这种方法对数据进行分析以优化管理。因此工业物联网需要选择合适方式将数据在设备和服务器之间进行传输。
目前，网络传输又分为有线网络传输和无线网络传输。无线网络相比于有线网络有许多优点。首先无线网络技术的应用可以降低布线成本。其次可以节约工业设备空间，可以扩展工业传感器的功能。通过工业方面的协议可以将设备与无线网关连接起来，实现在不同设备如PC或手机上对工业设备进行实时监控，还可以对数据进行分析，进而指导工业生产。
1.2 国内外研究与发展现状
1.2.1 国外研究现状
1） 工业物联网中无线技术发展
在2002年，美国能源部下属的能源和可再生能源办公室（DOE）发表了白皮书—《Industrial Wireless Technology for the 21st Century》，在该白皮书中详细介绍了将无线技术应用于工业系统中的必要性，并表明了无线传感器网络在工业自动化领域中巨大应用[1]。2004年，美国能源部发布了“未来工业计划”（IOF）中工业无线通讯技术被列为一个重要内容，并在美国仪器仪表协会（ISA）设置ISA100工作委员会致力制定工业无线通信相关技术标准[2]。2017年，英国商业，能源与工业战略部（From:Department for Business, Energy & Industria）发表了绿皮书—《Building our Industrial Starategy》，在该绿皮书中阐明了英国拥有研发优势，加快英国对机器人和人工智能以及5G移动网络技术在工业方面的研究[3]。
在2014年IEEE国际通信研讨会（ICC）上，由于当时无线解决方案在实时和可靠性要求方面特别是对于闭环控制应用还没有提供足够的解决方案。因此，提出了低延迟无线通信技术[4]。随着工业无线技术和嵌入式技术的发展，对复杂环境下的工业数据传输的可靠性和实时性提出了较高的要求。Manish Kumar、Rajeev Tripathi和Sudarshan Tiwari面对恶劣和复杂的工业环境提出了一个新的路由协议，满足了工业对实时性和可靠性的要求[5]。
2004年，美国仪表和自动化研究所建立的工业无线标准SP100（后改称ISA100）委员会，发起了工业无线技术的标准化进程[6]。随着技术的发展和商业的需求，许多公司和研究人员已经开发出基于ISA100标准的设备或技术。2015年在第54届日本仪器与控制工程师学会（SICE）上，Yokogawa Electric公司提出了基于ISA100无线解决方案，该解决方案根据现有的技术和能源预算使设备包括网络延迟可以保证不到10秒的更新时间。该公司的无线产品“Plant Wide Wireless”提供完全冗余，大型可扩展性，快速响应确定性网络，能够支持最苛刻的工厂和关键业务应用[7]。日本东京日立有限公司技术创新中心电子研究开发集团的研究人员基于ISA100.11a标准提出了一种称为“自适应信道分集”（ACD）的方法，其在可靠性和延迟方面提高了无线性能[8]。
2） 无线嵌入式网关发展
无线嵌入式网关的主流路由器固件有DDWrt，Tomato，OpenWRT这三类嵌入式系统。其中经常使用的OpenWRT进行嵌入式硬件设备开发。这个系统就是一个嵌入式的Linux的发行版本。开发人员可以基于这个系统开发相关的OpenWRT应用程序[9]。OpenWRT项目开始于2004年，OpenWRT版本是基于WRT54G的Linksys GPL源和uclibc项目，这个版本因为稳定而被人所熟知[10]。此后OpenWRT项目一直发布更新。
表 11 稳定的OpenWRT发行版
公告/发行说明
发布日期
目 录
1 绪论 1
1.1 研究背景与意义 1
1.2 国内外研究与发展现状 1
1.3 设计主要研究内容 5
2 设计总体设计 5
2.1 设计需求 5
2.2 方案设计 6
3 基础知识 8
3.1 开发软件介绍 8
3.2 OPENWRT操作系统介绍 10
4 硬件分析 10
4.1 硬件总体分析 10
4.2 无线嵌入式网关硬件 11
5 软件设计 14
5.1 总体设计 14
5.2 串口通信设计 15
5.3 Socket通信设计 17
5.4 WEB界面设计 19
6 系统测试与实验 23
6.1 配置和编译 23
6.2 安装所需环境 25
6.3 数据传输调试 26
6.4 界面显示调试 28
结 论 30
致 谢 31
参考文献 32
附录 34
1 绪论
1.1 研究背景与意义
在物联网技术快速发展的今天，嵌入式设备已经在各个领域中得到了应用。尤其在工业领域，物联网推动着传统工业企业的网络化和移动化的快速发展。在网络时代，传统产业中的许多设备都可以联网，从而 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
通过网络对设备状态进行监控，还能通过这种方法对数据进行分析以优化管理。因此工业物联网需要选择合适方式将数据在设备和服务器之间进行传输。
目前，网络传输又分为有线网络传输和无线网络传输。无线网络相比于有线网络有许多优点。首先无线网络技术的应用可以降低布线成本。其次可以节约工业设备空间，可以扩展工业传感器的功能。通过工业方面的协议可以将设备与无线网关连接起来，实现在不同设备如PC或手机上对工业设备进行实时监控，还可以对数据进行分析，进而指导工业生产。
1.2 国内外研究与发展现状
1.2.1 国外研究现状
1） 工业物联网中无线技术发展
在2002年，美国能源部下属的能源和可再生能源办公室（DOE）发表了白皮书—《Industrial Wireless Technology for the 21st Century》，在该白皮书中详细介绍了将无线技术应用于工业系统中的必要性，并表明了无线传感器网络在工业自动化领域中巨大应用[1]。2004年，美国能源部发布了“未来工业计划”（IOF）中工业无线通讯技术被列为一个重要内容，并在美国仪器仪表协会（ISA）设置ISA100工作委员会致力制定工业无线通信相关技术标准[2]。2017年，英国商业，能源与工业战略部（From:Department for Business, Energy & Industria）发表了绿皮书—《Building our Industrial Starategy》，在该绿皮书中阐明了英国拥有研发优势，加快英国对机器人和人工智能以及5G移动网络技术在工业方面的研究[3]。
在2014年IEEE国际通信研讨会（ICC）上，由于当时无线解决方案在实时和可靠性要求方面特别是对于闭环控制应用还没有提供足够的解决方案。因此，提出了低延迟无线通信技术[4]。随着工业无线技术和嵌入式技术的发展，对复杂环境下的工业数据传输的可靠性和实时性提出了较高的要求。Manish Kumar、Rajeev Tripathi和Sudarshan Tiwari面对恶劣和复杂的工业环境提出了一个新的路由协议，满足了工业对实时性和可靠性的要求[5]。
2004年，美国仪表和自动化研究所建立的工业无线标准SP100（后改称ISA100）委员会，发起了工业无线技术的标准化进程[6]。随着技术的发展和商业的需求，许多公司和研究人员已经开发出基于ISA100标准的设备或技术。2015年在第54届日本仪器与控制工程师学会（SICE）上，Yokogawa Electric公司提出了基于ISA100无线解决方案，该解决方案根据现有的技术和能源预算使设备包括网络延迟可以保证不到10秒的更新时间。该公司的无线产品“Plant Wide Wireless”提供完全冗余，大型可扩展性，快速响应确定性网络，能够支持最苛刻的工厂和关键业务应用[7]。日本东京日立有限公司技术创新中心电子研究开发集团的研究人员基于ISA100.11a标准提出了一种称为“自适应信道分集”（ACD）的方法，其在可靠性和延迟方面提高了无线性能[8]。
2） 无线嵌入式网关发展
无线嵌入式网关的主流路由器固件有DDWrt，Tomato，OpenWRT这三类嵌入式系统。其中经常使用的OpenWRT进行嵌入式硬件设备开发。这个系统就是一个嵌入式的Linux的发行版本。开发人员可以基于这个系统开发相关的OpenWRT应用程序[9]。OpenWRT项目开始于2004年，OpenWRT版本是基于WRT54G的Linksys GPL源和uclibc项目，这个版本因为稳定而被人所熟知[10]。此后OpenWRT项目一直发布更新。
表 11 稳定的OpenWRT发行版
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