一种面向智慧工地应用的物联网网关设计与实现.pdf
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2022-11-11
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一种面向智慧工地应用的物联网网关设计与实现
摘要：物联网系统架构由物联网云平台、IoT 网关和用户浏览器组成。智慧工地
应用了多种物联网技术，由 IoT 网关通过网络（有线或无线）将数据上传物联网
云平台。IoT 网关基本架构为内嵌 RTOS 实时操作系统，JSON 解析库和 MQTT 协
议栈的核心单片机，通过网络通讯模块的 TCP 透传功能和云端服务器交互数据，
通过 RS485 或其他工业总线与现场设备或传感器交互数据。核心单片机选取
STM32F401，用 STM32CubeMX 集成 FREERTOS 用 MDK-ARM 开发，加载 JSON 库
Jasson，移植 MQTT 协议栈。制作 IoT 网关原型并连接环境传感器(Modbus-RTU)测
试，其可以实现控制消息的下发和数据消息的上传。
关键词：物联网；智慧工地；IoT 网关；MQTT
0 引言
物联网是一个通过信息技术将各种物体连接成网络，以帮助人们获取这些物
体的信息的媒介[1]。智慧工地是在物联网智能化的基础上，通过技术不断创新的
智能终端采集系统，实现了对各项数据的收集、归纳、分析以及预判[2]，打破传
统施工现场的束缚，提供高效的远程监管手段。
1 智慧工地的物联网框架体系
物联网系统架构由物联网云平台、IoT 网关和用户浏览器三部分组成[3]。云
平台基于其强大的计算和存储能力，对 IoT 网关传入的数据进行处理，并授权用
户通过浏览器访问和管理物联网资源。
如图 1 所示，智慧工地应用了自动识别技术、传感技术、图像采集技术和定
位跟踪技术等，由 IoT 网关通过网络（有线或无线）将数据上传物联网云平台。
其相较于传统施工方式可大大提升施工现场、企业和政府的管理效率，保障质量
安全等建设目标的实现，最终促进建筑业持续健康发展[4]。
图 1 智慧工地的物联网框架体系
2IoT 网关的架构设计
IoT 网关作为设备和云平台之间的连接桥梁，实现对设备的控制操作，将设备
的数据封装为统一的物联网平台数据格式[5]，上传至云平台。
JSON(JavaScript?Object Notation)是一种轻量级的数据交换格式。它基
于?ECMAScript?的一个子集，采用完全独立于编程语言的文本格式来存储和表示
数据[6]。
MQTT(消息队列遥测传输)是 ISO 标准(ISO/IEC PRF 20922)下基于发布/订阅范式
的消息协议，是为硬件性能低下的远程设备以及网络状况糟糕的情况下而设计的。
图 2 IoT 网关基本架构
如图 2 所示，核心单片机内嵌 RTOS 实时操作系统、JSON 解析库和 MQTT 协
议栈，通过网络通讯模块的 TCP 透传功能和云端服务器交互数据，通过 RS485 或
其他工业总线与现场设备或传感器交互数据。
3 通讯协议层的适配和实现
核心单片机选取 STM32F4 系列，使用 STM32CubeMX 集成 FREERTOS 并生成
初始工程。
图 3 STM32CubeMX 界面
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