面向智能楼宇设备的物联网网关的设计与实现

摘要

物联网作为继互联网之后的又一大信息技术浪潮，已经走进了人们的生活。它可以实现物与物之间的信息交换，在智能楼宇领域中具有十分重要的应用价值。然而由于现有楼宇内部电器设备网络种类繁多，甚至有厂家专用协议，导致楼宇子系统相互之间无法通信，造成大量有效资源的浪费。因此，对于现有楼宇和新建楼宇的物联网能源系统，需利用物联网网关进行统一管理。MQTT作为物联网未来的协议标准，以其极小的带宽和发布/订阅消息模式，解除了应用程序的耦合，可实现对现行电气设备网络的有效整合管理。本学位论文将ZigBee和ModBus两种通信协议，通过MQTT消息代理进行转发，实现通信协议的转换。
　　首先，明确物联网网关的研究目的和研究意义，在分析国内外研究现状的基础上，详细介绍接入层ZigBee和ModBus协议以及处理层MQTT协议，提出将MQTT应用到智能楼宇领域的设计方案。
　　其次，对面向智能楼宇物联网网关的设计目标和整体架构作出明确分析，分别设计物联网网关所需的硬件设备和软件环境。从接入层、处理层和应用层三个层次入手实现物联网网关的协议转换功能。ZigBee采用树形拓扑结构自组网，实现了对终端传感器数据信息的采集;ModBus采用主从通信方式实现数据的交换。为了实现MQTT分别与ZigBee和ModBus协议报文的转换，设计了一种自定义帧格式。详细设计网关的工作流程，并给出了自定义帧解析流程，通过Mosquitto代理软件实现了消息的推送。利用B/S模式的Web服务器架构，实现异地对现场数据的访问。
　　最后，对物联网网关进行集成测试。主要对物联网网关协议转换功能及数据查询功能进行测试和结果分析。

目录

声明

摘要

1．1 研究目的和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 物联网研究现状

1．2．2 智能楼宇研究现状

1．2．3 物联网网关研究现状

1．3 研究内容与主要工作

1．4 本文结构

2．1 引言

2．2 ZigBee协议

2．2．1 ZigBee协议简介

2．2．2 ZigBee协议结构

2．2．3 ZigBee网络结构

2．3 ModBus协议

2．3．1 ModBus协议简介

2．3．2 ModBus协议结构

2．3．3 ModBus校验方法

2．4 MQTT协议

2．4．1 MQTT协议简介

2．4．2 MQTT协议结构

2．4．3 MQTT信息推送机制

2．5 本章小结

3．1 引言

3．2 物联网网关设计目标

3．3 物联网网关总体设计

3．3．1 硬件平台设计

3．3．2 软件总体设计

3．4 接入层

3．4．1 ZigBee模块

3．4．2 ModBus模块

3．4．3 数据采集方案

3．5 处理层

3．6 应用层

3．6．1 Web服务器的设计

3．6．2 数据库的设计

3．7 本章小结

4．1 引言

4．2 系统测试环境

4．2．1 硬件环境

4．2．2 软件环境

4．3 Mosquitto代理服务器测试

4．4 网关功能测试

4．4．1 ZigBee转MQTT测试

4．4．2 ModBus转MQTT测试

4．5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢