基于ARM的矿用智能网关设计

摘要

当前物联网技术发展迅速，为促进物联网技术与煤矿企业进一步融合，增强煤矿安全保障能力，2017年1月以来，国家煤矿安全监察局多次召开关于“煤矿监测系统升级改造”专项会议。矿用网关作为煤矿监测系统通信技术中的关键技术之一，可将传感器采集的数据经协议转换后上传到监控计算机，是连接矿山井下智能传感器与井上监控计算机的枢纽。矿用网关需要挂载大量传感器，但传感器数据传输方式不尽相同，此外矿用网关使用环境复杂，容易受电磁干扰，所以需要设计一个可远程控制、兼容性强、稳定可靠的矿用智能网关。　　本文首先对网关的研究背景和国内外研究现状进行了分析，并对矿用网关的发展趋势进行说明。然后根据矿井监测系统的总体结构确定了矿用智能网关的功能和性能需求；并对其中涉及到的关键技术如：工业以太网、嵌入式系统技术进行分析选型，确定了矿用智能网关的总体结构设计；接着分模块对矿用智能网关的硬件、软件进行设计；最后，搭建模拟实验测试平台，进行了功能和性能验证。　　本矿用智能网关主要通过硬件、软件的设计实现目标功能和性能。硬件部分，选取32位处理器ARM11S3C6410作为智能网关的核心处理器；串行通信模块设计了兼容的通信接口，包括RS485通信接口、M-BUS通信接口和CAN总线通信接口；以太网通信接口采用网络速度控制专用芯片DM9000AE；电源供电部分设计了隔离电源并进行双重过流、过压保护；为方便系统维护，设计了一种通讯故障排查方法；在此基础上完成了矿用智能网关硬件的搭建。软件部分，在完成软件开发平台的环境搭建后，首先给出了矿用智能网关主程序设计，然后对通信模块、数据存取模块、远程配置模块和功能模块分别进行了软件设计。该矿用智能网关最终实现了远程数据监测、历史数据查询、远程控制的功能，并达到了稳定可靠、兼容性的数据传输性能。

目录

声明

1 绪 论

1.1 网关研究背景和意义

1.2 国内外网关研究现状

1.3 矿用智能网关发展趋势

1.4 论文结构安排

1.5 本章小结

2 矿用智能网关总体设计

2.1 矿用智能网关功能设计

2.2.1 嵌入式处理器与嵌入式系统选型

2.2.2 以太网与工业以太网技术分析

2.3 矿用智能网关总体结构设计

2.4 本章小结

3 矿用智能网关硬件设计

3.1 主控芯片设计

3.2 以太网通信模块设计

3.3 串行通信模块设计

3.3.1 RS485模块设计

3.3.2 M-BUS模块设计

3.3.3 CAN总线模块设计

3.4 时钟模块设计

3.5 复位模块设计

3.6 SD接口设计

3.7 故障排查模块

3.8 供电电路设计

3.9 本章小结

4 矿用智能网关软件设计

4.1.1 交叉编译环境搭建

4.1.2 Linux内核与U-Boot移植

4.1.3 构建嵌入式根文件系统

4.1.4 SQLite数据库的移植编译

4.2 网关应用主程序的设计

4.3 通信模块软件设计

4.3.1 RS485通信软件设计

4.3.2 M-BUS通信软件设计

4.3.3 DM9000AE网卡驱动设计

4.4 数据存取模块程序设计

4.5.1 架构方案选择

4.5.2 设计HTML文档搭建Web网页界面

4.5.3 设计JavaScript脚本

4.5.4 设计CGI程序

4.6.1 网关登录模块

4.6.2 测点实时显示模块

4.6.3 历史数据查询模块

4.6.4 远程控制模块

4.7 本章小结

5 矿用智能网关测试与分析

5.1 矿用智能网关功能测试

5.1.1 网关登录模块测试

5.1.2 测点实时显示模块测试

5.1.3 历史数据查询模块测试

5.1.4 远程控制模块测试

5.2 网关性能测试

5.2.1 丢包率测试

5.2.2 网关时延测试

5.3 测试结果分析

5.4 本章小结

6 总结与展望

6.1 工作总结

6.2 课题展望

参考文献

作者简历

致谢

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