基于嵌入式Linux的物联网网关研究与实现

摘要

随着物联网发展速度日益加快，作为连接感知网络和传统通信网络的物联网网关正在其中扮演着重要角色。然而，目前针对物联网网关的统一标准尚未制定，物联网网关的设备类型千差万别。人们往往针对某一具体应用场景来研发特定物联网网关设备，一旦应用场景发生变化，从上层应用协议到下层接口模块都需要重新开发，大大增加工程成本，严重阻碍物联网的发展。
　　本文基于上述问题，同时结合嵌入式系统技术，设计并实现了一种基于嵌入式Linux的物联网网关系统。该系统既可实现不同感知设备的接入，又可实现与多种通信网络的数据交互，另外还具有CoAP/HTTP协议转换、短信收发、本地动态曲线显示等扩展功能，可在多种实际场景中得到应用。
　　首先，本文论述了物联网网关的研究背景及研究现状，分析目前物联网网关存在的问题，并针对此问题提出一种基于分层思想的物联网网关架构。该架构分为三个层次:感知接入层、数据处理层和传输应用层。感知接入层可接入三类设备:基于IEEE802.11协议的ARM节点，该设备可运行BATMAN路由协议;基于IEEE802.15.4协议的传感器节点，该设备可运行RPL路由协议;RFID射频设备。数据处理层用于对数据包的截获、分析和处理，可实现CoAP/HTTP协议转换功能和采集信息本地存储功能。传输应用层用于对数据包的远程传输和应用处理，一方面可实现以太网络和3G网络两种传输模式，并能根据网络变化状况进行传输模式的动态切换，另一方面可实现短信收发功能，当监测环境发生剧烈变化时网关可发送短信提醒用户，用户也可向网关发送查询短信以获取某个节点的实时监测信息，另外还可实现本地动态曲线显示功能，使得环境监测信息能够在网关本地显示屏中以动态曲线的形式显示。
　　然后，本文在搭建的硬件平台基础上，设计并实现了物联网网关软件模块的功能，并对系统软件平台、802.11模块、802.15.4模块、RFID模块、数据包处理模块、数据存储模块、CoAP/HTTP协议转换模块、网络切换模块、短信消息处理模块和本地动态曲线显示模块的设计思想和技术实现进行了详细分析。
　　最后，本文搭建测试环境分别对物联网网关的各项功能进行了测试。测试结果表明，本文开发的基于嵌入式Linux的物联网网关系统能够满足设计要求。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 物联网网关研究现状

1．3 研究意义与目的

1．4 论文主要工作和结构安排

2 物联网网关系统总体设计

2．1 物联网网关框架设计

2．1．1 物联网网关设计目标和整体框架

2．1．2 感知接入层设计

2．1．3 数据处理层设计

2．1．4 传输应用层设计

2．2 物联网网关网关硬件平台

2．2．1 硬件平台整体框架

2．2．2 硬件模块分析

2．3 物联网网关软件总体设计

2．3．1 软件模块整体框架

2．3．2 系统软件平台搭建

2．3．3 软件平台关键技术研究

2．4 本章小节

3 物联网网关感知接入层软件设计与实现

3．1 802．11模块设计

3．1．1 无线网卡初始化

3．1．2 BATMAN路由协议配置

3．2 802．15．4模块设计

3．2．1 IPv6接入网卡初始化

3．2．2 RPL路由协议配置

3．3 RFID模块设计

3．3．1 设备接口设计

3．3．2 设备读写实现

3．4 本章小结

4 物联网网关数据处理层软件设计与实现

4．1 数据包处理模块设计

4．1．1 数据包处理机制研究

4．1．2 数据包处理过程实现

4．2 数据存储模块设计

4．2．1 数据存储平台搭建

4．2．2 数据存储过程实现

4．3 CoAP／HTTP协议转换模块设计

4．3．1 协议研究与分析

4．3．2 协议转换实现

4．4 本章小结

5 物联网网关传输应用层软件设计与实现

5．1 网络切换模块设计

5．1．1 传输网络建立

5．1．2 网络切换实现

5．2 短信消息处理模块设计

5．2．1 短信消息处理机制研究

5．2．2 短信发送消息处理实现

5．2．3 短信接收消息处理实现

5．3 本地动态曲线显示模块设计

5．3．1 本地显示平台搭建

5．3．2 动态曲线显示实现

5．4 本章小结

6 物联网网关系统功能测试

6．1 测试环境搭建

6．2 系统功能测试

6．2．1 802．11设备接入功能测试

6．2．2 802．15．4设备接入功能测试

6．2．3 RFID设备读写功能测试

6．2．4 CoAP／HTTP协议转换功能测试

6．2．5 网络切换功能测试

6．2．6 短信收发功能测试

6．2．7 本地动态曲线显示功能测试

6．3 本章小结

7 总结与展望

参考文献

作者简历

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