摘要：物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)由物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)、IoT網(wǎng)關(guān)和用戶瀏覽器組成。智慧工地應(yīng)用了多種物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，由IoT網(wǎng)關(guān)通過網(wǎng)絡(luò)(有線或無線)將數(shù)據(jù)上傳物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)。IoT網(wǎng)關(guān)基本架構(gòu)為內(nèi)嵌RTOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，JSON解析庫和MQTT協(xié)議棧的核心單片機(jī)，通過網(wǎng)絡(luò)通訊模塊的TCP透?jìng)鞴δ芎驮贫朔��?wù)器交互數(shù)據(jù)，通過RS485或其他工業(yè)總線與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或傳感器交互數(shù)據(jù)。核心單片機(jī)選取STM32F401，用STM32CubeMX集成FREERTOS用MDK-ARM開發(fā)，加載JSON庫Jasson，移植MQTT協(xié)議棧。制作IoT網(wǎng)關(guān)原型并連接環(huán)境傳感器(Modbus-RTU)測(cè)試，其可以實(shí)現(xiàn)控制消息的下發(fā)和數(shù)據(jù)消息的上傳。

　　關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);智慧工地;IoT網(wǎng)關(guān);MQTT

　　0 引言

　　物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)通過信息技術(shù)將各種物體連接成網(wǎng)絡(luò)，以幫助人們獲取這些物體的信息的媒介[1]。智慧工地是在物聯(lián)網(wǎng)智能化的基礎(chǔ)上，通過技術(shù)不斷創(chuàng)新的智能終端采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)各項(xiàng)數(shù)據(jù)的收集、歸納、分析以及預(yù)判[2]，打破傳統(tǒng)施工現(xiàn)場(chǎng)的束縛，提供高效的遠(yuǎn)程監(jiān)管手段。

　　1 智慧工地的物聯(lián)網(wǎng)框架體系

　　物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)由物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)、IoT網(wǎng)關(guān)和用戶瀏覽器三部分組成[3]。云平臺(tái)基于其強(qiáng)大的計(jì)算和存儲(chǔ)能力，對(duì)IoT網(wǎng)關(guān)傳入的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并授權(quán)用戶通過瀏覽器訪問和管理物聯(lián)網(wǎng)資源。

　　智慧工地應(yīng)用了自動(dòng)識(shí)別技術(shù)、傳感技術(shù)、圖像采集技術(shù)和定位跟蹤技術(shù)等，由IoT網(wǎng)關(guān)通過網(wǎng)絡(luò)(有線或無線)將數(shù)據(jù)上傳物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)。其相較于傳統(tǒng)施工方式可大大提升施工現(xiàn)場(chǎng)、企業(yè)和政府的管理效率，保障質(zhì)量安全等建設(shè)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，最終促進(jìn)建筑業(yè)持續(xù)健康發(fā)展[4]。

　　2 IoT網(wǎng)關(guān)的架構(gòu)設(shè)計(jì)

　　IoT網(wǎng)關(guān)作為設(shè)備和云平臺(tái)之間的連接橋梁，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的控制操作，將設(shè)備的數(shù)據(jù)封裝為統(tǒng)一的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)數(shù)據(jù)格式[5]，上傳至云平臺(tái)。

　　JSON(JavaScript Object Notation)是一種輕量級(jí)的數(shù)據(jù)交換格式。它基于 ECMAScript 的一個(gè)子集，采用完全獨(dú)立于編程語言的文本格式來存儲(chǔ)和表示數(shù)據(jù)[6]。

　　MQTT(消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸)是ISO標(biāo)準(zhǔn)(ISO/IEC PRF 20922)下基于發(fā)布/訂閱范式的消息協(xié)議，是為硬件性能低下的遠(yuǎn)程設(shè)備以及網(wǎng)絡(luò)狀況糟糕的情況下而設(shè)計(jì)的。

　　核心單片機(jī)內(nèi)嵌RTOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、JSON解析庫和MQTT協(xié)議棧，通過網(wǎng)絡(luò)通訊模塊的TCP透?jìng)鞴δ芎驮贫朔��?wù)器交互數(shù)據(jù)，通過RS485或其他工業(yè)總線與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或傳感器交互數(shù)據(jù)。

　　3 通訊協(xié)議層的適配和實(shí)現(xiàn)

　　核心單片機(jī)選取STM32F4系列，使用STM32CubeMX集成FREERTOS并生成初始工程。

　　開發(fā)工具采用MDK-ARM，加載JSON庫Jasson。MDK包含了工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的Keil C編譯器、宏匯編器、調(diào)試器、實(shí)時(shí)內(nèi)核等組件，支持所有基于ARM的設(shè)備，能幫助工程師按照計(jì)劃完成項(xiàng)目[7]。

　　在MQTT官網(wǎng)mqtt.org上可下載官方的C語言協(xié)議棧源碼和說明，參考修改庫中的例程文件進(jìn)行移植工作，根據(jù)硬件平臺(tái)來修改發(fā)送/接收數(shù)據(jù)包的接口函數(shù)。

　　云端物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)MQTT報(bào)文格式：

　　IMEI為每個(gè)設(shè)備唯一的ID

　　1)數(shù)據(jù)發(fā)送

　　topic: jowoiot/toServer/v2/

　　qos: 0/1

　　payload demo:

　　{"meta":{"expire":3600, "t": 1552553109000},"data":[{"k":"dev.point1","v":"1"},

　　{"k":"dev.point2","v":"1.3333"},

　　{"k":"point3","v":"341"}]}

　　2)數(shù)據(jù)接收

　　格式與數(shù)據(jù)發(fā)送相同，由設(shè)備端主動(dòng)訂閱內(nèi)容。云端如果收到控制指令，會(huì)下發(fā)具體的payload，由設(shè)備端解析并執(zhí)行。

　　4 原型制作和測(cè)試

　　制作一個(gè)IoT網(wǎng)關(guān)原型并連接環(huán)境傳感器(Modbus RTU)進(jìn)行測(cè)試。先在物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)通過注冊(cè)得到相應(yīng)的設(shè)備ID、網(wǎng)關(guān)ID和用戶秘鑰。設(shè)置4G模塊中平臺(tái)網(wǎng)址、MQTT端口參數(shù)實(shí)現(xiàn)TCP連接。根據(jù)設(shè)備的RTU指令格式編寫驅(qū)動(dòng)層代碼獲取到設(shè)備數(shù)據(jù)，編寫應(yīng)用層代碼將設(shè)備數(shù)據(jù)封裝為物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式。

　　一個(gè)USB-串口調(diào)試端口;

　　一個(gè)藍(lán)牙-串口調(diào)試端口;

　　一個(gè)模塊化網(wǎng)絡(luò)端口，可兼容4G-串口模塊或網(wǎng)口-串口模塊;

　　工作電源支持9~36V直流寬壓輸入;

　　三個(gè)可獨(dú)立設(shè)置波特率的UART端口，通過跳線選擇TTL或RS485;

　　在單片機(jī)驅(qū)動(dòng)層、協(xié)議層和應(yīng)用層中編寫代碼。驅(qū)動(dòng)層主要編寫初始化配置函數(shù)、串口中斷回調(diào)函數(shù)、MQTT接收/發(fā)送接口函數(shù);協(xié)議層主要編寫JSON數(shù)據(jù)解析/打包函數(shù)、MQTT連接函數(shù)、MQTT心跳包函數(shù)、MQTT數(shù)據(jù)接收/上傳函數(shù)、RS485接收/發(fā)送函數(shù)、Modbus CRC校驗(yàn)函數(shù);應(yīng)用層主要編寫單片機(jī)各基本功能管理、串口接收/發(fā)送管理、MQTT協(xié)議棧三個(gè)線程任務(wù)。

　　電子論文投稿刊物：電子學(xué)報(bào)(月刊)創(chuàng)刊于1962年，是中國電子學(xué)會(huì)主辦的高級(jí)學(xué)術(shù)刊物,刊登電子與信息科學(xué)及相鄰領(lǐng)域的原始(original)科研成果。辦刊宗旨是反映中國電子與信息科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的新理論、新思想、新技術(shù)，具有國內(nèi)外先進(jìn)水平的最新研究成果和技術(shù)進(jìn)展，為促進(jìn)國內(nèi)外學(xué)術(shù)交流，促進(jìn)中國電子與信息科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展服務(wù)。

　　5 結(jié)語

　　本文介紹了智慧工地的物聯(lián)網(wǎng)框架體系，提出了IoT網(wǎng)關(guān)的架構(gòu)設(shè)計(jì)，提供了通訊協(xié)議層的適配和實(shí)現(xiàn)方法，制作了原型并進(jìn)行實(shí)際測(cè)試。實(shí)際測(cè)試表明，IoT網(wǎng)關(guān)原型可以正常工作，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多數(shù)設(shè)備的接入，可以實(shí)現(xiàn)控制消息的下發(fā)和數(shù)據(jù)消息的上傳。這種物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)可以滿足智慧工地的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求。

　　參考文獻(xiàn)：

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　　作者：邢瑞毅