摘要：物聯網系統架構由物聯網云平臺、IoT網關和用戶瀏覽器組成。智慧工地應用了多種物聯網技術，由IoT網關通過網絡(有線或無線)將數據上傳物聯網云平臺。IoT網關基本架構為內嵌RTOS實時操作系統，JSON解析庫和MQTT協議棧的核心單片機，通過網絡通訊模塊的TCP透傳功能和云端服務器交互數據，通過RS485或其他工業總線與現場設備或傳感器交互數據。核心單片機選取STM32F401，用STM32CubeMX集成FREERTOS用MDK-ARM開發，加載JSON庫Jasson，移植MQTT協議棧。制作IoT網關原型并連接環境傳感器(Modbus-RTU)測試，其可以實現控制消息的下發和數據消息的上傳。

　　關鍵詞：物聯網;智慧工地;IoT網關;MQTT

　　0 引言

　　物聯網是一個通過信息技術將各種物體連接成網絡，以幫助人們獲取這些物體的信息的媒介[1]。智慧工地是在物聯網智能化的基礎上，通過技術不斷創新的智能終端采集系統，實現了對各項數據的收集、歸納、分析以及預判[2]，打破傳統施工現場的束縛，提供高效的遠程監管手段。

　　1 智慧工地的物聯網框架體系

　　物聯網系統架構由物聯網云平臺、IoT網關和用戶瀏覽器三部分組成[3]。云平臺基于其強大的計算和存儲能力，對IoT網關傳入的數據進行處理，并授權用戶通過瀏覽器訪問和管理物聯網資源。

　　智慧工地應用了自動識別技術、傳感技術、圖像采集技術和定位跟蹤技術等，由IoT網關通過網絡(有線或無線)將數據上傳物聯網云平臺。其相較于傳統施工方式可大大提升施工現場、企業和政府的管理效率，保障質量安全等建設目標的實現，最終促進建筑業持續健康發展[4]。

　　2 IoT網關的架構設計

　　IoT網關作為設備和云平臺之間的連接橋梁，實現對設備的控制操作，將設備的數據封裝為統一的物聯網平臺數據格式[5]，上傳至云平臺。

　　JSON(JavaScript Object Notation)是一種輕量級的數據交換格式。它基于 ECMAScript 的一個子集，采用完全獨立于編程語言的文本格式來存儲和表示數據[6]。

　　MQTT(消息隊列遙測傳輸)是ISO標準(ISO/IEC PRF 20922)下基于發布/訂閱范式的消息協議，是為硬件性能低下的遠程設備以及網絡狀況糟糕的情況下而設計的。

　　核心單片機內嵌RTOS實時操作系統、JSON解析庫和MQTT協議棧，通過網絡通訊模塊的TCP透傳功能和云端服務器交互數據，通過RS485或其他工業總線與現場設備或傳感器交互數據。

　　3 通訊協議層的適配和實現

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

　　開發工具采用MDK-ARM，加載JSON庫Jasson。MDK包含了工業標準的Keil C編譯器、宏匯編器、調試器、實時內核等組件，支持所有基于ARM的設備，能幫助工程師按照計劃完成項目[7]。

　　在MQTT官網mqtt.org上可下載官方的C語言協議棧源碼和說明，參考修改庫中的例程文件進行移植工作，根據硬件平臺來修改發送/接收數據包的接口函數。

　　云端物聯網平臺MQTT報文格式：

　　IMEI為每個設備唯一的ID

　　1)數據發送

　　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)數據接收

　　格式與數據發送相同，由設備端主動訂閱內容。云端如果收到控制指令，會下發具體的payload，由設備端解析并執行。

　　4 原型制作和測試

　　制作一個IoT網關原型并連接環境傳感器(Modbus RTU)進行測試。先在物聯網平臺通過注冊得到相應的設備ID、網關ID和用戶秘鑰。設置4G模塊中平臺網址、MQTT端口參數實現TCP連接。根據設備的RTU指令格式編寫驅動層代碼獲取到設備數據，編寫應用層代碼將設備數據封裝為物聯網平臺統一的數據格式。

　　一個USB-串口調試端口;

　　一個藍牙-串口調試端口;

　　一個模塊化網絡端口，可兼容4G-串口模塊或網口-串口模塊;

　　工作電源支持9~36V直流寬壓輸入;

　　三個可獨立設置波特率的UART端口，通過跳線選擇TTL或RS485;

　　在單片機驅動層、協議層和應用層中編寫代碼。驅動層主要編寫初始化配置函數、串口中斷回調函數、MQTT接收/發送接口函數;協議層主要編寫JSON數據解析/打包函數、MQTT連接函數、MQTT心跳包函數、MQTT數據接收/上傳函數、RS485接收/發送函數、Modbus CRC校驗函數;應用層主要編寫單片機各基本功能管理、串口接收/發送管理、MQTT協議棧三個線程任務。

　　電子論文投稿刊物：電子學報(月刊)創刊于1962年，是中國電子學會主辦的高級學術刊物,刊登電子與信息科學及相鄰領域的原始(original)科研成果。辦刊宗旨是反映中國電子與信息科學領域內的新理論、新思想、新技術，具有國內外先進水平的最新研究成果和技術進展，為促進國內外學術交流，促進中國電子與信息科學技術的快速發展服務。

　　5 結語

　　本文介紹了智慧工地的物聯網框架體系，提出了IoT網關的架構設計，提供了通訊協議層的適配和實現方法，制作了原型并進行實際測試。實際測試表明，IoT網關原型可以正常工作，可以實現對多數設備的接入，可以實現控制消息的下發和數據消息的上傳。這種物聯網網關設計可以滿足智慧工地的物聯網應用需求。

　　參考文獻：

　　[1] 單娟. 全球物聯網發展及中國物聯網建設若干思考[J].電子學報,2016,38(7):2590—2599.

　　[2] 莊琳.物聯網技術下的智慧工地的構建研究[J].信息與電腦(理論版),2019(09):165-167.

　　[3] 盛俊陽. 物聯網設備接入管理平臺關鍵技術研究與實現[D].北京工業大學,2019.

　　[4] 柴洪偉, 趙欣. 基于物聯網技術的智慧工地系統設計及應用[J]. 工程建設與設計, 2019(A01):14-16.

　　[5] 田創,陳文藝.物聯網平臺接入網關研究[J].信息技術,2018(09):125-128+133.

　　[6] 宋青山.JSON數據格式在企業數據交換中的應用[J].天津冶金,2014(02):114-117.

　　[7] 劉瑩,祝學云,范文.檢測技術課程設計型實驗系統研制[J].實驗技術與管理,2015,32(06):137-138+145.

　　作者：邢瑞毅