本文是一篇电气工程论文，本文以实现“工业4.0”和节能减排为目标，采用STMF429IGT6芯片为核心，UCOSⅢ 作为网关的操作系统，结合RS485、NB-IOT、以太网、ONENET云平台、PC客户端等设计一款工业数据网关满足企业实现多协议数据汇聚与上传的要求。
第一章绪论
1.1 研究背景及意义
近年来，随着互联网行业的高速发展，工业互联网模式逐渐成为工业类企业的转型方向。将传统工业与互联网云平台、云计算、大数据分析等信息化技术相结合起来，以云平台为载体，打破传统工业模式形成一种新的工业制造模式，即工业互联网模式[1-2]。这种新型的工业制造服务模式，是以相关的底层工业设备作为基础，通过云平台实现物理世界与虚拟数字世界的融合、实现工业数据信息化、智能化，有效提高工业生产的效率，工业数据网关则是实现工业互联的关键[3-5]。
随着国家提出“工业4.0”战略和“中国制造2025”等方针，新型工业运作模式即工业化和数据信息化相融合已成必然的趋势，同时全球气候变暖问题也是日益严重，中国作为世界联合国五常之一，始终发挥着大国地位的影响力，为节能环保事业的发展贡献出自己的一份力量。根据国家十四五规划“推动绿色发展，促进人与自然和谐共生”提出要持续改善环境质量，积极落实2030年应对全球气候变化国家的主贡献目标，积极努力推进绿色发展，协同推进国家经济的高质量、高水平发展和生态环境保护，实现预计国内生产总值能耗和二氧化碳排量分别降低13.5%和18%的目标。
根据《工业互联网创新发展行动计划（2021-2023）》，工业互联网要实现的目标是将信息通信技术和工业经济深度融合后形成新型的工业生态、新型的工业生产模式和新型的工业应用模式[6]，它是以网络传播作为基础、平台展现作为管控中枢系统、数据综合汇聚为基本要素，将人、机、物全面的连接起来，改变传统的工业制造模式、生产组织方式，通过工业互联网构建具有全部生产要素、全部产业链、全部连接的新型工业生产制造和新型服务体系，积极实现发展制造强国和网络强国建设的目标，提升全产业链的科技现代化水平，努力推动经济的高质量发展和构建工业发展的新格局。
1.2 网关的发展研究现状
网关就是网络的关口，是数据传输的中枢。它作为连接两个网络的枢纽，又被称之为网间连接器、协议转换器等。网关的通信是在网络层以上实现的，是最复杂的网络互联设备，网关不仅可以组成广域网，也可以组成局域网，根据具体的使用环境，可以灵活的采用不同的方式。网关的实质是将两个不同网络的设备连接到一起，假设有A、B两个不同的网络，A的IP地址范围是“192.168.1.1-192.168.1.254”，其子网掩码是255.255.255.0；B的IP地址范围是“192.168.2.1-192.168..2.254”，其子网掩码是255.255.255.0。在没有网关路由的情况下，两个网络即使连接在一起也是没有办法通信的[9]。因为按照TCP/IP协议，子网掩码与主机IP地址作与运算，两个网络的结果不同，所以被判断是两个不同的网络，网关的作用是将网络A要发送的目的地不在本网络中的数据，转发到网关内，然后网关转发给网络B中的相关设备，最终实现网络A和网络B的有效通信。
工业互联网是指通过对人、机、物、系统等实现网络化连接，构建起覆盖全产业链的全新制造模式，为工业数字化、网络化、智能化的发展提供了实现途径。工业底层设备之间具有物理异构和通信协议异构两种情况，导致设备之间的交流不便，从而导致服务器难以快速的将不同协议的工业数据进行整合[10]，而工业数据网关是实现物理层异构网络与协议异构网络的工业数据汇聚、交换以及帮助远端服务器实现对工业数据深度挖掘的中心枢纽，是实现传统工业向信息化工业转化的关键节点。如图1-2所示为网关的架构模型。
第二章 网关硬件设计
2.1 网关硬件架构
本文设计的工业数据网关采用STM32F429IGT6芯片作为主控处理器，网关包含供电模块、下载模块、时钟模块、USB模块、RS485、RS232、以太网接口、LED模块和液晶显示等功能模块[38]，同时适配NB-IOT模块（BC26）。如图2-2所示为工业数据网关的硬件架构。
2.2 STM32系列芯片
STM32系列芯片是由意法半导体公司设计的主打低功耗、低成本、高性能的嵌入式处理器。它是基于ARM Cortex-M内核设计的，其中STM32F4系列以其超高的性价比，在中高端嵌入式开发场景被广泛使用。
（1）STM32F系列
按照产品内核的架构，STM32F系列的芯片分为：STM32F101-基本型系列、STM32F103-增强型系列、STM32F105和STM32F107-互联型系列[39-40]。STM32系列的GPIO口具有多种类型的输入模式：模拟输入模式、上拉输入模式、下拉输入模式、浮空输入模式等。其输出模式包括：开漏复用输出模式、推挽输出模式、推挽复用输出模式、开漏输出模式等。
STM32F4系列单片在设计过程中加了低功耗模式，使得系统可以保持低功耗运行，具体可以分为三种即休眠模式、停止模式、待机模式。在休眠模式下，中央处理器单元停止运行，其外设保持工作状态，若外设停止运行则处理器会被唤醒；在停止模式下，系统会调节降低不需要运行功能的功耗；在待机模式下，振荡器和调压器会被关闭，只有受到唤醒，系统才会结束待机模式[41]。
（2）STM32F429IGT6芯片
本网关以STM32F429IGT6芯片为核心搭配NB-IOT模块等其它基础模块实现网关硬件系统设计[42]。该芯片集成FPU和DSP指令，并具有256KB SRAM、1024KB FLASH、12个16位定时器、2个32位定时器、3个IIC、8个串口、2个USB、2个CAN、3个12位ADC、2个12位DAC、1个RTC（带日历功能）、1个10/100M以太网MAC控制器、1个硬件随机数生成器、以及140个通用IO口等。如图2-3所示为 STM32F429芯片的实物图及相关引脚。
第三章 网关软件设计 .............................. 13
3.1 相关技术介绍 .................................. 14
3.1.1 UART串口通信 ............................ 14
3.1.2 RS485 通信 ................................... 16
第四章 云平台通信设计 .................... 32
4.1 ONENET 云平台 ................................ 32
4.1.1 云平台介绍 .................................... 32
4.1.2 HTTP 协议和 JSON 数据格式 ............................. 33
第五章 网关测试及数据预测 ............................... 48
5.1 水电表数据读取 ............................... 48
5.2 数据汇聚功能 ................................... 50
第五章 网关测试及数据预测
5.1 水电表数据读取
（1）读取电表有功电能、电压、电流
通过USB转RS485线与电表建立物理连接，使用串口程序发送打上时间戳的DL/T 698.45协议数据，将数据发送到电表上，电表接收到读取有功电能、电压、电流的协议数据，解析后将相对应的响应协议数据上传，并实现串口程序接收与展示，串口程序设置波特率为9600，停止位1位，数据位8位。如图5-2所示为有功电能、电压、电流协议数据的读取与响应。
第六章 总结与展望
6.1 总结
本文以实现“工业4.0”和节能减排为目标，采用STMF429IGT6芯片为核心，UCOSⅢ 作为网关的操作系统，结合RS485、NB-IOT、以太网、ONENET云平台、PC客户端等设计一款工业数据网关满足企业实现多协议数据汇聚与上传的要求。本文分别从网关的硬件设计、软件设计、云平台通信设计、网关测试以及电力负荷预测等几个方面展开。
（1）工业数据网关采用基于ARM Cortex-M内核的STM32F429IGT6芯片作为网关的主控处理器，网关设计集成RS485、RS232、USB、以太网等常用物理接口，实现工业数据网关对于异构网络接口的高度兼容性，同时设计的工业数据网关和NB-IOT模块（BC26）相兼容。网关通过物理接口和底层工业设备相连接，网关对汇聚的工业水电表数据解析处理后，将其上传至服务器端，最终实现数据的可视化展示。
（2）网关支持工业级电表的DL/T 698.45协议、工业级水表的Modbus协议、连接ONENET云平台的HTTP协议、和PC客户端通信的TCP协议等。本文设计的工业数据网关具备以下功能，包括数据汇聚、数据解析、协议转换、上传服务器、数据存储等功能，并利用UCOSⅢ 操作系统设计多任务并行处理机制，实现对多协议数据处理的实时性，设计心跳机制和断点续传机制保证网关和服务器连接的稳定性和数据上传的可靠性。利用Visual Studio 设计PC客户端，通过以太网将工业数据网关的水电表数据传输到PC端，实现数据的可视化展示。
（3）通过四个通信实验，实现工业数据网关通过NB-IOT模块（BC26）与ONENET云平台通信并上传数据至云平台，同时设计云平台的可视化View界面，实现上传数据的可视化展示。
（4）对设计的工业数据网关进行测试，首先是利用串口程序测试工业水电表功能是否正常，其次是网关的功能模块
