物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)概述

物聯(lián)網(wǎng)是指通過射頻識(shí)別（RFID）、紅外感應(yīng)器、GPS、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，實(shí)現(xiàn)任何時(shí)間、任何地點(diǎn)、任何物體進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)是具有全面感知、可靠傳輸、智能處理特征的連接物理世界的網(wǎng)絡(luò)。

物聯(lián)網(wǎng)用途廣泛，遍及智能交通、環(huán)境保護(hù)、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工業(yè)監(jiān)測(cè)、老人護(hù)理、個(gè)人健康、*卉栽培、水系監(jiān)測(cè)、食品溯源、敵情偵查和情報(bào)搜集等多個(gè)領(lǐng)域。

物聯(lián)網(wǎng)的接入方式是多種多樣的，如廣域的PSTN、短距離的Z-Wave等，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)備是將多種接入手段整合起來，統(tǒng)一互聯(lián)到接入網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵設(shè)備。它可滿足局部區(qū)域短距離通信的接入需求，實(shí)現(xiàn)與公共網(wǎng)絡(luò)的連接，同時(shí)完成轉(zhuǎn)發(fā)、控制、信令交換和編解碼等功能，而終端管理、安全認(rèn)證等功能保證了物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的質(zhì)量和安全。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)在未來的物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代將會(huì)扮演著非常重要的角色，可以實(shí)現(xiàn)感知延伸網(wǎng)絡(luò)與接入網(wǎng)絡(luò)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換，既可以實(shí)現(xiàn)廣域互聯(lián)，也可以實(shí)現(xiàn)局域互聯(lián)，將廣泛應(yīng)用于智能家居、智能社區(qū)、數(shù)字醫(yī)院、智能交通等各行各業(yè)。

物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)采用分層的通信系統(tǒng)架構(gòu)，包括感知延伸系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)、業(yè)務(wù)運(yùn)營管理系統(tǒng)和各種應(yīng)用，在不同的層次上支持不同的通信協(xié)議，如圖1所示。感知延伸系統(tǒng)包括感知和控制技術(shù)，由感知延伸層設(shè)備以及網(wǎng)關(guān)組成，支持包括Lonworks、UPnP、ZigBee等通信協(xié)議在內(nèi)的多種感知延伸網(wǎng)絡(luò)。感知設(shè)備可以通過多種接入技術(shù)連接到核心網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。業(yè)務(wù)運(yùn)營管理系統(tǒng)面向物聯(lián)網(wǎng)范圍內(nèi)的耗能設(shè)施，包括了應(yīng)用系統(tǒng)和業(yè)務(wù)管理支撐系統(tǒng)。應(yīng)用系統(tǒng)為最終用戶提供計(jì)量統(tǒng)計(jì)、遠(yuǎn)程測(cè)控、智能聯(lián)動(dòng)以及其他的擴(kuò)展類型業(yè)務(wù)。業(yè)務(wù)管理支撐系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)用戶管理、安全、認(rèn)證、授權(quán)、計(jì)費(fèi)等功能。



2 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)功能

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)在未來的物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代將會(huì)扮演非常重要的角色，它將成為連接感知網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的紐帶。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)可以實(shí)現(xiàn)感知網(wǎng)絡(luò)和基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)以及不同類型的感知網(wǎng)絡(luò)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換，既可以實(shí)現(xiàn)廣域互聯(lián)，也可以實(shí)現(xiàn)局域互聯(lián)。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)具備如下幾個(gè)功能。

（1）廣泛的接入能力

目前用于近程通信的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)很多，僅常見的WSN技術(shù)就包括Lonworks、ZigBee、6LowPAN、RUBEE等。各類技術(shù)主要針對(duì)某一應(yīng)用展開，缺乏兼容性和體系規(guī)劃，如Lonworks主要應(yīng)用于樓宇自動(dòng)化，RUBEE適用于惡意環(huán)境。如何實(shí)現(xiàn)協(xié)議的兼容性、接口和體系規(guī)劃，目前在國內(nèi)外已經(jīng)有多個(gè)組織在開展物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)化工作，如3GPP、傳感器工作組，以實(shí)現(xiàn)各種通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的互聯(lián)互通。

（2）協(xié)議轉(zhuǎn)換能力

從不同的感知網(wǎng)絡(luò)到接入網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議轉(zhuǎn)換，將下層的標(biāo)準(zhǔn)格式的數(shù)據(jù)統(tǒng)一封裝，保證不同的感知網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議能夠變成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)和信令；將上層下發(fā)的數(shù)據(jù)包解析成感知層協(xié)議可以識(shí)別的信令和控制指令。

（3）可管理能力

強(qiáng)大的管理能力，對(duì)于任何大型網(wǎng)絡(luò)都是必不可少的。首先要對(duì)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行管理，如注冊(cè)管理、權(quán)限管理、狀態(tài)監(jiān)管等。網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)子網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)的管理，如獲取節(jié)點(diǎn)的標(biāo)識(shí)、狀態(tài)、屬性、能量等以及遠(yuǎn)程喚醒、控制、診斷、升級(jí)和維護(hù)等。由于子網(wǎng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不同，協(xié)議的復(fù)雜性不同，所以網(wǎng)關(guān)具有的管理能力不同。本文提出基于模塊化物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)方式來管理不同的感知網(wǎng)絡(luò)、不同的應(yīng)用，保證能夠使用統(tǒng)一的管理接口技術(shù)對(duì)末梢網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)一管理。

3 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)可以實(shí)現(xiàn)感知網(wǎng)絡(luò)和基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)以及不同類型的感知網(wǎng)絡(luò)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換，既可以實(shí)現(xiàn)廣域互聯(lián)，也可以實(shí)現(xiàn)局域互聯(lián)。本物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)面向感知網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)數(shù)據(jù)感知環(huán)境，為有效屏蔽底層通信差異化進(jìn)行有效網(wǎng)絡(luò)融合和數(shù)據(jù)通信，采用模塊化設(shè)計(jì)、統(tǒng)一數(shù)據(jù)表示、統(tǒng)一地址轉(zhuǎn)換等實(shí)現(xiàn)。下面從物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的層次結(jié)構(gòu)、信息交互流程和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)3個(gè)方面來進(jìn)行闡述。

3.1 層次結(jié)構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)支持感知延伸設(shè)備之間的多種通信協(xié)議和數(shù)據(jù)類型，實(shí)現(xiàn)多種感知延伸設(shè)備之間數(shù)據(jù)通信格式的轉(zhuǎn)換，對(duì)上傳的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行統(tǒng)一，同時(shí)對(duì)下達(dá)到感知延伸網(wǎng)絡(luò)的采集或控制命令進(jìn)行映射，產(chǎn)生符合具體設(shè)備通信協(xié)議的消息。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)對(duì)感知延伸設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一控制與管理，向上層屏蔽底層感知延伸網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)性，共分為4層，分別為業(yè)務(wù)服務(wù)層、標(biāo)準(zhǔn)消息構(gòu)成層、協(xié)議適配層和感知延伸層，如圖2所示。


（1）業(yè)務(wù)服務(wù)層

業(yè)務(wù)服務(wù)層由消息接收模塊和消息發(fā)送模塊組成。消息接收模塊負(fù)責(zé)接收來自物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)運(yùn)營管理系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)消息，將消息傳遞給標(biāo)準(zhǔn)消息構(gòu)成層。消息發(fā)送模塊負(fù)責(zé)向業(yè)務(wù)運(yùn)營管理系統(tǒng)可靠地傳送感知延伸網(wǎng)絡(luò)所采集的數(shù)據(jù)信息。該層接收與發(fā)送的消息必須符合標(biāo)準(zhǔn)的消息格式。

（2）標(biāo)準(zhǔn)消息構(gòu)成層

標(biāo)準(zhǔn)消息構(gòu)成層由消息解析模塊和消息轉(zhuǎn)換模塊組成。消息解析模塊解析來自業(yè)務(wù)服務(wù)層的標(biāo)準(zhǔn)消息，調(diào)用消息轉(zhuǎn)換模塊將標(biāo)準(zhǔn)消息轉(zhuǎn)換為底層感知延伸設(shè)備能夠理解的依賴于具體設(shè)備通信協(xié)議的數(shù)據(jù)格式。當(dāng)感知延伸層上傳數(shù)據(jù)時(shí)，該層的消息解析模塊則解析依賴于具體設(shè)備通信協(xié)議的消息，調(diào)用消息轉(zhuǎn)換模塊將其轉(zhuǎn)換為業(yè)務(wù)服務(wù)層能夠接收的標(biāo)準(zhǔn)格式的消息。消息構(gòu)成層是物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的核心，完成對(duì)標(biāo)準(zhǔn)消息以及依賴于特定感知延伸網(wǎng)絡(luò)的消息的解析，并實(shí)現(xiàn)兩者之間的相互轉(zhuǎn)換，達(dá)到統(tǒng)一控制和管理底層感知延伸網(wǎng)絡(luò)，向上屏蔽底層網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議異構(gòu)性的目的。

（3）協(xié)議適配層

協(xié)議適配層保證不同的感知延伸層協(xié)議能夠通過此層變成格式統(tǒng)一的數(shù)據(jù)和控制信令。

（4）感知延伸層

此層面向底層感知延伸設(shè)備，包含消息發(fā)送與消息接收兩個(gè)子模塊。消息發(fā)送模塊負(fù)責(zé)將經(jīng)過消息構(gòu)成層轉(zhuǎn)換后的可被特定感知延伸設(shè)備理解的消息發(fā)送給底層設(shè)備。

消息接收模塊則接收來自底層設(shè)備的消息，發(fā)送至標(biāo)準(zhǔn)消息構(gòu)成層進(jìn)行解析。

感知延伸網(wǎng)絡(luò)由感知設(shè)備組成，包括射RFID、GPS、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、各類型傳感器等。感知延伸設(shè)備之間支持多種通信協(xié)議，可以組成Lonworks和Zigbee以及其他多種感知延伸網(wǎng)絡(luò)。

3.2 信息交互流程

圖3展示了物聯(lián)網(wǎng)中信息交互流程，具體流程分析如下。


（1）最終用戶產(chǎn)生符合標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式的消息，并將其發(fā)送至網(wǎng)關(guān)業(yè)務(wù)服務(wù)層的消息接收模塊。

（2）業(yè)務(wù)服務(wù)層消息接收模塊將標(biāo)準(zhǔn)消息發(fā)送至標(biāo)準(zhǔn)消息構(gòu)成層的消息解析模塊。

（3）消息解析模塊調(diào)用相應(yīng)的消息轉(zhuǎn)換功能，將標(biāo)準(zhǔn)信息轉(zhuǎn)換為依賴于具體設(shè)備通信協(xié)議的消息。

（4）消息解析模塊將轉(zhuǎn)換為依賴于具體設(shè)備通信協(xié)議的消息傳送至感知延伸服務(wù)層的消息發(fā)送模塊。

（5）感知延伸服務(wù)層的消息發(fā)送模塊選擇合適的傳輸方式，將依賴設(shè)備通信協(xié)議的特定消息發(fā)送至具體的底層設(shè)備。

（6）底層設(shè)備根據(jù)特定消息執(zhí)行信息采集操作，并將結(jié)果返回給網(wǎng)關(guān)感知延伸服務(wù)層的消息接收模塊。

（7）網(wǎng)關(guān)的感知延伸服務(wù)層的消息接收模塊將依賴設(shè)備通信協(xié)議的特定消息傳送至標(biāo)準(zhǔn)消息構(gòu)成層的消息解析模塊。

（8）消息解析模塊調(diào)用信息轉(zhuǎn)換模塊，將依賴于設(shè)備通信協(xié)議的特定消息轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)消息。

從圖3可以看出，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)解決了物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)不同設(shè)備無法統(tǒng)一控制和管理的問題，達(dá)到屏蔽底層通信差異的目的，并使得最終用戶無需知道底層設(shè)備的具體通信細(xì)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同感知延伸層設(shè)備的統(tǒng)一訪問。

3.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)的典型應(yīng)用結(jié)構(gòu)如圖4所示。無線傳感器節(jié)點(diǎn)采集相應(yīng)數(shù)據(jù)信息，通過無線多跳自組織方式將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)關(guān)，固定式閱讀器讀取RFID標(biāo)簽內(nèi)容發(fā)送到網(wǎng)關(guān)；網(wǎng)關(guān)將這些數(shù)據(jù)通過WCDMA網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到服務(wù)器；服務(wù)器對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、存儲(chǔ)，并提供一個(gè)信息平臺(tái)，供用戶（包括PC用戶和手機(jī)用戶）使用。從圖4中可以看出物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)是架起感知網(wǎng)絡(luò)和接入網(wǎng)絡(luò)的橋梁，扮演著重要的角色。



在物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)時(shí)，采用模塊化思想，設(shè)計(jì)面向不同感知網(wǎng)絡(luò)和基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)通用低成本的網(wǎng)關(guān)。按照模塊化的思想，將物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)匯集模塊、處理/存儲(chǔ)模塊、接入模塊和供電模塊，如圖5（a）所示。



數(shù)據(jù)匯聚模塊：實(shí)現(xiàn)物理世界數(shù)據(jù)的采集或者匯聚。

本網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)采用傳感器網(wǎng)絡(luò)的匯聚節(jié)點(diǎn)和RFID網(wǎng)絡(luò)的閱讀器作為數(shù)據(jù)匯集設(shè)備。

處理/存儲(chǔ)模塊：是網(wǎng)關(guān)的核心模塊，它實(shí)現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換、管理、安全等各個(gè)方面的數(shù)據(jù)處理及存儲(chǔ)。

接入模塊：將網(wǎng)關(guān)接入廣域網(wǎng)，可能采用的方式包括有線（以太、ADSL、FTTx等）、無線（WLAN、GPRS、3G和衛(wèi)星等），本系統(tǒng)采用WCDMA的接入方式。

供電管理模塊：負(fù)責(zé)整套系統(tǒng)的電源供給，系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行與電源模塊的穩(wěn)定性能關(guān)系密切，此處設(shè)計(jì)的電源模塊兼有熱插拔和電壓轉(zhuǎn)換功能?？赡艿墓╇姺绞桨ㄊ须?、太陽能、蓄電池等。

數(shù)據(jù)匯聚模塊和處理/存儲(chǔ)模塊之間的接口類型采用UART方式。接入模塊和處理/存儲(chǔ)模塊之間的接口類型采用PCIE方式。網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)時(shí)采用分層結(jié)構(gòu)，最后在應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)協(xié)議數(shù)據(jù)的相互轉(zhuǎn)換。在進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)硬件模塊化的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)的軟件功能的模塊化，不同的硬件模塊對(duì)應(yīng)不同的驅(qū)動(dòng)模塊；采用動(dòng)態(tài)可加載方式運(yùn)行，分別提取出接入模塊和數(shù)據(jù)匯集模塊的公共驅(qū)動(dòng)，根據(jù)接入的硬件模塊不同加載不同的驅(qū)動(dòng)模塊，達(dá)到驅(qū)動(dòng)硬件模塊的目的，如圖5（b）所示。

3.4 關(guān)鍵技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中解決了以下幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。

軟件交互協(xié)議的統(tǒng)一：物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路是以模塊化的方式實(shí)現(xiàn)軟硬件的各個(gè)部分，使得模塊之間的替換非常容易，以實(shí)現(xiàn)不同的感知延伸網(wǎng)絡(luò)和接入網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，屏蔽底層通信差異。其中硬件模塊采用UART總線形式進(jìn)行連接，軟件則采用模塊化可加載的方式運(yùn)行，并將共同部分抽象成公共模塊。因此，支持新的數(shù)據(jù)匯聚模塊和接入模塊則只需要開發(fā)相應(yīng)的硬件模塊和驅(qū)動(dòng)程序即可。另外，添加統(tǒng)一的協(xié)議適配層（如圖6所示），將應(yīng)用數(shù)據(jù)統(tǒng)一提取出來，按照TLV（type，length，value）的方式進(jìn)行組織，然后封裝數(shù)據(jù)包。使得在接入網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)亩际菢?biāo)準(zhǔn)的IP數(shù)據(jù)包，其中封裝了TLV格式的采集數(shù)據(jù)。



統(tǒng)一地址轉(zhuǎn)換：不同的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)使用不同的編址方式，如ZigBee中有16位短地址，6LowPan中有64位地址。在應(yīng)用中只需要能定位到具體的節(jié)點(diǎn)即可，不需要關(guān)心節(jié)點(diǎn)是采用IP地址還是16位短地址，也不關(guān)心節(jié)點(diǎn)間的組網(wǎng)是采用ZigBee還是6LowPan或者其他方式。將這些地址轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的表示方式，有利于應(yīng)用的開發(fā)，因此在網(wǎng)關(guān)中實(shí)現(xiàn)一種地址映射機(jī)制，將IP或者16位短地址映射為統(tǒng)一的ID，在與應(yīng)用交互過程中只需要關(guān)注這個(gè)ID即可。具體的映射方式可以采用從1累加的方式，當(dāng)網(wǎng)關(guān)接收到第一個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)時(shí)，將該節(jié)點(diǎn)的地址映射為1，后續(xù)的依次加1，將這個(gè)映射表保存在網(wǎng)關(guān)中。同時(shí)還采用老化機(jī)制，在一定時(shí)間內(nèi)沒有收到該節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)時(shí)，將此條映射關(guān)系刪除。

采集模塊數(shù)據(jù)接口的統(tǒng)一：采集模塊與網(wǎng)關(guān)之間定義AT指令集，節(jié)點(diǎn)通過ZigBee協(xié)議組網(wǎng)。在與網(wǎng)關(guān)的接口之間只關(guān)注一些對(duì)采集模塊的控制指令和數(shù)據(jù)交互指令，不關(guān)注具體的組網(wǎng)協(xié)議，實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)協(xié)議無關(guān)性。

數(shù)據(jù)映射關(guān)系管理：如何管理網(wǎng)關(guān)連接的兩種或多種系統(tǒng)中的設(shè)備在通信數(shù)據(jù)中的映射關(guān)系，即通常意義上的尋址，是很重要的步驟。而這一部分針對(duì)網(wǎng)關(guān)所連接的不同，總線設(shè)備也有很大區(qū)別。本網(wǎng)關(guān)對(duì)所有可能下掛的模塊的輸入輸出數(shù)據(jù)格式進(jìn)行分析，然后分別定義了各個(gè)模塊對(duì)應(yīng)的通信接口配置字。

4 結(jié)束語

本文旨在研究一種能支持各種傳感器網(wǎng)絡(luò)及接入網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)設(shè)備，它能支持不同類型的傳感器節(jié)點(diǎn)和接入方式，并能為中間件或者應(yīng)用程序提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式，從而為應(yīng)用屏蔽不同的傳感器網(wǎng)絡(luò)及接入網(wǎng)絡(luò)，使得應(yīng)用程序只需要關(guān)注于應(yīng)用環(huán)境的數(shù)據(jù)處理。