物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的設(shè)計與研究

　　1 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

　　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)為最終用戶提供計量統(tǒng)計、遠(yuǎn)程測控、智能聯(lián)動以及其他的擴(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)、計費(fèi)等功能。

　　2 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)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，對上傳的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行統(tǒng)一，同時對下達(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，共分為四層，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。

　　2.1 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。

　　2.2 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，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。

　　2.3 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。

　　2.4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)。

　　圖3展示了物聯(lián)網(wǎng)中信息交互流程，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)對不同感知延伸層設(shè)備的統(tǒng)一訪問。

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

　　3.1 硬件結(jié)構(gòu)

　　網(wǎng)關(guān)的總體結(jié)構(gòu)如圖4 圖所示，數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)現(xiàn)物理世界數(shù)據(jù)的采集或者匯聚，它可以是傳感器網(wǎng)絡(luò)的匯聚節(jié)點(diǎn)、RFID網(wǎng)絡(luò)的閱讀器、視頻采集設(shè)備、GPS等。處理/存儲模塊是網(wǎng)關(guān)的核心模塊，它實(shí)現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換、管理、安全等各個方面的數(shù)據(jù)處理及存儲。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、FTT等）、無線（WLAN、GPRS、3G、衛(wèi)星等）。供電模塊負(fù)責(zé)為網(wǎng)關(guān)供電，可能的供電方式包括市電、太陽能、蓄電池等。

　　在此，將數(shù)據(jù)采集模塊和處理/存儲模塊之間的接口稱為A接口，將接入模塊和處理/存儲模塊之間的接口稱為B接口。A接口的類型可能有UART（用得最多的方式）、RS232/RS485（如各種儀器、儀表）、SPI（直接對短距離RF模塊進(jìn)行操作時用）、USB（視頻頭）、Ethernet、AD總線等；B接口的類型可能有UART、USB、AD總線等。需要在開發(fā)過程中逐漸定義出A接口和B接口的規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)。

　　3.2 軟件結(jié)構(gòu)

　　網(wǎng)關(guān)的設(shè)計思路是以模塊化的方式實(shí)現(xiàn)軟硬件的各個部分，使得模塊之間的替換非常容易。其中硬件模塊采用總線形式（如UART、USB、PCI、本地總線等）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，如圖5所示。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)動程序即可。另外，將處理過程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一，負(fù)載部分采用TLV（Type、Length、Value）的方式進(jìn)行組織，如圖6所示。

　　4 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)DEMO版

　　目前需要開發(fā)的DEMO系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖7所示，無線傳感器節(jié)點(diǎn)采集環(huán)境中的溫度等信息，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)器對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、存儲，并提供一個信息平臺，供用戶（包括PC用戶和手機(jī)用戶）使用。通過實(shí)現(xiàn)這個DEMO系統(tǒng)，可以對物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。

　　4.1 硬件組成

　　1.RFID標(biāo)簽：RFID標(biāo)簽選擇卡片式的，方便演示時使用。

　　2.固定式閱讀器：固定式閱讀器選擇價格低廉、只有普通的讀寫卡功能的串口閱讀器。

　　3無線傳感器節(jié)點(diǎn)：無線傳感器節(jié)點(diǎn)選用目前支持IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的，可以支持ZigBee和 6LoWPAN協(xié)議的節(jié)點(diǎn)。

　　4.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　DEMO系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)如圖8所示，固定閱讀器和無線傳感器節(jié)點(diǎn)通過RS232跟處理模塊通信，WCDMA通信模塊通過USB跟處理模塊通信。

　　圖9 基于ARM的處理模塊結(jié)構(gòu) 處理模塊目前考慮兩種實(shí)現(xiàn)方式：（1）、采用PC機(jī)作為處理模塊（2）、采用ARM處理器實(shí)現(xiàn)處理模塊，其硬件結(jié)構(gòu)如圖9所示。服務(wù)器使用辦公用的PC機(jī)即可。

　　4.3 軟件組成

　　1.無線傳感器節(jié)點(diǎn)軟件 無線傳感器節(jié)點(diǎn)軟件基于單片機(jī)和C語言開發(fā)，在購買的無線傳感器節(jié)點(diǎn)的代碼基礎(chǔ)上能很快完成。

　　2.網(wǎng)關(guān)軟件 網(wǎng)關(guān)軟件采用Linux操作系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)，其軟件結(jié)構(gòu)如圖10所示。最底層為各硬件的驅(qū)動程序，在應(yīng)用程序中實(shí)現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換、配置管理等應(yīng)用程序。

　　需要實(shí)現(xiàn)的功能包括：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和RFID網(wǎng)絡(luò)與WCDMA網(wǎng)絡(luò)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換，這里主要考慮的是各網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)包組織和轉(zhuǎn)換；

　　配置管理：利用Console、Telnet、Web幾種方式可以對網(wǎng)關(guān)進(jìn)行配置；

　　3.服務(wù)器軟件

　　服務(wù)器軟件的結(jié)構(gòu)如圖11所示。通信模塊負(fù)責(zé)收發(fā)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理負(fù)責(zé)將Web/UI產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行組包或者將接收到的數(shù)據(jù)解包存儲到數(shù)據(jù)庫中。

　　5 結(jié)束語

　　物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)在物聯(lián)網(wǎng)中起到關(guān)鍵作用。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)的異構(gòu)性網(wǎng)關(guān)設(shè)備，它能支持不同類型的傳感器節(jié)點(diǎn)（無線如ZigBee、6LoWPAN等，有線如RS485、CAN等）和接入方式（如有線、WLAN、GPRS、3G等），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。在物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)研究方面下一步將集成了防火墻、VPN、DoS、流量管理、IPS、IDS、上網(wǎng)行為管理、內(nèi)容過濾、WEB安全、防病毒、反垃圾郵件等多種功能模塊，可以滿足多方面的防護(hù)需要，從而真正實(shí)現(xiàn)立體全方位的保證業(yè)務(wù)安全。