一個高智能化的物聯(lián)網(wǎng)樞紐 -- -- 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關

1物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關

互聯(lián)網(wǎng)的普及，使很多了解互聯(lián)網(wǎng)的人都知道網(wǎng)關這么一 個名詞，網(wǎng)關(Gateway)就是一個網(wǎng)絡連接到另一個網(wǎng)絡的“關 口”在Internet網(wǎng)中，網(wǎng)關是一種連接內部網(wǎng)與Internet上其 他網(wǎng)的中間設備，也稱路由器。

眾所皆知，物聯(lián)網(wǎng)概念在美國誕生，作為新一代信息技 術的重要組成部分，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)是通過射頻識別(RFID)、紅 外感應器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設備，按 約定的協(xié)議，把任何物品組成一個感知網(wǎng)絡與互聯(lián)網(wǎng)相連接, 進行信息交換和通信的系統(tǒng)架構。圖1所示為物聯(lián)網(wǎng)體系架構。

圖1物聯(lián)網(wǎng)體系架構

從物聯(lián)網(wǎng)的體系架構中，我們可以看到在感知層和網(wǎng)絡層 兩個不同的網(wǎng)絡之間需要一個中間設備:物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關。

物聯(lián)網(wǎng)的接入方式是多種多樣的，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關設備是最 適合將多種接入手段整合起來，統(tǒng)一互聯(lián)到接入網(wǎng)絡的關鍵設 備，網(wǎng)關可滿足局部區(qū)域短距離通信的接入需求，實現(xiàn)與公共 網(wǎng)絡的連接，同時完成轉發(fā)、控制、信令交換和編解碼等功能, 而終端管理、安全認證等功能保證了物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務的質量和安 全。網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關可以實現(xiàn)感知延伸網(wǎng)絡與接入網(wǎng)絡，以及不同 類型感知延伸網(wǎng)絡之間的協(xié)議轉換，既可以實現(xiàn)廣域互聯(lián)，也 可以實現(xiàn)局域互聯(lián)。

2智能化物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關應具備的能力

歸納起來高度智能化物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關應具備以下能力：

2.1廣泛的接入能力

目前用于近程通信的技術標準很多，僅常見的WSNs技 術就包括 Lonworks、ZigBee、6LowPAN、RUBEE 等。從網(wǎng) 關所處的位置可以看出，網(wǎng)關需要具備接入多種現(xiàn)有通信網(wǎng)的 能力，這些通信網(wǎng)包括2G/3G/4G移動通信網(wǎng)絡、無線局域網(wǎng)、 有線網(wǎng)絡。因此，網(wǎng)關必須具備相應網(wǎng)絡的接口和軟硬件的接 入能力。現(xiàn)在國內外已經(jīng)在展開針對物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關進行標準化工 作，如3GPP、傳感器工作組，實現(xiàn)各種通信技術標準的互聯(lián) 互通。

2.2強大的管理能力

管理對于任何大型網(wǎng)絡都是必不可少的。首先要對網(wǎng)關 進行管理，如注冊管理、權限管理、狀態(tài)監(jiān)管等。網(wǎng)關實現(xiàn) 子網(wǎng)內的節(jié)點的管理，如獲取節(jié)點的標識、狀態(tài)、屬性、能量 等，以及遠程實現(xiàn)喚醒、控制、診斷、升級和維護等。由于 子網(wǎng)的技術標準不同，協(xié)議的復雜性不同，所以網(wǎng)關具有的管 理性能力不同。提出基于模塊化物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關方式來管理不同的 感知網(wǎng)絡、不同的應用，保證能夠使用統(tǒng)一的管理接口技術對 末梢網(wǎng)絡節(jié)點進行統(tǒng)一管理。

2.3協(xié)議轉換能力

從不同的感知網(wǎng)絡到接入網(wǎng)絡的協(xié)議轉換，將下層的標 準格式的數(shù)據(jù)統(tǒng)一封裝，保證不同的感知網(wǎng)絡的協(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) 議可以識別的信令和控制指令。

能處理如此繁多復雜的不同類型工作的高智能化設備, 需要有很強的研發(fā)設計能力和針對不同行業(yè)應用的深厚實踐 經(jīng)驗。

3水產(chǎn)養(yǎng)殖物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構和功能

下面就上海辰漢電子在水產(chǎn)養(yǎng)殖方面的具體例子，介紹 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關的研發(fā)設計和功能。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術迅速發(fā)展，基于物聯(lián)網(wǎng)的設施漁業(yè)信息 化已經(jīng)成為設施漁業(yè)生產(chǎn)向集約、高產(chǎn)、高效、優(yōu)質方向發(fā) 展的重要推動力。設計中的水產(chǎn)養(yǎng)殖物聯(lián)網(wǎng)架構如圖2所示。

圖2水產(chǎn)養(yǎng)殖物聯(lián)網(wǎng)架構

物聯(lián)網(wǎng)利用ZigBee無線網(wǎng)絡技術組成無線傳感器網(wǎng)絡, 感知養(yǎng)殖場的水質情況，例如溫度、溶解氧濃度、PH值等, 將這些數(shù)據(jù)實時發(fā)送至物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關。網(wǎng)關將養(yǎng)殖場的環(huán)境數(shù) 據(jù)利用3G模塊（或GPRS模塊）發(fā)送至控制中心的服務器, 服務器利用專家系統(tǒng)依據(jù)水產(chǎn)品的生長模型結合人工智能技術 向網(wǎng)關發(fā)送控制指令，網(wǎng)關依控制指令利用控制箱驅動電機采 取動作，調節(jié)養(yǎng)殖場的水產(chǎn)品的生長環(huán)境，從而利于水產(chǎn)品生 長。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關留有攝像頭接口，能夠根據(jù)用戶需求將生產(chǎn)現(xiàn) 場的圖片或者視頻發(fā)至控制中心服務器，服務器上部署軟件并 接入Internet網(wǎng)絡，用戶可以利用個人電腦或者手機登錄到服 務器，查詢養(yǎng)殖水域內外環(huán)境數(shù)據(jù)、瀏覽生產(chǎn)現(xiàn)場圖片、觀 看現(xiàn)場視頻，還可以遠程控制各種生產(chǎn)設備。當養(yǎng)殖場環(huán)境 異常時，除了服務器中的專家系統(tǒng)發(fā)出指令驅動電機調節(jié)環(huán)境（如增氧機增加溶解氧），控制中心的告警箱也能夠發(fā)出聲光 告警，服務器向相關人員發(fā)出告警短信?？刂浦行膬鹊娘@示器 （或者大屏幕）上能夠顯示各個傳感器的工作狀態(tài)、讀數(shù)、現(xiàn) 場圖片等信息。因此，物聯(lián)網(wǎng)技術能夠實現(xiàn)設施漁業(yè)養(yǎng)殖的 動態(tài)實時監(jiān)管、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、科學決策、預警及風險控制、 專家咨詢等生產(chǎn)過程的科學化、數(shù)字化。

水產(chǎn)養(yǎng)殖物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關設計從水產(chǎn)養(yǎng)殖物聯(lián)網(wǎng)架構可以看 出網(wǎng)關是物聯(lián)網(wǎng)核心設備。網(wǎng)關的設計包括兩部分：硬件設計 和軟件設計。

（1）網(wǎng)關硬件設計。網(wǎng)關中的處理器采用ARM Cortex-A8。該處理器的主頻可以達到1 GHz以上，處理能力 很強。網(wǎng)關配置512 MB DDR3內存以及4 GB NANDFlash, 運行Adroid2.3系統(tǒng)。根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的組網(wǎng)要求，網(wǎng)關具備 10/100M以太網(wǎng)接口、內置無線WiFi模塊、用于連接3G/ GPRS模塊的USB接口以及用于連接傳感網(wǎng)協(xié)調器的串行口。 為了獲取視頻或者圖像，網(wǎng)關具備模擬視頻接口。網(wǎng)關還帶有 液晶顯示屏以及HDMI接口，HDMI接口可以接高清大屏幕。

（2）網(wǎng)關軟件設計。根據(jù)網(wǎng)關的功能，網(wǎng)關的軟件包括 接入配置管理模塊、ZigBee傳感網(wǎng)通信及控制模塊、協(xié)議轉 換模塊、圖像處理模塊、顯示模塊、故障處理模塊。接入配 置管理模塊用于對多種接入方式的配置和管理，這些接入方 式包括有線以太網(wǎng)接入、無線局域網(wǎng)接入、3G/GPRS無線接入。 ZigBee傳感網(wǎng)通信及控制模塊通過串行口與ZigBee協(xié)調器通 信，獲取傳感網(wǎng)的數(shù)據(jù)，控制傳感網(wǎng)的網(wǎng)絡運行。協(xié)議轉換模 塊解決傳感網(wǎng)與后臺服務器之間的通信協(xié)議轉換，保證傳感網(wǎng) 數(shù)據(jù)能夠正確發(fā)往服務器，服務器發(fā)來的指令能夠能被正確 發(fā)往傳感網(wǎng)并可靠執(zhí)行。圖像處理模塊能夠獲取攝像頭傳來 的圖像，并壓縮編碼，一方面在本地進行存儲，另一方面發(fā)向 服務器。顯示模塊將各種信息送向液晶屏和HDMI高清大屏 幕。故障處理模塊則將傳感網(wǎng)以及網(wǎng)關設備本身的各種故障 進行記錄并發(fā)送告警信息。

除智慧農業(yè)外，高智能化物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關還將廣泛應用于智 慧城市、智能電網(wǎng)、智慧醫(yī)療、智能交通等各行各業(yè)。物聯(lián)網(wǎng) 網(wǎng)關在未來的物聯(lián)網(wǎng)時代將會扮演著非常重要的角色。

20211103_61824380a54f8__一個高智能化的物聯(lián)網(wǎng)樞紐