新一代物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)研究

摘要：簡介了物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的應(yīng)用背景，提出了網(wǎng)關(guān)的總體方案，列舉了其中關(guān)鍵枝術(shù)，給出了應(yīng)用案例，介紹了研究團隊。
關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；網(wǎng)關(guān)；ZigBee；RFID；M2M

0 引言
    隨著傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展成熟，成本的不斷降低，多源感知系統(tǒng)將顯著改變數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及用戶與便攜式電子產(chǎn)品之間的界面。引導(dǎo)這種發(fā)展趨勢的原始設(shè)備制造商已明確指出希望借助這些傳感器在實現(xiàn)用戶對信息隨時隨地動態(tài)感知的設(shè)想。這些現(xiàn)代傳感器提供了設(shè)計工程師所需要的感知能力，改變了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及人機交互方式。
    本研究為西安電子科技大學(xué)承擔(dān)的中興通訊公司的項目，主要研究基于中興智能手機平臺的新一代物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)。旨在用于物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)和驗證，為中興通汛研發(fā)新一代智能手機產(chǎn)品提供參考依據(jù)。通過中興智能手機與整個物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的通信，可以實現(xiàn)手機導(dǎo)航，移動訂閱，環(huán)境監(jiān)控，標(biāo)簽識別，目標(biāo)感知與定位等功能。研究成果的產(chǎn)品將進(jìn)一步拓展手機的功能，可廣泛應(yīng)用在工商業(yè)，家居生活等多領(lǐng)域。

1 總體方案
    本項目是未來4G手機的概念平臺，手機作為移動互聯(lián)網(wǎng)與無線傳感網(wǎng)的應(yīng)用網(wǎng)關(guān)使用，在設(shè)備接入控制與數(shù)據(jù)文互中需要使用大量的接入?yún)f(xié)議與數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，通過對協(xié)議建模與仿真實驗，文中提出了多協(xié)議融合的技術(shù)方案，以便于智能手機平臺可在多種場合發(fā)揮作用。
    本系統(tǒng)由智能移動信息匯集終端和中興智能手機組成。通過無線網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)可實時采集與傳輸多源數(shù)據(jù)。手機可根據(jù)需要對多源數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與控制，使周圍的無線傳感器能與手機進(jìn)行動態(tài)數(shù)據(jù)交換。
    本設(shè)計結(jié)合無線傳感器技術(shù)和嵌入式軟硬件技術(shù)，采用RFID Reader、尢線傳感器終端模塊、Wi-Fi模塊、WAPI模塊、ZigBee模塊、GPS模塊以外部擴展方式，確保利用中興智能手機平臺對周圍無線傳感器模塊的實時采集。本研究采用高精度電壓參考芯片為系統(tǒng)信號采集了系統(tǒng)提供參考電壓基準(zhǔn)，系統(tǒng)通過ZigBee模塊完成現(xiàn)場溫度、濕度等信息的感知；并采用藍(lán)牙Bluetooth(IEEE 802．15)模塊實現(xiàn)評估板多源信息到中興智能手機的無線傳輸。系統(tǒng)的主要支撐技術(shù)有嵌入式技術(shù)、無線局域組網(wǎng)技術(shù)、多協(xié)議處理、人機交互界面、RFID等，實現(xiàn)了以智能移動平臺終端為核心的自動化、信息化的多功能信息感知應(yīng)用系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)架構(gòu)
    本系統(tǒng)的主要支撐技術(shù)有：嵌入式技術(shù)、無線局域組網(wǎng)技術(shù)、多協(xié)議處理、人機交互界面、RFID等，實現(xiàn)了以智能移動平臺終端為核心的自動化、信息化的多功能信息感知應(yīng)用系統(tǒng)。其系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示，該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也是未來物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的一個雛形。

    在圖1的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，手機作為一個重要終端，通過藍(lán)牙設(shè)備到達(dá)網(wǎng)關(guān)設(shè)備，然后由網(wǎng)關(guān)設(shè)備對ZigBee網(wǎng)絡(luò)、電子標(biāo)簽、3G網(wǎng)絡(luò)、Wi-Fi／WAPI網(wǎng)絡(luò)、北斗網(wǎng)絡(luò)等網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備之間進(jìn)行完美的網(wǎng)絡(luò)融合和技術(shù)革新，充分體現(xiàn)了現(xiàn)實物品通過射頻識別等信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，實現(xiàn)智能化識別和管理這一物聯(lián)理念。[!--empirenews.page--]
    嵌入式系統(tǒng)開發(fā)分為軟件開發(fā)和硬件開發(fā)兩部分。
    硬件模塊目前主要包括ARM9-S3C2440開發(fā)板、BC4RS 232串口藍(lán)牙適配器、RC500非接觸式IC卡開發(fā)板、ZigBee模塊、M2M模塊、智能藍(lán)牙手機。開發(fā)板上的核心是ARM處理器，處理器中有裁剪的Linux系統(tǒng)和相應(yīng)的C語言程序，由于控制整個系統(tǒng)的設(shè)備運轉(zhuǎn)以及處理各子網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)。SDRAM和FLASH與S3C2440相連，用作緩存和存儲程序。分布在處理器周圍的藍(lán)牙無線傳輸接口，可通過虛擬串口通過藍(lán)牙技術(shù)與中興智能手機進(jìn)行通信。ZigBee模塊用于接收ARM處理器的指令，發(fā)送到ZigBee網(wǎng)絡(luò)，同時可以接收ZigBee網(wǎng)絡(luò)返回的消息。RFID接口模塊的作用類似于ZigBee的接口模塊，同樣用于接收處理器的指令和RFID網(wǎng)絡(luò)返回的消息，并發(fā)送給另外一端。中興Mu301通過USB接口與M2M模塊連接。手機端通過J2ME開發(fā)的JAVA虛擬機上的應(yīng)用程序利用藍(lán)牙的虛擬串口通信協(xié)議與開發(fā)板上的藍(lán)牙模塊接口傳遞消息。
    嵌入式系統(tǒng)在開發(fā)過程一般都采用“宿主機／目標(biāo)板”開發(fā)模式，即利用宿主機(PC機)上豐富的軟硬件資源及良好的開發(fā)環(huán)境和調(diào)試工具來開發(fā)目標(biāo)板上的軟件，然后通過交叉編譯環(huán)境生成目標(biāo)代碼和可執(zhí)行文件，通過串口／USB／以太網(wǎng)等方式下載到目標(biāo)板上，利用交叉調(diào)試器在監(jiān)控程序運行，實時分析，最后，將程序下載固化到目標(biāo)機上，完成整個開發(fā)過程。在軟件設(shè)計上，為結(jié)合ARM硬件環(huán)境及ADS軟件開發(fā)環(huán)境所設(shè)計的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)流程圖。整個開發(fā)過程基本包括以下幾個步驟：
    (1)源代碼編寫：編寫源C／C++及匯編程序；
    (2)程序編譯：通過專用編譯器編譯程序；
    (3)軟件仿真調(diào)試：在SDK中仿真軟件運行情況；
    (4)程序下載：通過JTAG、USB、UART方式下載到目標(biāo)板上；
    (5)軟硬件測試、調(diào)試：通過JTAG等方式聯(lián)合調(diào)試程序；
    (6)下載固化：程序無誤，下載到產(chǎn)品上生產(chǎn)。

3 關(guān)鍵技術(shù)
    本項目在設(shè)計與實現(xiàn)過程中，通常涉及以下一一些關(guān)鍵技術(shù)：
    (1)本項目需要通過藍(lán)牙技術(shù)，來實現(xiàn)手機平臺和物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)通信。研究手機平臺和網(wǎng)關(guān)模塊的通信機制，以及相關(guān)的協(xié)議的設(shè)計是一個關(guān)鍵問題；
    (2)ZigBee協(xié)議棧在CC2430芯片上集成了Z-Stack的協(xié)議棧。因此，需要深入研究ARM Linux和ZigBee協(xié)議棧的深度結(jié)合機制；
    (3)在本項目中，通過手機平臺讓用戶和ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交互，如何設(shè)計手機平臺和ZigBee協(xié)議的交互機制是一個研究重點；
    (4)RFID模塊可以實現(xiàn)對射頻標(biāo)簽的讀寫的功能。因此要解決ARM Linux和RFID閱讀器的結(jié)合問題，實現(xiàn)通過Linux平臺控制對RFID的讀寫等操作；
    (5)基于ARM Linux和手機平臺，作為RFID信息過濾器和事件規(guī)則處理引擎的關(guān)鍵技術(shù)研究；
    (6)研究ARM Linux和手機平臺，與中興TD-MU240模塊的集成機制；
    (7)研究如何將應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)的藍(lán)牙技術(shù)與RFID安全認(rèn)證技術(shù)有效結(jié)合。通過這項技術(shù)可以借助RFID快速安全建立藍(lán)牙連接；
    (8)節(jié)能、可靠是無線傳感網(wǎng)關(guān)注的兩個重點，物聯(lián)網(wǎng)無線傳感網(wǎng)絡(luò)中節(jié)能可靠路由協(xié)議研究也是本項目的一個關(guān)鍵。本項目提出一些路由協(xié)議可以有效減少無線傳感網(wǎng)絡(luò)的能耗、并提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性；
    (9)針對無線傳感網(wǎng)絡(luò)的被動故障檢測方法進(jìn)行研究。本項目采取基于匯聚節(jié)點被動接收和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)故障診斷方法。

4 應(yīng)用場景
    本項目所研制的物聯(lián)網(wǎng)互操作平臺和動態(tài)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，具有靈敏度高、實用性好、模塊化等特點，該技術(shù)的成功將增強智能手機的自動化程度，大幅度擴展無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用范圍，能在社會的各領(lǐng)域廣泛使用?；跓o線傳感器網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，可節(jié)省大量布線，減少資源的浪費，從而為建設(shè)節(jié)約型社會做出積極貢獻(xiàn)。
    基于物聯(lián)網(wǎng)的手機在我國還屬于方興末艾的新事物，智能化手機集成的多項功能、手機作為應(yīng)用網(wǎng)關(guān)未來會成為社會發(fā)展的必然趨勢，具有廣闊的市場空間。據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計，未來5年中國的智能化小區(qū)將以30％的速度增長，預(yù)計到2020年，我國大中城市中的60％住宅要實現(xiàn)智能化。因此，可以預(yù)見，該預(yù)研項目涉及的新的手機產(chǎn)品具有廣闊的產(chǎn)業(yè)化前景。目前所要實現(xiàn)的兩個示范性應(yīng)用分別是校園安全系統(tǒng)和機場智能領(lǐng)取行李系統(tǒng)。
    基于物聯(lián)網(wǎng)的校園安全演示系統(tǒng)，將先進(jìn)的射頻識別技術(shù)(RFID)，無線傳感技術(shù)(ZigBee)與互聯(lián)網(wǎng)、移動網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，打造一個立體化的安全網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)。系統(tǒng)采用RFID技術(shù)實時讀取學(xué)生信息，在校門、教學(xué)樓等地布點通過ZigBee技術(shù)形成自組織的多跳網(wǎng)絡(luò)，再由匯聚節(jié)點上傳獲取的信息，管理人員可通過手持設(shè)備在校園中隨時隨地查詢管理。
    基于物聯(lián)網(wǎng)的智能領(lǐng)取行李系統(tǒng)，是將射頻識別技術(shù)(RFID)、無線傳感技術(shù)(ZigBee)與互聯(lián)網(wǎng)、移動網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，以便智能、高效地解決旅客在機場領(lǐng)取行李可能出現(xiàn)的問題。該系統(tǒng)憑借綁定在行李上的身份標(biāo)簽和可以作為讀卡器的手機，乘客下了飛機之后可以很容易地在繁多的行李中找到屬于自己的行李。并且領(lǐng)取行李之后，系統(tǒng)會匹配每個旅客的行李信息，避免出現(xiàn)少拿，多拿或者拿錯行李的情況。

5 參與團隊介紹
    本項目課題組長期從事軟件中間件以及傳感／物聯(lián)網(wǎng)方面的研究，對傳感／物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行了長期研究，目前已完成或正在實施多個物聯(lián)網(wǎng)、傳感網(wǎng)的相關(guān)項目，包括自然科學(xué)基金和國家科技重大專項。撰寫了多篇包括藍(lán)牙通信安全，RFID身份驗證，ZigBee網(wǎng)絡(luò)診斷等相關(guān)的專利，在IEEE Transaction、ACM Transaction等期刊和國際學(xué)術(shù)會議上發(fā)表了30多篇論文。目前還對移動傳感／物聯(lián)網(wǎng)，移動社會關(guān)系網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了大量研究工作。
    在課題組實施的項目中，“基于中興手機平臺的新一代物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究”獲得了2011年中興通訊產(chǎn)學(xué)研合作論壇年會“2010年優(yōu)秀合作項目”，并到深圳大梅沙參加表彰會。通過本項目的合作，進(jìn)一步提升了本課題組師生的研究水平，這為本項目的成功實施提供了有力保證。
    本文的課題組和美國Wayne State University、香港科技大學(xué)、香港理工大學(xué)、上海交通大學(xué)、西安交通大學(xué)、國防科技大學(xué)等研究者一直保持交流和合作。目前有4名教師，有30多名研究生在實驗室從事研發(fā)工作，團隊研發(fā)能力較強。
    本研究通過中興手機與整個物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的通信，可以實現(xiàn)手機導(dǎo)航，移動訂閱，環(huán)境監(jiān)控，標(biāo)簽識別，目標(biāo)感知與定位等功能。研究成果的產(chǎn)品將進(jìn)一步拓展手機的功能，可廣泛應(yīng)用在工商業(yè)，家居生活等多領(lǐng)域。

6 結(jié)語
    2011年3月25日，經(jīng)陜西省工信廳批復(fù)，陜西省物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟正式成立。陜西省物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的成立，是陜西省大力扶持物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的又一重要舉措，有利于整合資源優(yōu)勢，提升陜西省物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的知名度和競爭力。在陜西省物聯(lián)網(wǎng)實驗研究中心的積極努力下，西安電子科技大學(xué)成為聯(lián)盟成員單位之一，陜西省物聯(lián)網(wǎng)實驗研究中心常務(wù)副主任張小平任聯(lián)盟副秘書長和副理事長。