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

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(guān)這么一個(gè)名詞，網(wǎng)關(guān)(Gateway)就是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接到另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的“關(guān)口”。在Internet中，網(wǎng)關(guān)是一種連接內(nèi)部網(wǎng)與Internet上其它網(wǎng)的中間設(shè)備，也稱“路由器”。

眾所皆知：物聯(lián)網(wǎng)概念在美國(guó)誕生，作為新一代信息技術(shù)的重要組成部分，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)是通過(guò)射頻識(shí)別(RFID)、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品組成一個(gè)感知網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進(jìn)行信息交換和通信的系統(tǒng)架構(gòu)。

從物聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)中，我們可以看到在感知層和網(wǎng)絡(luò)層兩個(gè)不同的網(wǎng)絡(luò)之間需要一個(gè)中間設(shè)備：物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)。

物聯(lián)網(wǎng)的接入方式是多種多樣的，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)備是最適合將多種接入手段整合起來(lái)，統(tǒng)一互聯(lián)到接入網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵設(shè)備，網(wǎng)關(guān)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。網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)可以實(shí)現(xiàn)感知延伸網(wǎng)絡(luò)與接入網(wǎng)絡(luò)，以及不同類型感知延伸網(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)。

歸納起來(lái)高度智能化物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)應(yīng)具備以下能力：

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WSNs技術(shù)就包括Lonworks、ZigBee、 6LowPAN、RUBEE等。從網(wǎng)關(guān)所處的位置可以看出，網(wǎng)關(guān)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(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線局域網(wǎng)、有線網(wǎng)絡(luò)。因此，網(wǎng)關(guān)必須具備相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的接口和軟硬件的接入能力。現(xiàn)在國(guó)內(nèi)、外已經(jīng)在展開針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化工作，如3GPP、傳感器工作組，實(shí)現(xiàn)各種通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的互聯(lián)互通。

強(qiáng)大的管理能力

管理對(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)的節(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)程實(shí)現(xiàn)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)具有的管理性能力不同。提出基于模塊化物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)方式來(lái)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。

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。

能處理如此繁多復(fù)雜不同類型工作的高智能化設(shè)備，需要有很強(qiáng)的研發(fā)設(shè)計(jì)能力和針對(duì)不同行業(yè)應(yīng)用的深厚實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

下面就水產(chǎn)養(yǎng)殖方面的具體例子，介紹物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的研發(fā)設(shè)計(jì)和功能。

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

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)迅速發(fā)展，基于物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)施漁業(yè)信息化已經(jīng)成為設(shè)施漁業(yè)生產(chǎn)向集約、高產(chǎn)、高效、優(yōu)質(zhì)方向發(fā)展的重要推動(dòng)力。設(shè)計(jì)中的水產(chǎn)養(yǎng)殖物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)如圖所示。物聯(lián)網(wǎng)利用ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)組成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，感知養(yǎng)殖場(chǎng)的水質(zhì)情況，例如溫度、溶解氧濃度、PH值等，將這些數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送至物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)將養(yǎng)殖場(chǎng)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(wù)器，服務(wù)器利用專家系統(tǒng)依據(jù)水產(chǎn)品的生長(zhǎng)模型結(jié)合人工智能技術(shù)向網(wǎng)關(guān)發(fā)送控制指令，網(wǎng)關(guān)依控制指令利用控制箱驅(qū)動(dòng)電機(jī)采取動(dòng)作調(diào)節(jié)養(yǎng)殖場(chǎng)的水產(chǎn)品的生長(zhǎng)環(huán)境，從而利于水產(chǎn)品生長(zhǎng)。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)留有攝像頭接口，能夠根據(jù)用戶需求將生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的圖片或者視頻發(fā)至控制中心服務(wù)器，服務(wù)器上部署軟件并接入Internet網(wǎng)絡(luò)，用戶可以利用個(gè)人電腦或者手機(jī)登錄到服務(wù)器，查詢養(yǎng)殖水域內(nèi)外環(huán)境數(shù)據(jù)、瀏覽生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)圖片、觀看現(xiàn)場(chǎng)視頻，還可以遠(yuǎn)程控制各種生產(chǎn)設(shè)備。當(dāng)養(yǎng)殖場(chǎng)環(huán)境異常時(shí)，除了服務(wù)器中的專家系統(tǒng)發(fā)出指令驅(qū)動(dòng)電機(jī)調(diào)節(jié)環(huán)境(如增氧機(jī)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(wù)器向相關(guān)人員發(fā)出告警短信。控制中心內(nèi)的顯示器(或者大屏幕)上能夠顯示各個(gè)傳感器的工作狀態(tài)、讀數(shù)、現(xiàn)場(chǎng)圖片等信息。因此，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)施漁業(yè)養(yǎng)殖的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)管、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、科學(xué)決策、預(yù)警及風(fēng)險(xiǎn)控制、專家咨詢等生產(chǎn)過(guò)程的科學(xué)化、數(shù)字化。

水產(chǎn)養(yǎng)殖物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)從水產(chǎn)養(yǎng)殖物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)可以看出網(wǎng)關(guān)是物聯(lián)網(wǎng)核心設(shè)備。網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)包括兩部分：硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。

網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)網(wǎng)關(guān)中的處理器采用ARM Cortex-A8。該處理器的主頻可以達(dá)到1GHz以上，處理能力很強(qiáng)。網(wǎng)關(guān)配置512MB DDR3內(nèi)存以及4GB NAND Flash，運(yùn)行Adroid2.3系統(tǒng)。根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的組網(wǎng)要求，網(wǎng)關(guān)具備10/100M以太網(wǎng)接口、內(nèi)置無(wú)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(diào)器的串行口。為了獲取視頻或者圖像，網(wǎng)關(guān)具備模擬視頻接口。網(wǎng)關(guān)還帶有液晶顯示屏以及HDMI接口，HDMI接口可以接高清大屏幕。

網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)根據(jù)網(wǎng)關(guān)的功能，網(wǎng)關(guān)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(zhuǎn)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(duì)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(wú)線局域網(wǎng)接入、3G/GPRS無(wú)線接入。ZigBee傳感網(wǎng)通信及控制模塊通過(guò)串行口與ZigBee協(xié)調(diào)器通信，獲取傳感網(wǎng)的數(shù)據(jù)，控制傳感網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行。協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊解決傳感網(wǎng)與后臺(tái)服務(wù)器之間的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，保證傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)能夠正確發(fā)往服務(wù)器，服務(wù)器發(fā)來(lái)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(lái)的圖像，并壓縮編碼，一方面在本地進(jìn)行存儲(chǔ)，另一方面發(fā)向服務(wù)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(guān)設(shè)備本身的各種故障進(jìn)行記錄并發(fā)送告警信息。

除智慧農(nóng)業(yè)外，高智能化物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)還將廣泛應(yīng)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(guān)在未來(lái)的物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代將會(huì)扮演著非常重要的角色。