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

2023年12月12日發(fā)(作者：棵組詞)

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

羅俊海1,2， 周應(yīng)賓2，鄧霄博2

12（電子科技大學(xué)電工學(xué)院，成都 611731 ）

（邁普通信技術(shù)股份有限公司，成都 610041）

摘要:

關(guān)鍵詞: 物聯(lián)網(wǎng)；網(wǎng)關(guān)；泛在網(wǎng); 信息物理系統(tǒng)

Design for Gateway in Internet of Things

Junhai luo1,2, Yingbin Zhou2, Xiaobo Deng2

1(University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu China 611731)

2Abstract:

(Maipu Communication Technology Co. Ltd, Chengdu China 610041)

1Key Words: Internet of Things; Gateway; Ubiquitous

Network; Cyber Physical Systems

1 基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（61001086）

作者簡介：羅俊海

1 網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)概述

1.1 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)背景

物聯(lián)網(wǎng)沒有統(tǒng)一的定義標(biāo)準(zhǔn)，物聯(lián)網(wǎng)是指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)行信息交換和通訊，以實(shí)現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)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、老人護(hù)理、個(gè)人健康、花卉栽培、水系監(jiān)測、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，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，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。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)在未來的物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代將會扮演著非常重要的角色。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)。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)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)。 1.2 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)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WSNs技術(shù)就包括Lonworks、ZigBee、6LowPANRUBEE等。各類技術(shù)主要針對某一應(yīng)用展開，之間缺乏兼容性和體系規(guī)劃。現(xiàn)在國內(nèi)、外已經(jīng)在展開針對物聯(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。

2. 可管理能力

強(qiáng)大的管理能力，對于任何大型網(wǎng)絡(luò)都是必不可少的。首先要對網(wǎng)關(guān)進(jìn)行管理，如注冊管理、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、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)對末梢網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)一管理。

3. 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、保證不通的感知網(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)議可以識別的信令和控制指令。 2 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)應(yīng)用框架

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。

各種應(yīng)用業(yè)務(wù)層第三方業(yè)務(wù)能力業(yè)務(wù)支撐平臺/業(yè)務(wù)網(wǎng)關(guān)管理平臺接入網(wǎng)/核心網(wǎng)WiMAX, WLAN, Ethernet, ADSL, FTTH, WCDMA,CDMA2000,TD-SCDMA,etcZigBee, UPnP, Lonworks,etc網(wǎng)關(guān)網(wǎng)絡(luò)GPSRFID溝通視頻娛樂生活類監(jiān)測遠(yuǎn)程控制圖 1 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

3 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(shí)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。

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. 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)。

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。 標(biāo)準(zhǔn)消息標(biāo)準(zhǔn)消息消息接收模塊消息發(fā)送模塊業(yè)務(wù)服務(wù)層消息解析模塊消息轉(zhuǎn)換模塊標(biāo)準(zhǔn)消息構(gòu)成層協(xié)議解析模塊協(xié)議適配層消息發(fā)送模塊消息接收模塊 感知延伸層依賴于具體感知延伸設(shè)備通信協(xié)議的消息

應(yīng)用服務(wù)器應(yīng)用數(shù)據(jù)庫服務(wù)器①最終用戶①感知消息采集的標(biāo)準(zhǔn)消息⑩感知消息采集的標(biāo)準(zhǔn)消息感知消息采集的標(biāo)準(zhǔn)消息消息接收模塊消息發(fā)送模塊⑨②感知消息采集的標(biāo)準(zhǔn)消息消息解析模塊④依賴于具體設(shè)備通信協(xié)議的消息消息發(fā)送模塊③⑧消息轉(zhuǎn)換模塊依賴于具體設(shè)備消息接收模塊網(wǎng)關(guān)⑦通信協(xié)議的消息⑤依賴于具體設(shè)備通信協(xié)議的消息信息感知設(shè)備⑥依賴于具體設(shè)備通信協(xié)議的消息

圖 2 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)層次結(jié)構(gòu) 圖 3 信息交互流程

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

4.1 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(gè)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。

A接口數(shù)據(jù)采集模塊處理/存儲模塊B接口接入模塊供電模塊

數(shù)據(jù)匯聚模塊1 驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)匯聚公共驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)匯聚模塊n 驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)處理接入模塊1

驅(qū)動(dòng)接入模塊公共驅(qū)動(dòng)接入模塊n

驅(qū)動(dòng)

圖4 網(wǎng)關(guān)總體結(jié)構(gòu) 圖 5 軟件模塊化示意圖

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(shí)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)。

4.2 軟件結(jié)構(gòu)

網(wǎng)關(guān)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。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(dòng)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。

協(xié)議變化，負(fù)載內(nèi)容不變匯聚模塊1頭部匯聚模塊n頭部負(fù)載負(fù)載匯聚模塊1尾部匯聚模塊n尾部接入模塊1頭部接入模塊n頭部負(fù)載負(fù)載接入模塊1尾部接入模塊n尾部TLVTLV

圖6數(shù)據(jù)處理方式

5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(gè)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(gè)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。 RFID標(biāo)簽固定式閱讀器WCDMA網(wǎng)關(guān)無線傳感器節(jié)點(diǎn)服務(wù)器用戶無線傳感器節(jié)點(diǎn)無線傳感器節(jié)點(diǎn)手機(jī)用戶

圖 7 DEMO系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

5.1 硬件組成

1.

2.

器。

3.

RFID標(biāo)簽：RFID標(biāo)簽選擇卡片固定式閱讀器：固定式閱讀器選式的，方便演示時(shí)使用。

擇價(jià)格低廉、只有普通的讀寫卡功能的串口閱讀無線傳感器節(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)。

5.2 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。

固定閱讀器RS232USB處理模塊RS232無線傳感器節(jié)點(diǎn)WCDMA通信模塊 NAND FLASHRS232（3）Nor FLASHARMUSBSDRAMEthernet

圖 8 DEMO系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)圖 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。

5.3 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(dòng)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。

應(yīng)用程序C庫系統(tǒng)調(diào)用KernelUARTDriverUSB

DriverEthernet

DriverOther

Driver 通信模塊數(shù)據(jù)處理Web/UI數(shù)據(jù)存儲

圖10 網(wǎng)關(guān)軟件結(jié)構(gòu) 圖11 服務(wù)器軟件結(jié)構(gòu)

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。

6 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。

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