基于Arduino平臺的物聯網網關設計

2023年12月12日發(作者：神經組織修復療法)

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基于Arduino平臺的物聯網網關設計

李艷麗;蔡冬玲

【摘 要】In the paper,a new IoT gateway on the Arduino platform is

us an object-oriented design to shield with the perception

layer,the network access layer and the cloud system provides

the common interactive interface and the interoperability

last,the ZigBee wireless nsor network is ud as a perception

layer,YeeLink cloud platform is ud as a IoT gateway is ud to

t up a specific IoT experiment results verify the availability of

IoT gateway,the packet loss rate is 0.2 ％,the average delay is 9.906 ms,so

the IoT gateway can well meet the multi-applications.%本文在Arduino平臺的基礎上詳細設計并實現了一種新型的IoT網關,它使用了面向對象的設計方式屏蔽了與感知層、網絡接入層以及和云平臺交互的細節,并提供了通用的交互接口和互操作協議.本文在最后,利用ZigBee無線傳感器網絡作為感知層,YeeLink云平臺作為服務器,使用設計的IoT網關搭建了一個具體的IoT系統,并通過對系統進行功能測試和性能測試驗證了IoT網關的可用性,其中丟包率為0.2％,平均時延為9.906

ms,可以很好滿足多種應用.

【期刊名稱】《單片機與嵌入式系統應用》

【年(卷),期】2017(017)009

【總頁數】5頁(P73-77)

【關鍵詞】Arduino;WSN;ZigBee;IoT網關;YeeLink 【作 者】李艷麗;蔡冬玲

【作者單位】重慶科創職業學院信息工程系,重慶402160;重慶科創職業學院信息工程系,重慶402160

【正文語種】中 文

【中圖分類】TP273

隨著IoT應用技術的發展，無線傳感器網絡也得到了相應的發展。在IoT的三層架構體系中，從下到上依次是感知層、網絡層和應用層。感知層主要用于感知和采集監測對象的信息；網絡層主要完成信息的傳遞和處理；應用層主要對數據進行管理，并將這些數據與具體應用(如智能交通，環境監測)相結合[1]。各層涉及的相關技術中，無線傳感網絡與感知層的技術有關；電信運營網、移動通信網常用于網絡層中；云平臺則是應用層的技術之一。

在當前大數據時代，無線傳感器網絡必須要突破地域限制和協議限制，并與云平臺進行數據交互才能大有作為、滿足用戶的要求，而IoT網關正是感知層和網絡層的“橋梁”。但由于無線傳感器網絡協議、網絡層接入協議和云平臺的多樣性，使得傳統的IoT網關一直都是有針對性的開發，通用性和擴展性較差。針對這個問題，本文設計了一款基于Arduino平臺的IoT網關，可以無需考慮底層的協議、硬件的類型等，完全把設計和具體實現分離開，具有較高的通用性和可擴展性。之所以采用Arduino平臺，是因為Arduino平臺是一款便捷靈活、成本較低的開源平臺，包含了硬件和開源軟件以及集成開發環境，集成了許多硬件模塊，比如通信模塊包括串口、網口、WiFi等，并提供了這些模塊的軟件接口，開發十分便利[2]?；贏rduino的IoT網關系統架構如圖1所示。

圖1中IoT網關是不能單獨工作的，為了實現網關的功能，還必須要搭建真實的無線傳感器網絡和云平臺，本文使用ZigBee無線傳感器網絡作為感知層，Yeelink云平臺作為服務器。ZigBee技術應用廣泛，這里不再詳述。Yeelink云平臺提供了一系列和底層平臺無關的用戶接口，底層平臺利用這些接口可以方便地完成和云平臺的信息交互，并可以通過C/S模式或者B/S模式控制和監控底層平臺[3]，本文正是結合ZigBee無線傳感器網絡+Yeelink云平臺，來驗證IoT網關的功能和性能。

IoT網關作為云平臺和無線傳感網絡的橋梁，需要實現不同網絡的信息交互，因此必須要滿足以下幾個條件：

① 提供接入Internet的軟硬件接口。接入Internet的方式多種多樣，可以使用運營商的WiFi網絡、ADSL、或者移動通信網，這就要求IoT網關需要提供無線網卡、以太網卡、移動網卡等模塊及其驅動。

② 提供無線傳感網絡的軟硬件接口。需要能夠接入到無線傳感器網絡的模塊，比如ZigBee、Z-wave、wireless-hart等協議的硬件模塊及其協議棧。

③ 提供管理功能。云平臺需要對無線傳感網的狀態進行實時監控，并對無線傳感網的設備進行實時控制。由于無線傳感網和外網接入層的協議不同，需要提供一組統一的協議轉換接口，以保證云平臺和無線傳感網之間的數據交互[4]。

為了滿足以上的3個要求，設計如圖2所示的IoT網關的軟件架構。

① 接入層。本文中使用了Arduino平臺提供的WiFi模塊接入到互聯網中，適用于非固定環境或者移動環境的靈活組網。

② 適配層。適配層包括了遠程管理模塊、協議轉換模塊和協議解析模塊，其中遠程管理模塊實現了Arduino平臺和云平臺的通信對接，并負責將標準數據按照平臺要求的格式封裝后發送至云平臺，或者將云平臺下發的數據解包成標準的數據格式。協議轉換模塊則試圖將標準數據的格式轉換成感知層可以識別的控制信令，或者將感知層的傳感數據轉換成標準數據格式。協議解析模塊則負責解析轉換后的數據，并執行相應的動作。

③ 感知層。對于IoT網關而言，可以無需關心感知層使用了什么協議，用什么方式和Arduino進行通信，因為適配層將會提供抽象的通用接口，用戶只需要根據具體的情況實現相應的軟件接口即可，IoT網關的軟件架構不會因此發生任何改變。但為了實現網關的功能，還必須要搭建真實的無線傳感器網絡。本文感知層所使用的的無線傳感器網絡協議棧是采用TI公司提供的半開源協議棧Z-Stack，運行Z-Stack的控制器是CC2530芯片，它可以使用串口方式和Arduino平臺進行信息交互。

3.1 IoT網關的軟件實現

IoT網關的軟件實現主要在于適配層，其中遠程管理模塊應該提供和云平臺進行交互的接口。為了網關的通用性，需要屏蔽和云平臺的交互細節，因此需要面向對象地抽象出通用的用戶接口，然后根據云平臺和底層通信方式的不同來實現具體的功能，接口如下：

Class Arduino_client : public tcp_client{

public:

Arduino_client();

Arduino_client(uint8_t sock);

Virtual int connect(const char *host, uint16_t port);

Virtual int disconnect(const char *host, uint16_t port);

Virtual size_t nd(int);

Virtual size_t nd(const String &);

Virtual recv(uint8_t *buf, size_t size);

private:

Comunicate_Client client_; }

從上面的抽象類型可以看出，公共接口包括：socket建立、云平臺的連接和解除連接、數據發送和數據接收[5]，這些接口均為虛擬函數，需要根據云平臺規定的交互協議來具體實現。私有接口只有一個，那就是外網通信的功能接口，該接口描述了遠程管理模塊使用了何種底層的通信方式接入到互聯網中去，比如WiFi/移動通信2G、3G、4G/以太網等，其中Comunicate_client 也是一個抽象類，該類定義的對象中的虛擬接口則由底層驅動實現。

為了完成了云平臺和無線傳感網絡之間的互操作，需要定義一組互操作協議，并在適配層處實現協議轉換和協議解析，本設計中定義的互操作協議數據結構如下所示：

Struct Interoperability_Protocol{

unsigned char SensorNetworkType；

unsigned char DateType；

unsigned char Nodeld；

unsigned char DeviceId；

unsigned char DataLength；

unsigned char *DataBuffer；

}；

上述互操作協議中：SensorNetworkType表示傳感器網絡類型(例如0x00表示Z-wave，0x01表示ZigBee)，DateType表示數據的類型(例如 0x00表示控制信令，0x01表示傳感數據)，NodeID表示傳感節點在無線傳感網絡中的唯一標識，DeviceID表示設備類型(例如0x00表示溫度傳感器、0x01表示煙霧傳感器等)，DataLength表示用戶數據長度，DataBuffer則是緩存用戶數據的指針。因為一個節點上可以有多個傳感器設備，所以云平臺需要根據 Nodeld和DeviceId這兩個參數來標識傳感器設備[6]。 協議轉換模塊就是負責將來自云平臺/感知層的數據裝配成互操作協議定義的數據格式，并傳送給遠程管理模塊或者是協議解析模塊進行處理。協議解析模塊如果接收到來自協議轉換模塊的信息后，將根據互操作協議中的節點ID和設備ID，將控制信令分發到傳感器網絡中的具體設備上；如果收到感知層的數據，則將設備ID和節點ID作為參數連同傳感數據交給協議轉換模塊來處理[7]。

3.2 IoT網關的工作流程

IoT網關的工作流程如圖3所示。上電后，IoT網關首先進行了軟硬件的初始化，然后啟動網絡層接入模塊，嘗試接入互聯網中，如果接入不成功，則過一段時間后繼續嘗試接入；如果接入成功則嘗試登陸云平臺，如果登錄不成功，則過一段時間后繼續嘗試登錄；如果登錄成功則監控網絡事件，如果是適配層的遠程管理模塊收到了云平臺的下行數據，則認為是信令，將該信令通過協議轉換模塊轉換為互操作協議數據格式后傳遞給協議解析模塊進行處理；感知層收到來自傳感器網絡節點的傳感數據后，將數據傳遞至協議解析模塊提取出傳感數據的源設備ID號和源節點ID號，并作為參數傳送給協議轉換模塊封裝成規定格式，然后調用遠程管理模塊上傳給云平臺[8]。

IoT網關系統實物圖如圖4所示，使用Arduino控制器和ZigBee協調器(可以理解為是圖1中的匯聚節點)構成了IoT網關，兩者之間通過串口進行交互。Arduino控制器的WiFi模塊連接到互聯網的Yeelink云平臺；ZigBee協調器組建了無線傳感器網絡，并允許溫度傳感節點、煙霧傳感節點和LED燈控制節點三個終端節點相繼加入網絡[9]。煙霧傳感節點采用MQ2傳感器，該傳感器可檢測多種可燃性氣體，如天然氣、丙烷、氫氣等；溫度傳感器采用DHT11溫濕度傳感器，該傳感器可以采集環境的溫濕度信息，本文只采集溫度數據。

使用YeeLink APP或者瀏覽器登錄進YeeLink云平臺，在“我的YeeLink”下注冊傳感器設備，注冊成功后，將會在該菜單欄下顯示系統的設備信息，如圖5所示。

4.1 功能測試

對IoT網關功能測試首先是對溫度和可燃氣體數據測試，傳感器節點會周期性地采集溫度和當前的氣體數據上傳至網關，由網關上傳給云平臺，用戶可通過手機APP監控到當前溫度和氣體值。

圖6顯示的是最近一個小時的溫度變化曲線，其中縱坐標指示溫度，橫坐標表示時間。

圖7顯示的是最近一個小時的氣體變化曲線，測試的時候人為地放出氣體(本文中測試的氣體是打火機放出的氣體)，從圖可以看出，剛開始氣體濃度高時測試值達到了800，當氣體漸漸散去，測試值回落并最終達到平穩值。

通過手機APP上的LED開關，可以遠程控制傳感節點上的LED燈的開啟和關閉，如圖8所示為燈開啟狀態。這也就說明了IoT網關除了可以監控傳感網節點的數據，還可以接受云平臺的指令，并下發給傳感器節點執行。

4.2 性能測試

4.2.1 丟包測試

本文中IoT網關的丟包主要來自三個方面：

① WiFi網絡的丟包，WiFi網絡比較繁忙和干擾大的時候容易發生。

② ZigBee無線傳感網絡的丟包，即終端節點向匯聚節點傳送數據的無線通道中丟失了數據包，這在多節點環境下會更加明顯。

③ ZigBee模塊和Arduino平臺的串口通信過程中發生了丟包。

其中第一和第二點不在IoT網關的控制范圍內，其與WiFi協議和ZigBee協議有直接的關系，因此不考慮前兩點。針對第三點，設計了一個測試方案：ZigBee網絡只有一個終端節點，和IoT網關的匯聚節點，兩者放在一個相對屏蔽的環境下，其中終端節點每隔10 s向網關傳送1000個包，每個包100字節，連續重復10次，IoT網關統計每次的丟包個數，如表1所列。

經測試，10次的平均丟包率為20/(1000×10)=0.2%。

4.2.2 時延測試

造成時延的原因和丟包有著直接的關系，因為丟包會導致重傳，而重傳就浪費了時間，所以不考慮WiFi網絡和ZigBee網絡的丟包重傳的情況，只考慮ZigBee的傳輸時間和串口轉發的時間，設計了一個測試方案：ZigBee網絡只有一個終端節點，IoT網關上有匯聚節點，兩者放在一個相對屏蔽的環境下，其中終端節點通過接收IoT網關上的匯聚節點發送的信標幀進行時間同步，終端節點每隔5 s向網關傳送1個包，每個包的數據域封裝了發送時間，連續重復10次，IoT網關收到經過串口轉發的數據后根據接收的本地時間-發送時間來統計時延，如表2所列。

其中時延單位均為ms，10次的平均時延為9.905 1 ms。后經多次時延測試，每10次的平均時延時間基本為9.906 ms，這樣的時延基本能夠滿足多類型的應用環境(對時延要求較高的應用環境除外)。

本文針對傳統的IoT網關通用性和可擴展行差的缺點，使用Arduino平臺設計了一種具有通用接口的IoT網關，主要在網關軟件上抽象了適配層的遠程管理、協議轉換、協議解析這三個通用模塊及其接口，并基于ZigBee無線傳感器網絡+YeeLink云平臺實現了具有ZigBee組網和遠程控制功能的IoT網關。實驗證明，IoT網關的丟包率低、時延小，具有運行可靠、易用性好的特點，同時網關軟件也有較好的通用性和可擴展性，用戶只需要在云平臺上根據設備ID和傳感節點ID注冊設備，便可快速地建立設備和云平臺的映射[10]，從而迅速地達到遠程控制的目的。

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馮美艷 ，主要研究方向為信號與信息處理。

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李艷麗(碩士)，主要研究方向為物聯網應用開發。

72 器的集成度還可以在數字濾波器不方便使用串口線時實現濾波參數可變，實驗證明了設計的有效性。

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