物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)計

1、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)計羅俊海1,2，周應(yīng)賓 基金項目國家自然科學(xué)基金（61001086） 作者簡介：羅俊海，鄧霄博21 （電子科技大學(xué)電工學(xué)院，成都611731）2 （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)Desig n for Gateway in Internet of ThingsJun hai lud,2, Yingbin Zhou2, Xiaobo Deng21(University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu China 611731)2(Maipu Co

2、mmunication Technology Co. Ltd, Chengdu China 610041)Abstract:Key Words：lnternet of Things; Gateway; Ubiquitous Network; Cyber Physical Systems1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，實現(xiàn)任何時間、任何地點、任何物體進(jìn)行信息交換和通訊，以實現(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

3、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、個人健康、花卉栽培、水系監(jiān)測、食品溯源、敵情偵查和情報搜集等多個領(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，實現(xiàn)與公共網(wǎng)絡(luò)的連接，同時完成轉(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，既可以實現(xiàn)廣域互聯(lián)，也

4、可以實現(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Lon works、ZigBee、6LowPAN 、RUBEE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)實現(xiàn)子網(wǎng)內(nèi)的節(jié)點的管理，如獲取節(jié)點的標(biāo)識、狀態(tài)、屬

5、性、能量等，以及遠(yuǎn)程實 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

6、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Lon works、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)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的 遠(yuǎn)程傳輸。業(yè)務(wù)運營管理系統(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)為最終用戶提供計量統(tǒng)計、遠(yuǎn)程測控、智能聯(lián)動以及其他的擴(kuò)展類型業(yè)務(wù)。業(yè)務(wù)管理支撐系統(tǒng)實現(xiàn)用 戶管理、安全、認(rèn)證、授權(quán)、計費等功能。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

7、，同時對下達(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)

8、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,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)送與消息接收兩個子模塊。消息

9、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 現(xiàn)對不同感知延伸層設(shè)備的統(tǒng)一訪問。圖2物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)層次結(jié)構(gòu)4物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)計4.1硬件結(jié)構(gòu)網(wǎng)

10、關(guān)的總體結(jié)構(gòu)如圖4圖所示，數(shù)據(jù)采集模塊實現(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、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，它實現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換、管理、安全等各個方面的數(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。供電模塊圖4網(wǎng)關(guān)總體結(jié)構(gòu)圖5軟件模塊化示意圖A接口，將接入模塊和處理/存儲模塊之間的在此，將數(shù)據(jù)采集模塊和處理 /存儲模塊之間的接口稱為接口稱為B接口。A接口的類型可能有 UART

11、 （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)計思路是以模塊化的方式實現(xiàn)軟硬件的各個部分，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)動程序即可。另外，將處

12、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頭部負(fù)載匯聚模塊1尾部接入模塊1頭部負(fù)載接入模塊1尾部匯聚模塊n頭部負(fù)載匯聚模塊n尾部接入模塊n頭部負(fù)載接入模塊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，并提供一個信息平臺， 供用戶（

13、包 括PC用戶和手機(jī)用戶）使用。通過實現(xiàn)這個 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。圖7 DEMO系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)5.1硬件組成1. RFID標(biāo)簽：RFID標(biāo)簽選擇卡片式的，方便演示時使用。2. 固定式閱讀器：固定式閱讀器選擇價格低廉、只有普通的讀寫卡功能的串口閱讀器。3. 無線傳感器 節(jié)點：無線傳感器節(jié)點選用目前支持IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的，可以支持 ZigBee和6L0WPAN協(xié)議的節(jié)點。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。圖8 DEMO系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)圖圖9基于

14、ARM的處理模塊結(jié)構(gòu)處理模塊目前考慮兩種實現(xiàn)方式：（1）、采用PC機(jī)作為處理模塊（2）、采用ARM處理器實現(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)點軟件無線傳感器節(jié)點軟件基于單片機(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)動程序，在應(yīng)用程序中實現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換、配置管理等應(yīng)用程序。應(yīng)用程序Kernel系統(tǒng)調(diào)用圖10網(wǎng)關(guān)軟件結(jié)構(gòu)需要實現(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 Con sole、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Web/UI產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行組服務(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 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（無線如Zi