1 物聯(lián)網網關概述

物聯(lián)網是指通過射頻識別（RFID）、紅外感應器、GPS、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協(xié)議，實現(xiàn)任何時間、任何地點、任何物體進行信息交換和通信，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網絡。物聯(lián)網是具有全面感知、可靠傳輸、智能處理特征的連接物理世界的網絡。

物聯(lián)網用途廣泛，遍及智能交通、環(huán)境保護、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工業(yè)監(jiān)測、老人護理、個人健康、*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域。

物聯(lián)網的接入方式是多種多樣的，如廣域的PSTN、短距離的Z-Wave等，物聯(lián)網網關設備是將多種接入手段整合起來，統(tǒng)一互聯(lián)到接入網絡的關鍵設備。它可滿足局部區(qū)域短距離通信的接入需求，實現(xiàn)與公共網絡的連接，同時完成轉發(fā)、控制、信令交換和編解碼等功能，而終端管理、安全認證等功能保證了物聯(lián)網業(yè)務的質量和安全。物聯(lián)網網關在未來的物聯(lián)網時代將會扮演著非常重要的角色，可以實現(xiàn)感知延伸網絡與接入網絡之間的協(xié)議轉換，既可以實現(xiàn)廣域互聯(lián)，也可以實現(xiàn)局域互聯(lián)，將廣泛應用于智能家居、智能社區(qū)、數(shù)字醫(yī)院、智能交通等各行各業(yè)。

物聯(lián)網組網采用分層的通信系統(tǒng)架構，包括感知延伸系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)、業(yè)務運營管理系統(tǒng)和各種應用，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，由感知延伸層設備以及網關組成，支持包括Lonworks、UPnP、ZigBee等通信協(xié)議在內的多種感知延伸網絡。感知設備可以通過多種接入技術連接到核心網，實現(xiàn)數(shù)據的遠程傳輸。業(yè)務運營管理系統(tǒng)面向物聯(lián)網范圍內的耗能設施，包括了應用系統(tǒng)和業(yè)務管理支撐系統(tǒng)。應用系統(tǒng)為最終用戶提供計量統(tǒng)計、遠程測控、智能聯(lián)動以及其他的擴展類型業(yè)務。業(yè)務管理支撐系統(tǒng)實現(xiàn)用戶管理、安全、認證、授權、計費等功能。



2 物聯(lián)網網關功能

物聯(lián)網網關在未來的物聯(lián)網時代將會扮演非常重要的角色，它將成為連接感知網絡與傳統(tǒng)通信網絡的紐帶。物聯(lián)網網關可以實現(xiàn)感知網絡和基礎網絡以及不同類型的感知網絡之間的協(xié)議轉換，既可以實現(xiàn)廣域互聯(lián)，也可以實現(xiàn)局域互聯(lián)。物聯(lián)網網關具備如下幾個功能。

（1）廣泛的接入能力

目前用于近程通信的技術標準很多，僅常見的WSN技術就包括Lonworks、ZigBee、6LowPAN、RUBEE等。各類技術主要針對某一應用展開，缺乏兼容性和體系規(guī)劃，如Lonworks主要應用于樓宇自動化，RUBEE適用于惡意環(huán)境。如何實現(xiàn)協(xié)議的兼容性、接口和體系規(guī)劃，目前在國內外已經有多個組織在開展物聯(lián)網網關的標準化工作，如3GPP、傳感器工作組，以實現(xiàn)各種通信技術標準的互聯(lián)互通。

（2）協(xié)議轉換能力

從不同的感知網絡到接入網絡的協(xié)議轉換，將下層的標準格式的數(shù)據統(tǒng)一封裝，保證不同的感知網絡的協(xié)議能夠變成統(tǒng)一的數(shù)據和信令；將上層下發(fā)的數(shù)據包解析成感知層協(xié)議可以識別的信令和控制指令。

（3）可管理能力

強大的管理能力，對于任何大型網絡都是必不可少的。首先要對網關進行管理，如注冊管理、權限管理、狀態(tài)監(jiān)管等。網關實現(xiàn)子網內節(jié)點的管理，如獲取節(jié)點的標識、狀態(tài)、屬性、能量等以及遠程喚醒、控制、診斷、升級和維護等。由于子網的技術標準不同，協(xié)議的復雜性不同，所以網關具有的管理能力不同。本文提出基于模塊化物聯(lián)網網關方式來管理不同的感知網絡、不同的應用，保證能夠使用統(tǒng)一的管理接口技術對末梢網絡節(jié)點進行統(tǒng)一管理。

3 物聯(lián)網網關系統(tǒng)設計

物聯(lián)網網關可以實現(xiàn)感知網絡和基礎網絡以及不同類型的感知網絡之間的協(xié)議轉換，既可以實現(xiàn)廣域互聯(lián)，也可以實現(xiàn)局域互聯(lián)。本物聯(lián)網網關設計面向感知網絡的異構數(shù)據感知環(huán)境，為有效屏蔽底層通信差異化進行有效網絡融合和數(shù)據通信，采用模塊化設計、統(tǒng)一數(shù)據表示、統(tǒng)一地址轉換等實現(xiàn)。下面從物聯(lián)網網關的層次結構、信息交互流程和系統(tǒng)實現(xiàn)3個方面來進行闡述。

3.1 層次結構

物聯(lián)網網關支持感知延伸設備之間的多種通信協(xié)議和數(shù)據類型，實現(xiàn)多種感知延伸設備之間數(shù)據通信格式的轉換，對上傳的數(shù)據格式進行統(tǒng)一，同時對下達到感知延伸網絡的采集或控制命令進行映射，產生符合具體設備通信協(xié)議的消息。物聯(lián)網網關對感知延伸設備進行統(tǒng)一控制與管理，向上層屏蔽底層感知延伸網絡的異構性，共分為4層，分別為業(yè)務服務層、標準消息構成層、協(xié)議適配層和感知延伸層，如圖2所示。


（1）業(yè)務服務層

業(yè)務服務層由消息接收模塊和消息發(fā)送模塊組成。消息接收模塊負責接收來自物聯(lián)網業(yè)務運營管理系統(tǒng)的標準消息，將消息傳遞給標準消息構成層。消息發(fā)送模塊負責向業(yè)務運營管理系統(tǒng)可靠地傳送感知延伸網絡所采集的數(shù)據信息。該層接收與發(fā)送的消息必須符合標準的消息格式。

（2）標準消息構成層

標準消息構成層由消息解析模塊和消息轉換模塊組成。消息解析模塊解析來自業(yè)務服務層的標準消息，調用消息轉換模塊將標準消息轉換為底層感知延伸設備能夠理解的依賴于具體設備通信協(xié)議的數(shù)據格式。當感知延伸層上傳數(shù)據時，該層的消息解析模塊則解析依賴于具體設備通信協(xié)議的消息，調用消息轉換模塊將其轉換為業(yè)務服務層能夠接收的標準格式的消息。消息構成層是物聯(lián)網網關的核心，完成對標準消息以及依賴于特定感知延伸網絡的消息的解析，并實現(xiàn)兩者之間的相互轉換，達到統(tǒng)一控制和管理底層感知延伸網絡，向上屏蔽底層網絡通信協(xié)議異構性的目的。

（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)據和控制信令。

（4）感知延伸層

此層面向底層感知延伸設備，包含消息發(fā)送與消息接收兩個子模塊。消息發(fā)送模塊負責將經過消息構成層轉換后的可被特定感知延伸設備理解的消息發(fā)送給底層設備。

消息接收模塊則接收來自底層設備的消息，發(fā)送至標準消息構成層進行解析。

感知延伸網絡由感知設備組成，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絡。

3.2 信息交互流程

圖3展示了物聯(lián)網中信息交互流程，具體流程分析如下。


（1）最終用戶產生符合標準數(shù)據格式的消息，并將其發(fā)送至網關業(yè)務服務層的消息接收模塊。

（2）業(yè)務服務層消息接收模塊將標準消息發(fā)送至標準消息構成層的消息解析模塊。

（3）消息解析模塊調用相應的消息轉換功能，將標準信息轉換為依賴于具體設備通信協(xié)議的消息。

（4）消息解析模塊將轉換為依賴于具體設備通信協(xié)議的消息傳送至感知延伸服務層的消息發(fā)送模塊。

（5）感知延伸服務層的消息發(fā)送模塊選擇合適的傳輸方式，將依賴設備通信協(xié)議的特定消息發(fā)送至具體的底層設備。

（6）底層設備根據特定消息執(zhí)行信息采集操作，并將結果返回給網關感知延伸服務層的消息接收模塊。

（7）網關的感知延伸服務層的消息接收模塊將依賴設備通信協(xié)議的特定消息傳送至標準消息構成層的消息解析模塊。

（8）消息解析模塊調用信息轉換模塊，將依賴于設備通信協(xié)議的特定消息轉換為標準消息。

從圖3可以看出，物聯(lián)網網關解決了物聯(lián)網網絡內不同設備無法統(tǒng)一控制和管理的問題，達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備的具體通信細節(jié)，實現(xiàn)對不同感知延伸層設備的統(tǒng)一訪問。

3.3 系統(tǒng)設計

基于物聯(lián)網的典型應用結構如圖4所示。無線傳感器節(jié)點采集相應數(shù)據信息，通過無線多跳自組織方式將數(shù)據發(fā)送到網關，固定式閱讀器讀取RFID標簽內容發(fā)送到網關；網關將這些數(shù)據通過WCDMA網絡發(fā)送到服務器；服務器對這些數(shù)據進行處理、存儲，并提供一個信息平臺，供用戶（包括PC用戶和手機用戶）使用。從圖4中可以看出物聯(lián)網網關是架起感知網絡和接入網絡的橋梁，扮演著重要的角色。



在物聯(lián)網網關設計時，采用模塊化思想，設計面向不同感知網絡和基礎網絡，實現(xiàn)通用低成本的網關。按照模塊化的思想，將物聯(lián)網網關系統(tǒng)分為數(shù)據匯集模塊、處理/存儲模塊、接入模塊和供電模塊，如圖5（a）所示。



數(shù)據匯聚模塊：實現(xiàn)物理世界數(shù)據的采集或者匯聚。

本網關系統(tǒng)采用傳感器網絡的匯聚節(jié)點和RFID網絡的閱讀器作為數(shù)據匯集設備。

處理/存儲模塊：是網關的核心模塊，它實現(xiàn)協(xié)議轉換、管理、安全等各個方面的數(shù)據處理及存儲。

接入模塊：將網關接入廣域網，可能采用的方式包括有線（以太、ADSL、FTTx等）、無線（WLAN、GPRS、3G和衛(wèi)星等），本系統(tǒng)采用WCDMA的接入方式。

供電管理模塊：負責整套系統(tǒng)的電源供給，系統(tǒng)的穩(wěn)定運行與電源模塊的穩(wěn)定性能關系密切，此處設計的電源模塊兼有熱插拔和電壓轉換功能?？赡艿墓╇姺绞桨ㄊ须?、太陽能、蓄電池等。

數(shù)據匯聚模塊和處理/存儲模塊之間的接口類型采用UART方式。接入模塊和處理/存儲模塊之間的接口類型采用PCIE方式。網關軟件設計時采用分層結構，最后在應用層實現(xiàn)協(xié)議數(shù)據的相互轉換。在進行物聯(lián)網網關硬件模塊化的同時，實現(xiàn)網關的軟件功能的模塊化，不同的硬件模塊對應不同的驅動模塊；采用動態(tài)可加載方式運行，分別提取出接入模塊和數(shù)據匯集模塊的公共驅動，根據接入的硬件模塊不同加載不同的驅動模塊，達到驅動硬件模塊的目的，如圖5（b）所示。

3.4 關鍵技術

物聯(lián)網網關系統(tǒng)設計中解決了以下幾個關鍵技術。

軟件交互協(xié)議的統(tǒng)一：物聯(lián)網網關系統(tǒng)的設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，以實現(xiàn)不同的感知延伸網絡和接入網絡互聯(lián)，屏蔽底層通信差異。其中硬件模塊采用UART總線形式進行連接，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。因此，支持新的數(shù)據匯聚模塊和接入模塊則只需要開發(fā)相應的硬件模塊和驅動程序即可。另外，添加統(tǒng)一的協(xié)議適配層（如圖6所示），將應用數(shù)據統(tǒng)一提取出來，按照TLV（type，length，value）的方式進行組織，然后封裝數(shù)據包。使得在接入網絡中傳輸?shù)亩际菢藴实腎P數(shù)據包，其中封裝了TLV格式的采集數(shù)據。



統(tǒng)一地址轉換：不同的數(shù)據采集網絡使用不同的編址方式，如ZigBee中有16位短地址，6LowPan中有64位地址。在應用中只需要能定位到具體的節(jié)點即可，不需要關心節(jié)點是采用IP地址還是16位短地址，也不關心節(jié)點間的組網是采用ZigBee還是6LowPan或者其他方式。將這些地址轉換為統(tǒng)一的表示方式，有利于應用的開發(fā)，因此在網關中實現(xiàn)一種地址映射機制，將IP或者16位短地址映射為統(tǒng)一的ID，在與應用交互過程中只需要關注這個ID即可。具體的映射方式可以采用從1累加的方式，當網關接收到第一個節(jié)點數(shù)據時，將該節(jié)點的地址映射為1，后續(xù)的依次加1，將這個映射表保存在網關中。同時還采用老化機制，在一定時間內沒有收到該節(jié)點的數(shù)據時，將此條映射關系刪除。

采集模塊數(shù)據接口的統(tǒng)一：采集模塊與網關之間定義AT指令集，節(jié)點通過ZigBee協(xié)議組網。在與網關的接口之間只關注一些對采集模塊的控制指令和數(shù)據交互指令，不關注具體的組網協(xié)議，實現(xiàn)組網協(xié)議無關性。

數(shù)據映射關系管理：如何管理網關連接的兩種或多種系統(tǒng)中的設備在通信數(shù)據中的映射關系，即通常意義上的尋址，是很重要的步驟。而這一部分針對網關所連接的不同，總線設備也有很大區(qū)別。本網關對所有可能下掛的模塊的輸入輸出數(shù)據格式進行分析，然后分別定義了各個模塊對應的通信接口配置字。

4 結束語

本文旨在研究一種能支持各種傳感器網絡及接入網絡的網關設備，它能支持不同類型的傳感器節(jié)點和接入方式，并能為中間件或者應用程序提供統(tǒng)一的數(shù)據格式，從而為應用屏蔽不同的傳感器網絡及接入網絡，使得應用程序只需要關注于應用環(huán)境的數(shù)據處理。