物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)設計方案

1、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)設計方案     1 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)概述物聯(lián)網(wǎng)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(wǎng)絡。物聯(lián)網(wǎng)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(wǎng)絡。物聯(lián)網(wǎng)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(wǎng)的接入方式是多種多樣的，如廣域的PSTN、短距離的Z-Wave 等，

2、 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設備是將多種接入手段整合起來，統(tǒng)一互聯(lián)到接入網(wǎng)絡的關(guān)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(wǎng)絡的連接，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、安全認證等功能保證了物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務的質(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， 可以實現(xiàn)感知延伸網(wǎng)絡與接入網(wǎng)絡之間的協(xié)議轉(zhuǎn)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(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

3、制技術(shù)， 由感知延伸層設備以及網(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。感知設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)的遠程傳輸。業(yè)務運營管理系統(tǒng)面向物聯(lián)網(wǎng)范圍內(nèi)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(quán)、計費等功能。2 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)功能物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)在未來的物聯(lián)網(wǎng)時代將會扮演非常重要的角色，它將成為連接感知網(wǎng)絡與傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡的紐帶。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)可以實現(xiàn)感知網(wǎng)絡和基礎網(wǎng)絡以及不同類型的感知網(wǎng)絡之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換，既可以實現(xiàn)廣域互

4、聯(lián)，也可以實現(xiàn)局域互聯(lián)。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)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(shù)標準很多， 僅常見的WSN技術(shù)就包括Lonworks、ZigBee、6LowPAN、RUBEE 等。各類技術(shù)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(nèi)外已經(jīng)有多個組織在開展物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的標準化工作，如3GPP、傳感器工作組，以實現(xiàn)各種通信技術(shù)標準的互聯(lián)互通。（2）協(xié)議轉(zhuǎn)換能力從不同的感知網(wǎng)絡到接入網(wǎng)絡的協(xié)議轉(zhuǎn)換，將下層的標準格式的數(shù)據(jù)統(tǒng)一封裝，保證不同的感知網(wǎng)絡的協(xié)議能夠變成統(tǒng)一的數(shù)

5、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。（3）可管理能力強大的管理能力， 對于任何大型網(wǎng)絡都是必不可少的。首先要對網(wǎng)關(guān)進行管理，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)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(wǎng)的技術(shù)標準不同，協(xié)議的復雜性不同，所以網(wǎng)關(guān)具有的管理能力不同。本文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、不同的應用，保證能夠使用統(tǒng)一的管理接口技術(shù)對末梢網(wǎng)絡節(jié)點進行統(tǒng)一管理。3 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)設計物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)可以實現(xiàn)感知網(wǎng)絡和基礎網(wǎng)絡以及不同類型的感知網(wǎng)絡之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換， 既可以實現(xiàn)廣域

6、互聯(lián)，也可以實現(xiàn)局域互聯(lián)。本物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設計面向感知網(wǎng)絡的異構(gòu)數(shù)據(jù)感知環(huán)境，為有效屏蔽底層通信差異化進行有效網(wǎng)絡融合和數(shù)據(jù)通信，采用模塊化設計、統(tǒng)一數(shù)據(jù)表示、統(tǒng)一地址轉(zhuǎn)換等實現(xiàn)。下面從物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的層次結(jié)構(gòu)、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(jié)構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)支持感知延伸設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)格式進行統(tǒng)一，同時對下達到感知延伸網(wǎng)絡的采集或控制命令進行映射，產(chǎn)生符合具體設備通信協(xié)議的消息。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)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(wǎng)絡的異構(gòu)性，共分為4 層，分別為業(yè)務服務層、標準消息構(gòu)成層、

7、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(wǎng)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(gòu)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(wǎng)絡所采集的數(shù)據(jù)信息。該層接收與發(fā)送的消息必須符合標準的消息格式。（2）標準消息構(gòu)成層標準消息構(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)務服務層的標準消息,調(diào)用消息轉(zhuǎn)換模塊將標準消息轉(zhuǎn)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(jù)格式。當感知延伸層上傳數(shù)據(jù)時，該層的消息解析模塊則解析依賴于具體設備通信協(xié)議的消息，調(diào)用消息轉(zhuǎn)換模塊將

8、其轉(zhuǎn)換為業(yè)務服務層能夠接收的標準格式的消息。消息構(gòu)成層是物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的核心，完成對標準消息以及依賴于特定感知延伸網(wǎng)絡的消息的解析，并實現(xiàn)兩者之間的相互轉(zhuǎn)換，達到統(tǒng)一控制和管理底層感知延伸網(wǎng)絡，向上屏蔽底層網(wǎng)絡通信協(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(jīng)過消息構(gòu)成層轉(zhuǎn)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(gòu)成層進行解析。感知延伸網(wǎng)絡由感知設備組成，包括射RFID、GPS

9、、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(wǎng)絡。3.2 信息交互流程圖3 展示了物聯(lián)網(wǎng)中信息交互流程，具體流程分析如下。（1）最終用戶產(chǎn)生符合標準數(shù)據(jù)格式的消息，并將其發(fā)送至網(wǎng)關(guān)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(gòu)成層的消息解析模塊。（3）消息解析模塊調(diào)用相應的消息轉(zhuǎn)換功能，將標準信息轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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

10、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(jù)特定消息執(zhí)行信息采集操作，并將結(jié)果返回給網(wǎng)關(guān)感知延伸服務層的消息接收模塊。（7）網(wǎng)關(guān)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(gòu)成層的消息解析模塊。（8）消息解析模塊調(diào)用信息轉(zhuǎn)換模塊，將依賴于設備通信協(xié)議的特定消息轉(zhuǎn)換為標準消息。從圖3 可以看出，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)解決了物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡內(nèi)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(wǎng)的典型應用結(jié)構(gòu)如圖4 所示。無線傳感器節(jié)點采集相應數(shù)據(jù)信息

11、，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)絡發(fā)送到服務器；服務器對這些數(shù)據(jù)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(wǎng)網(wǎng)關(guān)是架起感知網(wǎng)絡和接入網(wǎng)絡的橋梁，扮演著重要的角色。在物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設計時，采用模塊化思想，設計面向不同感知網(wǎng)絡和基礎網(wǎng)絡，實現(xiàn)通用低成本的網(wǎng)關(guān)。按照模塊化的思想，將物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)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(jù)匯聚模塊： 實現(xiàn)物理世界數(shù)據(jù)的采集或者匯聚。本網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)采用傳感器網(wǎng)絡的匯聚節(jié)點和RFID

12、網(wǎng)絡的閱讀器作為數(shù)據(jù)匯集設備。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、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(guān)系密切，此處設計的電源模塊兼有熱插拔和電壓轉(zhuǎn)換功能?？赡艿墓╇姺绞桨ㄊ须?、太陽能、蓄電池等。數(shù)據(jù)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(wǎng)關(guān)軟件設計時采用分層結(jié)構(gòu)，

13、最后在應用層實現(xiàn)協(xié)議數(shù)據(jù)的相互轉(zhuǎn)換。在進行物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)硬件模塊化的同時，實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)的軟件功能的模塊化，不同的硬件模塊對應不同的驅(qū)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(jù)匯集模塊的公共驅(qū)動，根據(jù)接入的硬件模塊不同加載不同的驅(qū)動模塊，達到驅(qū)動硬件模塊的目的，如圖5（b）所示。3.4 關(guān)鍵技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)設計中解決了以下幾個關(guān)鍵技術(shù)。軟件交互協(xié)議的統(tǒng)一： 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)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(wǎng)絡和接入網(wǎng)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

14、分抽象成公共模塊。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)相應的硬件模塊和驅(qū)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(jù)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(jù)包。使得在接入網(wǎng)絡中傳輸?shù)亩际菢藴实腎P 數(shù)據(jù)包， 其中封裝了TLV 格式的采集數(shù)據(jù)。統(tǒng)一地址轉(zhuǎn)換：不同的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)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(guān)心節(jié)點是采用IP 地址還是16 位短地址，也不關(guān)心節(jié)點間的組網(wǎng)是采用ZigBee 還是6LowPan

15、 或者其他方式。將這些地址轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的表示方式，有利于應用的開發(fā)，因此在網(wǎng)關(guān)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(guān)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(wǎng)關(guān)接收到第一個節(jié)點數(shù)據(jù)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(wǎng)關(guān)中。同時還采用老化機制， 在一定時間內(nèi)沒有收到該節(jié)點的數(shù)據(jù)時，將此條映射關(guān)系刪除。采集模塊數(shù)據(jù)接口的統(tǒng)一：采集模塊與網(wǎng)關(guān)之間定義AT 指令集，節(jié)點通過ZigBee 協(xié)議組網(wǎng)。在與網(wǎng)關(guān)的接口之間只關(guān)注一些對采集模塊的控制指令和數(shù)據(jù)交互指令，不關(guān)注具體的組網(wǎng)協(xié)議，實現(xiàn)組網(wǎng)協(xié)議無關(guān)性。數(shù)據(jù)映射關(guān)系管理：如何管理網(wǎng)關(guān)連接的