【特種設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)7200字】

特種設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)TOC\o"1-3"\h\u27438一、引言 15419二、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 120406（一）物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)功能需求分析 120353（二）網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì) 230478（三）硬件設(shè)計(jì)及選擇 311278三、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)軟件的設(shè)計(jì) 526821（一）物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)軟件框架 517258（二）感知接入層設(shè)計(jì) 621844（三）數(shù)據(jù)處理層設(shè)計(jì) 632118（四）傳輸應(yīng)用層設(shè)計(jì) 824861（五）開發(fā)環(huán)境 8246四、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)在特種設(shè)備行業(yè)應(yīng)用 825646五、結(jié)論 911629參考文獻(xiàn) 11一、引言物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)作為連接傳感網(wǎng)絡(luò)和其他傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的重要紐帶，其需要具備能夠適應(yīng)多種傳感網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的能力、在不同的協(xié)議之間進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的能力和快速地接入其他傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的能力，以及實(shí)現(xiàn)控制和管理各種傳感器設(shè)備的能力。到目前為止，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的技術(shù)統(tǒng)一規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)還沒有建立，這就使得工業(yè)廠商自主生產(chǎn)的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)裝置在技術(shù)上相比差異較大，對(duì)于底層網(wǎng)關(guān)協(xié)議的支撐也呈現(xiàn)出了多元化的趨勢(shì)。因?yàn)榫W(wǎng)卡數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)之間的相互交換是通過各種通訊協(xié)議建立起來的，各個(gè)通信協(xié)議之間的數(shù)據(jù)編碼、編譯模式均存在自身的獨(dú)特性，一旦采取一種集成式的開發(fā)方式，可能出現(xiàn)部分?jǐn)?shù)據(jù)之間的協(xié)議出現(xiàn)不兼容，也即是通信協(xié)議之間出現(xiàn)“打架”現(xiàn)象，這也造成大規(guī)模的系統(tǒng)開發(fā)受到空前的阻礙，使得技術(shù)在短時(shí)間內(nèi)無法成功的突破瓶頸。為能夠有效解決此類問題，很多時(shí)候人們是利用特殊性的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議模式適應(yīng)當(dāng)時(shí)場(chǎng)景的應(yīng)用，從而能夠大大縮減系統(tǒng)開發(fā)的難度與周期及其開發(fā)成本等等。但是存在的不足之處在于這種方式做不到一種“釜底抽薪”之意，因?yàn)楫?dāng)外部環(huán)境或者條件出現(xiàn)變換之后，那么之前的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)可能失效，只能進(jìn)行重新研發(fā)，這樣不僅拉長(zhǎng)的系統(tǒng)開發(fā)的“戰(zhàn)線”，而且可能耗費(fèi)更多的資金與精力，導(dǎo)致物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)停滯不前?；诖?，本文設(shè)計(jì)的一款動(dòng)態(tài)加載模塊，目的是為了能夠在確保網(wǎng)關(guān)完整性的時(shí)候，也可以兼容多個(gè)設(shè)備的通信協(xié)議，從而完成特種設(shè)備集成式系統(tǒng)開發(fā)任務(wù)，以適用于各個(gè)物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景的應(yīng)用，不斷提升物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的變通性、適用性以及延展性能等等，繼而不斷提高物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。二、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案（一）物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)功能需求分析對(duì)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的研究來說，實(shí)時(shí)通信和實(shí)時(shí)控制是近年來的研究動(dòng)向之一，無論在工農(nóng)業(yè)還是生活中，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的發(fā)展都給它帶來了便利。但是，通過網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的分析，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)前的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)裝置設(shè)備還限于特定場(chǎng)景，缺乏通用性。從此出發(fā)，本設(shè)計(jì)對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)應(yīng)包含以下需求：廣泛的接入能力：就當(dāng)前來講，國(guó)內(nèi)使用最多的網(wǎng)關(guān)接入技術(shù)很多，而且各種技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)劃分也是五花八門，其中最多的無疑是WSNS網(wǎng)關(guān)技術(shù)的應(yīng)用，它囊括ZigBee技術(shù)、Lonworks技術(shù)以及RUBEE技術(shù)等等。通過對(duì)各個(gè)技術(shù)了解之后，能夠發(fā)現(xiàn)這些網(wǎng)關(guān)技術(shù)大多數(shù)只能在特定的場(chǎng)景進(jìn)行工作，一旦出現(xiàn)外界環(huán)境的改變，可能面臨失效的境地，所以得出這類技術(shù)的兼容性不高，這是它的弊端之一。當(dāng)然，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷迭代更新，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也在不斷的進(jìn)行功能與適應(yīng)性的改良，譬如傳感器組合技術(shù)以及3GPP技術(shù)等等，這些基本生能夠?qū)⑼ㄐ艆f(xié)議之間進(jìn)行良好的串通，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的事實(shí)交換，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分享功能。可管理能力：強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)管理控制能力，對(duì)于任何大型企業(yè)網(wǎng)絡(luò)都來說是必不可少的。首先就需要對(duì)網(wǎng)關(guān)業(yè)務(wù)進(jìn)行信息管理，如用戶注冊(cè)信息管理、權(quán)限信息管理、狀態(tài)信息監(jiān)管等。網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)了對(duì)子網(wǎng)內(nèi)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)管理，如網(wǎng)絡(luò)獲取各個(gè)節(jié)點(diǎn)的相關(guān)標(biāo)識(shí)、狀態(tài)、屬性、能量等，而且還能良好的完成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的維護(hù)功能、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的相互診斷監(jiān)控等等。因?yàn)楦鱾€(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議之間的有著自身獨(dú)特性，所以其中的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議管理標(biāo)準(zhǔn)也是千差萬別的，最終能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)關(guān)接入的兼容性也是存在差異性的。在本文當(dāng)中，之所以設(shè)計(jì)一款基于模塊化的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)技術(shù)軟件系統(tǒng)，是為了能夠讓各個(gè)網(wǎng)關(guān)管理之間能夠?qū)崿F(xiàn)良好的數(shù)據(jù)交換，提高協(xié)議之間的兼容與管理功能。協(xié)議轉(zhuǎn)換能力：根據(jù)不一樣的感知層次網(wǎng)絡(luò)出發(fā)，能夠發(fā)現(xiàn)的是，為保證數(shù)據(jù)能夠通過各種不同通信協(xié)議之間的管理標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)傳輸、維護(hù)等功能，需要將多種通信協(xié)議進(jìn)行整合，不斷提高其統(tǒng)一性，從而使得上層協(xié)議在進(jìn)行下達(dá)之后，能夠快速的得到控制與指令的接收。數(shù)據(jù)安全：對(duì)于數(shù)據(jù)安全這一塊而言，很多時(shí)候在進(jìn)行軟件系統(tǒng)開發(fā)的時(shí)候，一個(gè)數(shù)據(jù)系統(tǒng)的安全性能無疑是最為核心的要素之一，一旦在安全方面出現(xiàn)問題，那么這個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是失敗的。隨著現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)據(jù)安全是人們普遍關(guān)注的一個(gè)問題，在開發(fā)一個(gè)系統(tǒng)之時(shí)，僅僅只是為了實(shí)現(xiàn)它的功能，而不去深入思考這個(gè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全性能，毫無疑問這種開發(fā)思維就存在問題，從最初開始就注定是失敗的、無意義的。可維護(hù)能力：沒有任何系統(tǒng)維護(hù)是完美無缺的。不管在部署前已經(jīng)做過多少安全測(cè)試，部署后還會(huì)發(fā)現(xiàn)安全上的缺陷、隱患和技術(shù)漏洞。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)和監(jiān)控節(jié)點(diǎn)必須支持現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)和實(shí)時(shí)更新系統(tǒng)功能。設(shè)備網(wǎng)絡(luò)維護(hù)不應(yīng)該只單純依賴遠(yuǎn)程設(shè)備維護(hù)，還是更應(yīng)該有更多的的互聯(lián)網(wǎng)維護(hù)方法選擇可選。（二）網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用架構(gòu)，由圖1可知，很多時(shí)候，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在通過網(wǎng)關(guān)之時(shí)，可以借助藍(lán)牙、WiFi等模式來加以實(shí)現(xiàn)，當(dāng)然在此期間是需要與網(wǎng)關(guān)進(jìn)行同步設(shè)計(jì)的。因?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)在接受網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)之后，再經(jīng)過有線方式傳輸?shù)较到y(tǒng)平臺(tái)上進(jìn)行計(jì)算分析，最后再進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的反饋。圖1物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用架構(gòu)在本設(shè)計(jì)中，就主要針對(duì)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行研究開發(fā)。首先需要對(duì)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行研究設(shè)計(jì)，得到物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)架構(gòu)如圖2示。圖2物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)架構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)組成部分包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層。在感知層中，需要其能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)收集與物品相關(guān)信息的功能，此時(shí)常常會(huì)利用各式各樣類型的智能終端、射頻識(shí)別或傳感器等信息傳感裝置來幫助其達(dá)成；建立網(wǎng)絡(luò)層的通信基礎(chǔ)需要現(xiàn)存的移動(dòng)通信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)及其他相關(guān)通信專網(wǎng)，它的功能主要是自動(dòng)處理和傳遞感知層收集得到的各種信息，對(duì)于第一層級(jí)的感知層方面而言，其功能在于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)交換功能；對(duì)于第三層級(jí)的數(shù)據(jù)應(yīng)用層而言，它主要是承載一個(gè)系統(tǒng)擴(kuò)展的功效，就是利用多種通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)用戶之間的數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)分享。而物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)大多數(shù)情況是置于第一層級(jí)與第三層級(jí)之間的，它的主要功能是串接全部的通信網(wǎng)、傳感網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸。因?yàn)楫?dāng)前的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)比較滯后，導(dǎo)致各個(gè)網(wǎng)關(guān)通信協(xié)議之間不能實(shí)現(xiàn)良好的兼容，這是最大的難題，想要突破這種難題，就不得不提高物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)接入能力，從而實(shí)現(xiàn)異性通信協(xié)議。如圖2所示，感知接入層主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的組網(wǎng)及不同協(xié)議的數(shù)據(jù)融合；協(xié)議適配層進(jìn)行協(xié)議解析，使不同網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中的數(shù)據(jù)和信令具有統(tǒng)一格式，保證上下層網(wǎng)絡(luò)正常通信；對(duì)于協(xié)議轉(zhuǎn)換控制層方面而言，其作用實(shí)現(xiàn)感知傳感網(wǎng)絡(luò)同通信網(wǎng)絡(luò)兩者之間的協(xié)議進(jìn)行相互交換，這種方式是為了實(shí)現(xiàn)通信協(xié)議整合性，從而提高數(shù)據(jù)交換的效率，之后將交換的數(shù)據(jù)傳輸至廣域接入層；廣域接入層實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)與外部網(wǎng)絡(luò)的連接。（三）硬件設(shè)計(jì)及選擇物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的硬件以ARMA9處理器為核心，包括SD卡接口模塊、電源管理模塊、時(shí)鐘模塊、以太網(wǎng)接口模塊、USB接口模塊、串口模塊等等，如圖3所示。圖3物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)因本設(shè)計(jì)著重軟件設(shè)計(jì)部分，對(duì)于硬件直接選擇現(xiàn)有的主板。根據(jù)本設(shè)計(jì)功能要求，可以采用RaspberryPi4或者NVIDIAJetsonNano作為主板。對(duì)于RaspberryPi而言，其是一類實(shí)用性強(qiáng)的小型物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)開發(fā)主板。其存在的優(yōu)勢(shì)之處不單單是功耗低，而且是良好的原型開發(fā)工具之一，常常用來開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)軟件，使用是比較頻繁的、可靠性也比較強(qiáng)。同前期開發(fā)的RaspberryPi3B+進(jìn)行比較之后，能夠發(fā)現(xiàn)RaspberryPi4B的新功能有如圖4所示：圖4RaspberryPi4升級(jí)內(nèi)容NVIDIA發(fā)布了很多種物聯(lián)網(wǎng)主板，其中NVIDIAJetsonNano是最新的主板。該主板作為開發(fā)工具包提供了物聯(lián)網(wǎng)解決方案在設(shè)計(jì)原型時(shí)所需的所有輸入和連接。NVIDIAJetsonNanoDeveloperKit提供了物聯(lián)網(wǎng)解決方案在設(shè)計(jì)原型時(shí)所需的所有計(jì)算能力（還集成了GPU）。NVIDIAJetsonNanoDeveloperKit的核心配置如圖5：圖5NVIDIAJetsonNanoDeveloperKit核心配置如上所示，兩個(gè)主板的規(guī)格中存在一些相似之處。下面詳細(xì)比較RaspberryPi4和NVIDIAJetsonNanoDeveloperKit的規(guī)格。對(duì)比如表1：表1RaspberryPi4與NVIDIAJetsonNano規(guī)格對(duì)比RaspberryPi4NVIDIAJetsonNanoCPUQuad-coreARMCortex-A7264-bit@1.5GhzQuad-coreARMCortex-A5764-bit@1.42GhzGPUBroadcomVideoCoreVI(32-bit)NVIDIAMaxwellw/128CUDAcores@921MhzMemory4GBLPDDR4**4GBLPDDR4NetworkingGigabitEthernet/wifi802.11acGigabitEthernet/M.2KeyE(forwifisupport)Display2xmicro-HDMI(upto4Kp60)HDMI2.0andEDP1.4USB2xUSB3.0，2xUSB2.04xUSB3.0，USB2.0Micro-BOther40-pinGPIO40-pinGPIOVideoEncodeH.264(1080p30)H.264/H.265(4Kp30)VideoDecodeH.265(4Kp60)，H.264(1080p60)H.264/H.265(4Kp60，2x4Kp60)CameraMIPICSIportMIPICSIportStorageMicro-SDMicro-SDPrice$55USD$99USD其中對(duì)兩款主板的CPU進(jìn)行對(duì)比分析，可以看出，Cortex-A72CPU這種中央數(shù)據(jù)處理的能力更佳，說明RaspberryPi4是適用于制造成本不高且低配的設(shè)備?？偠灾?，兩款主板運(yùn)行的都是Linux，對(duì)于本設(shè)計(jì)都比較適配，但從整體上來說，樹莓派4B更為適用。此外，需在主板上加入ZigBee、藍(lán)牙等模塊，便于后期軟件接入。三、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)軟件的設(shè)計(jì)（一）物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)軟件框架一般情況下，物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)軟件開發(fā)的層級(jí)存在以下三層：其中第一層級(jí)是感知接入，第二個(gè)層級(jí)是數(shù)據(jù)處理，第三個(gè)層級(jí)是數(shù)據(jù)傳輸運(yùn)用。除此之外，很多物聯(lián)網(wǎng)的模塊組合實(shí)現(xiàn)功能的前提是依靠平臺(tái)進(jìn)行運(yùn)作的。其中最為主要是Linux與文件系統(tǒng)融合而成，通過模塊方式供給操作系統(tǒng)與API串口功能。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)軟件框架如圖6。圖6物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)框架框架說明：①802.15.4模塊，包含有ZigBee模塊和Lora模塊，其功能是接收符合IEEE802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)格式的數(shù)據(jù)包或者發(fā)送符合標(biāo)準(zhǔn)格式的數(shù)據(jù)包，因?yàn)閆igBee和Lora無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議自身具備的低耗、低成本開銷等優(yōu)點(diǎn)，可以有效實(shí)現(xiàn)無線傳感器節(jié)點(diǎn)小范圍自動(dòng)部署的最佳應(yīng)用效果。②WiFi模塊，其作用是接收或者發(fā)送符合IEEE802.11協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)格式的數(shù)據(jù)包，依靠其WiFi協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)速度快、吞包率低、范圍廣的優(yōu)點(diǎn)，可以達(dá)到傳感器節(jié)點(diǎn)較大規(guī)模部署的應(yīng)用效果。③數(shù)據(jù)包處理模塊，這一個(gè)模塊的主要功能是截獲網(wǎng)絡(luò)底層傳輸過來的數(shù)據(jù)類型，而且通過識(shí)別判斷之后，剔除無價(jià)值的數(shù)據(jù)，然后實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)備份，最后在傳輸至存儲(chǔ)板塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的保存；當(dāng)數(shù)據(jù)處理模塊識(shí)別到數(shù)據(jù)類型為Zigbee協(xié)議，則它會(huì)直接傳輸?shù)絑igbee/HTTP協(xié)議，其他的，則直接根據(jù)路由器的數(shù)據(jù)類型進(jìn)行常規(guī)性的數(shù)據(jù)傳輸。④Zigbee/HTTP協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊，負(fù)責(zé)對(duì)采用Zigbee協(xié)議的數(shù)據(jù)包和使用HTTP協(xié)議的數(shù)據(jù)包進(jìn)行協(xié)議間的轉(zhuǎn)換，從而達(dá)到使只支持HTTP協(xié)議的遠(yuǎn)程客戶端能夠?qū)χ恢С諾igbee協(xié)議的遠(yuǎn)程傳感器設(shè)備進(jìn)行web訪問的目的。⑤網(wǎng)絡(luò)切換模塊，其主要作用是在有線以太網(wǎng)絡(luò)和無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)兩種傳輸模式中依據(jù)兩種網(wǎng)絡(luò)傳輸狀態(tài)去進(jìn)行動(dòng)態(tài)切換，選擇其中的一種并且用于進(jìn)行數(shù)據(jù)包的網(wǎng)絡(luò)傳輸。（二）感知接入層設(shè)計(jì)感知接入層包括802.15.4模塊、WiFi模塊，用于對(duì)底層不同類型感知設(shè)備的適配，并將收集到的感知數(shù)據(jù)提交給上層。802.15.4模塊包括ZigBee模塊和LoRa模塊，加上WiFi模塊即是兩種不同類型的物聯(lián)網(wǎng)的無線通信技術(shù)。如表2：表2主流通信協(xié)議對(duì)比類型ZigbeeWi-FiNB-IoTSIGMESH協(xié)議支持3.0802.11blwm2mSIG標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙5.0局域網(wǎng)控制支持支持不支持支持實(shí)際傳輸速率低，kbps級(jí)高，11Mbps左右低，kbps級(jí)低，一般低于1Mbps，最高2Mbps通訊距離(單節(jié)點(diǎn))空曠100m+/室內(nèi)30m+Wi-Fi信號(hào)覆蓋區(qū)NB基站覆蓋，km級(jí)理論100m，實(shí)際空曠50m/室內(nèi)10m左右覆蓋范圍MESH網(wǎng)絡(luò)(26跳)Wi-Fi信號(hào)覆蓋區(qū)NB基站覆蓋理論無限/一般3跳遠(yuǎn)程控制可通過網(wǎng)關(guān)連接可通過路由器連接運(yùn)營(yíng)商基站連接可通過網(wǎng)關(guān)連接穩(wěn)定數(shù)量理論65000，穩(wěn)定100+20個(gè)以下5萬/小區(qū)單MESH網(wǎng)穩(wěn)定64雙向可通訊功耗休眠：<5uA喚醒：幾十mARF發(fā)射：20-30mA休眠：<3uA喚醒：幾十mARF發(fā)射：100mA+休眠：<3uA喚醒：<1mARF發(fā)射：350mA+休眠：>3uA喚醒：<8mARF發(fā)射：<20mA模塊價(jià)格高中高低其中短距離通信技術(shù)包括ZigBee、WiFi和Bluetooth、Z-wave，廣域網(wǎng)通信技術(shù)包括LoRa、SigFox和EC-GSM、NB-loT等。經(jīng)表2分析可知，Zigbee協(xié)議和WiFi協(xié)議適用于本設(shè)計(jì)，且對(duì)于本設(shè)計(jì)有很大助益。可以幫助實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)的廣泛接入功能，且利于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控和近距離操作。（三）數(shù)據(jù)處理層設(shè)計(jì)1.Zigbee/HTTP協(xié)議轉(zhuǎn)換機(jī)制研究數(shù)據(jù)處理層包含有數(shù)據(jù)包處理模塊、Zigbee/HTTP協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊還有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，主要用于對(duì)數(shù)據(jù)包的截獲、分析和處理。對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)而言，最重要的就是解決協(xié)議轉(zhuǎn)換的問題。對(duì)于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)協(xié)議轉(zhuǎn)換功能，本設(shè)計(jì)主要從Zigbee/HTTP協(xié)議轉(zhuǎn)換進(jìn)行。因?yàn)閆igBee網(wǎng)絡(luò)和WiFi網(wǎng)絡(luò)之間存在異構(gòu)性，導(dǎo)致兩者之間的數(shù)據(jù)無法去進(jìn)行正常的通信。經(jīng)過對(duì)兩種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的分析，發(fā)現(xiàn)可以在ZigBee協(xié)調(diào)器設(shè)計(jì)一個(gè)虛擬的應(yīng)用子層，利用該子層去實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)的轉(zhuǎn)換功能，而且可以利用地址映射表機(jī)制來實(shí)現(xiàn)兩者網(wǎng)絡(luò)的尋址功能，并對(duì)數(shù)據(jù)包負(fù)載內(nèi)容的再封裝實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。此外，對(duì)于ZigBee節(jié)點(diǎn)設(shè)備數(shù)目動(dòng)態(tài)變化的場(chǎng)景，路由表內(nèi)容需要經(jīng)常改變，維護(hù)一個(gè)完整的地址映射表比較困難。對(duì)于此情況，我們進(jìn)一步提出了一種基于透明傳輸?shù)膮f(xié)議轉(zhuǎn)換機(jī)制[16]，該機(jī)制不需要建立路由表，可以減輕微控制單元MCU的數(shù)據(jù)處理壓力。基于透?jìng)鞯腪igBee-HTTP網(wǎng)關(guān)協(xié)議轉(zhuǎn)換機(jī)制，不需要在網(wǎng)關(guān)事先專門建立針對(duì)ZigBee終端節(jié)點(diǎn)和HTTP虛擬設(shè)備地址的路由映射表。ESP8266WiFi模塊具有串口的透明傳輸功能，開發(fā)者可以不用對(duì)模塊進(jìn)行軟件和硬件的再次開發(fā)，直接利用串口將數(shù)據(jù)發(fā)送到ESP8266芯片當(dāng)中，ESP8266芯片在接收到數(shù)據(jù)后不做任何處理，直接將收到的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)的方式發(fā)送到目標(biāo)地址，傳輸?shù)侥康牡刂返臄?shù)據(jù)，其內(nèi)容、格式和長(zhǎng)度未發(fā)生任何變化，傳輸數(shù)據(jù)的過程完全透明。2.Zigbee/HTTP協(xié)議轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)辦法首先需要做的是在ZigBee應(yīng)用層基礎(chǔ)上增加一個(gè)應(yīng)用子層，從ZigBee應(yīng)用層獲取得到的自身的ZigBee地址和采集得到的傳感器數(shù)據(jù)，同時(shí)將相應(yīng)的HTTP服務(wù)器地址、虛擬設(shè)備地址下載到自身的應(yīng)用程序中。在這里也不需要完成地址轉(zhuǎn)換，只需要進(jìn)行負(fù)載數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，同時(shí)在ZigBee終端節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)處理打包為HTTP協(xié)議包格式。基于透?jìng)鞯腪igBee-HTTP網(wǎng)關(guān)協(xié)議轉(zhuǎn)換如圖7所示。ZigBee節(jié)點(diǎn)將打包好的數(shù)據(jù)以無線形式發(fā)送到ZigBee協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器對(duì)收到的數(shù)據(jù)不做任何處理，直接將數(shù)據(jù)包以透?jìng)鞯姆绞桨l(fā)送出去。圖7基于透?jìng)鞯腪igBee-HTTP網(wǎng)關(guān)協(xié)議轉(zhuǎn)換圖除此之外對(duì)于WiFi模塊，根據(jù)如下WiFi通信技術(shù)原理可知WiFi模塊可以不用協(xié)議轉(zhuǎn)換進(jìn)行數(shù)據(jù)通信：當(dāng)前而言，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展突飛猛進(jìn)，各種網(wǎng)絡(luò)的衍生品也是發(fā)展的如火如荼，比如信息技術(shù)、通信技術(shù)也是如此，這也導(dǎo)致了網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)市場(chǎng)的產(chǎn)品進(jìn)行越發(fā)激烈。在人們的生活當(dāng)中，毫無疑問WiFi這款產(chǎn)品是從自身實(shí)力的角度出發(fā)，逐漸走進(jìn)大眾的視野，得到很多人的青睞，其通過一臺(tái)終端能夠?qū)崿F(xiàn)多種家電設(shè)備的通信協(xié)議交換，而且能夠?qū)崿F(xiàn)因特網(wǎng)的數(shù)據(jù)交換，其是非常便捷的、方便的，使得人們的生活得到很大改變，生活智能化水平越來越高。除此之外，WiFi不僅覆蓋范圍比較龐大，而且它能夠快速的通信到互聯(lián)網(wǎng)，其中具備開發(fā)成本費(fèi)用不高，操作性強(qiáng)、可行性高等多個(gè)優(yōu)點(diǎn)。因此它的應(yīng)用也是比較廣泛的，不僅可用于智能家電，而且可以用于航天控制器，工業(yè)智能化生產(chǎn)等等。在本文當(dāng)中，采取的WiFi模塊型號(hào)為ESP8266，這種型號(hào)的模塊能夠支持HTTP通信協(xié)議，而且存儲(chǔ)量比較大，所以選擇ESP8266WiFi模塊來實(shí)現(xiàn)相關(guān)解析數(shù)據(jù)傳輸功能。（四）傳輸應(yīng)用層設(shè)計(jì)傳輸應(yīng)用層包括網(wǎng)絡(luò)切換模塊，用于對(duì)數(shù)據(jù)包的遠(yuǎn)程傳輸以及應(yīng)用處理。其中傳輸應(yīng)用方面的數(shù)據(jù)傳輸存在兩種模態(tài)變換，其一是無線數(shù)據(jù)，其二是以太網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)然這兩者之間的數(shù)據(jù)傳輸是可以進(jìn)行良好的交換的，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的共享。但是在一般情況之下，是自動(dòng)鏈接以太網(wǎng)，當(dāng)這種網(wǎng)絡(luò)信號(hào)不太穩(wěn)定的時(shí)候，此時(shí)網(wǎng)關(guān)會(huì)自動(dòng)切換連接到數(shù)據(jù)網(wǎng)（類似于手機(jī)連接家庭WiFi，離開家出門自動(dòng)切換為流量數(shù)據(jù)），從而有效保證數(shù)據(jù)包傳輸?shù)陌踩€(wěn)定性。另外，由于實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)信息會(huì)被封裝在IPv6數(shù)據(jù)包中，所以以太網(wǎng)絡(luò)會(huì)選擇IPv6鏈路來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包的實(shí)時(shí)傳輸。（五）開發(fā)環(huán)境本設(shè)計(jì)基于嵌入式Linux操作系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)，以實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)軟件的設(shè)計(jì)，可以使用python語(yǔ)言或者c++語(yǔ)言編寫程序。在對(duì)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行開發(fā)時(shí)，可采用工程管理器實(shí)現(xiàn)。對(duì)于工程管理裝置而言，其是物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)軟件之中不可分割的一部分內(nèi)容，它的作用是把原始數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)庫(kù)信息以及各種工程元素進(jìn)行統(tǒng)一的管理，目的是為了能夠讓工程技術(shù)人員良好的把控項(xiàng)目工程的施工進(jìn)度。四、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)在特種設(shè)備行業(yè)應(yīng)用基于上述研究，圍繞特種設(shè)備行業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中數(shù)據(jù)采集、傳輸?shù)膶?shí)際需要，開展應(yīng)用部署。具體部署架構(gòu)如圖8所示。圖3特種設(shè)備行業(yè)應(yīng)用部署架構(gòu)應(yīng)用流程描述如下：企業(yè)依托已經(jīng)自建的信息化平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行集中化處理，將物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)部署于企業(yè)的數(shù)據(jù)出口處，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)根據(jù)預(yù)警防控云平臺(tái)