cq9电子·(中国)官方网站

  物联网网关可以实现感知网络和基础网络以及不同类型的感知网络之间的协议转换， 既可以实现广域互联，也可以实现局域互联。本物联网网关设计面向感知网络的异构数据感知环境，为有效屏蔽底层通信差异化进行有效网络融合和数据通信，采用�？榛�设计、统一数据表示、统一地址转换等实现。下面从物联网网关的层次结构、信息交互流程和系统实现3 个方面来进行阐述。

  一、層次結構

  物联网网关支持感知延伸设备之间的多种通信协议和数据类型，实现多种感知延伸设备之间数据通信格式的转换，对上传的数据格式进行统一，同时对下达到感知延伸网络的采集或控制命令进行映射，产生符合具体设备通信协议的消息。物联网网关对感知延伸设备进行统一控制与管理，向上层屏蔽底层感知延伸网络的异构性，共分为4 层，分别为业务服务层、标准消息构成层、协议适配层和感知延伸层，如图2 所示。

  (1)業務服務層

  業務服務層由消息接收模塊和消息發送模塊組成。消息接收模塊負責接收來自物聯網業務運營管理系統的標准消息，將消息傳遞給標准消息構成層。消息發送模塊負責向業務運營管理系統可靠地傳送感知延伸網絡所采集的數據信息。該層接收與發送的消息必須符合標准的消息格式。

  (2)標准消息構成層

  標准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務服務層的標准消息,調用消息轉換模塊將標准消息轉換爲底層感知延伸設備能夠理解的依賴于具體設備通信協議的數據格式。當感知延伸層上傳數據時，該層的消息解析模塊則解析依賴于具體設備通信協議的消息，調用消息轉換模塊將其轉換爲業務服務層能夠接收的標准格式的消息。消息構成層是物聯網網關的核心，完成對標准消息以及依賴于特定感知延伸網絡的消息的解析，並實現兩者之間的相互轉換，達到統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議異構性的目的。

  (3)協議適配層

  協議適配層保證不同的感知延伸層協議能夠通過此層變成格式統一的數據和控制信令。

  (4)感知延伸層

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

  消息接收模塊則接收來自底層設備的消息，發送至標准消息構成層進行解析。

  感知延伸网络由感知设备组成，包括射RFID、GPS、视频监控系统、各类型传感器等。感知延伸设备之间支持多种通信协议， 可以组成Lonworks 和Zigbee 以及其他多种感知延伸网络。

  二、信息交互流程

  图3 展示了物联网中信息交互流程，具体流程分析如下。

  (1)最終用戶産生符合標准數據格式的消息，並將其發送至網關業務服務層的消息接收模塊。

  (2)業務服務層消息接收模塊將標准消息發送至標准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，將標准信息轉換爲依賴于具體設備通信協議的消息。

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

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

  (6)底層設備根據特定消息執行信息采集操作，並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議的特定消息傳送至標准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議的特定消息轉換爲標准消息。

  从图3 可以看出，物联网网关解决了物联网网络内不同设备无法统一控制和管理的问题，达到屏蔽底层通信差异的目的，并使得最终用户无需知道底层设备的具体通信细节，实现对不同感知延伸层设备的统一访问。

  三、系統設計

  基于物联网的典型应用结构如图4 所示。无线传感器节点采集相应数据信息，通过无线多跳自组织方式将数据发送到网关， 固定式阅读器读取RFID 标签内容发送到网关; 网关将这些数据通过WCDMA 网络发送到服务器;服务器对这些数据进行处理、存储，并提供一个信息平台，供用户(包括PC 用户和手机用户)使用。从图4 中可以看出物联网网关是架起感知网络和接入网络的桥梁，扮演着重要的角色。

  在物聯網網關設計時，采用模塊化思想，設計面向不同感知網絡和基礎網絡，實現通用低成本的網關。按照模塊化的思想，將物聯網網關系統分爲數據彙集模塊、處理/存儲模塊、接入模塊和供電模塊，如圖5(a)所示。

  数据汇聚�？�： 实现物理世界数据的采集或者汇聚。

  本网关系统采用传感器网络的汇聚节点和RFID 网络的阅读器作为数据汇集设备。

  处理/存储�？�： 是网关的核心模块， 它实现协议转换、管理、安全等各个方面的数据处理及存储。

  接入�？�：将网关接入广域网，可能采用的方式包括有线(以太、ADSL、FTTx 等)、无线(WLAN、GPRS、3G 和卫星等)，本系统采用WCDMA 的接入方式。

  供電管理模塊：負責整套系統的電源供給，系統的穩定運行與電源模塊的穩定性能關系密切，此處設計的電源模塊兼有熱插拔和電壓轉換功能。可能的供電方式包括市電、太陽能、蓄電池等。

  数据汇聚�？楹痛�理/存储�？橹�间的接口类型采用UART 方式。接入模块和处理/存储�？橹�间的接口类型采用PCIE 方式。网关软件设计时采用分层结构，最后在应用层实现协议数据的相互转换。在进行物联网网关硬件�？榛�的同时，实现网关的软件功能的�？榛�，不同的硬件�？槎杂Σ煌�的驱动�？�;采用动态可加载方式运行，分别提取出接入�？楹褪�据汇集�？榈墓�共驱动，根据接入的硬件�？椴煌�加载不同的驱动�？椋�达到驱动硬件�？榈哪康模�如图5(b)所示。

  四、關鍵技術

  物聯網網關系統設計中解決了以下幾個關鍵技術。

  软件交互协议的统一： 物联网网关系统的设计思路是以�？榛�的方式实现软硬件的各个部分，使得�？橹�间的替换非常容易，以实现不同的感知延伸网络和接入网络互联，屏蔽底层通信差异。其中硬件�？椴捎肬ART总线形式进行连接，软件则采用�？榛�可加载的方式运行，并将共同部分抽象成公共�？�。因此，支持新的数据汇聚�？楹徒尤肽？樵蛑恍枰�开发相应的硬件�？楹颓�动程序即可。另外，添加统一的协议适配层(如图6 所示)，将应用数据统一提取出来，按照TLV(type , length,value)的方式进行组织，然后封装数据包。使得在接入网络中传输的都是标准的IP 数据包， 其中封装了TLV 格式的采集数据。

  统一地址转换：不同的数据采集网络使用不同的编址方式， 如ZigBee 中有16 位短地址，6LowPan 中有64 位地址。在应用中只需要能定位到具体的节点即可，不需要关心节点是采用IP 地址还是16 位短地址，也不关心节点间的组网是采用ZigBee 还是6LowPan 或者其他方式。将这些地址转换为统一的表示方式，有利于应用的开发，因此在网关中实现一种地址映射机制，将IP 或者16 位短地址映射为统一的ID， 在与应用交互过程中只需要关注这个ID 即可。具体的映射方式可以采用从1 累加的方式，当网关接收到第一个节点数据时， 将该节点的地址映射为1，后续的依次加1，将这个映射表保存在网关中。同时还采用老化机制， 在一定时间内没有收到该节点的数据时，将此条映射关系删除。

  采集�？槭�据接口的统一：采集�？橛胪�关之间定义AT 指令集，节点通过ZigBee 协议组网。在与网关的接口之间只关注一些对采集�？榈目刂浦噶詈褪�据交互指令，不关注具体的组网协议，实现组网协议无关性。

  數據映射關系管理：如何管理網關連接的兩種或多種系統中的設備在通信數據中的映射關系，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別。本網關對所有可能下挂的模塊的輸入輸出數據格式進行分析，然後分別定義了各個模塊對應的通信接口配置字。

  相關推薦：

  物聯網網關關鍵技術與應用方向

  物聯網網關概念與功能介紹

  物联网网关是什么 技术需求有哪些