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(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(luò),。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(luò),。
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(lǐng)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,， 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)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(luò)的關(guān)鍵設(shè)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(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,， 可以實現(xiàn)感知延伸網(wǎng)絡(luò)與接入網(wǎng)絡(luò)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換,，既可以實現(xiàn)廣域互聯(lián)，也可以實現(xiàn)局域互聯(lián),，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),。
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Lonworks、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,。
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(luò)與傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的紐帶,。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)可以實現(xiàn)感知網(wǎng)絡(luò)和基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)以及不同類型的感知網(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,。
?。?）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WSN技術(shù)就包括Lonworks,、ZigBee,、6LowPAN、RUBEE 等,。各類技術(shù)主要針對某一應(yīng)用展開,， 缺乏兼容性和體系規(guī)劃，如Lonworks 主要應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)化工作,，如3GPP、傳感器工作組,，以實現(xiàn)各種通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的互聯(lián)互通,。
（2）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,，保證不同的感知網(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,。
?。?）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(biāo)識,、狀態(tài),、屬性、能量等以及遠(yuǎn)程喚醒,、控制,、診斷、升級和維護等。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(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)點進行統(tǒng)一管理。
3 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)設(shè)計
物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)可以實現(xiàn)感知網(wǎng)絡(luò)和基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)以及不同類型的感知網(wǎng)絡(luò)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換,， 既可以實現(xiàn)廣域互聯(lián),，也可以實現(xiàn)局域互聯(lián)。本物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)計面向感知網(wǎng)絡(luò)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(luò)融合和數(shù)據(jù)通信,，采用模塊化設(shè)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(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)格式進行統(tǒng)一,，同時對下達到感知延伸網(wǎng)絡(luò)的采集或控制命令進行映射,，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4 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
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
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)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,。
?。?）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。
?。?）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),。
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。
?。?）最終用戶產(chǎn)生符合標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式的消息,，并將其發(fā)送至網(wǎng)關(guān)業(yè)務(wù)服務(wù)層的消息接收模塊。
?。?）業(yè)務(wù)服務(wù)層消息接收模塊將標(biāo)準(zhǔn)消息發(fā)送至標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)的消息轉(zhuǎn)換功能,，將標(biāo)準(zhǔn)信息轉(zhuǎn)換為依賴于具體設(shè)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(shè)備通信協(xié)議的消息傳送至感知延伸服務(wù)層的消息發(fā)送模塊,。
?。?）感知延伸服務(wù)層的消息發(fā)送模塊選擇合適的傳輸方式，將依賴設(shè)備通信協(xié)議的特定消息發(fā)送至具體的底層設(shè)備,。
?。?）底層設(shè)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(wù)層的消息接收模塊。
?。?）網(wǎng)關(guān)的感知延伸服務(wù)層的消息接收模塊將依賴設(shè)備通信協(xié)議的特定消息傳送至標(biāo)準(zhǔn)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(shè)備通信協(xié)議的特定消息轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)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(luò)內(nèi)不同設(shè)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(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,。
3.3 系統(tǒng)設(shè)計
基于物聯(lián)網(wǎng)的典型應(yīng)用結(jié)構(gòu)如圖4 所示,。無線傳感器節(jié)點采集相應(yīng)數(shù)據(jù)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(luò)和接入網(wǎng)絡(luò)的橋梁,，扮演著重要的角色。
在物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)計時,，采用模塊化思想,，設(shè)計面向不同感知網(wǎng)絡(luò)和基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，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(luò)的匯聚節(jié)點和RFID 網(wǎng)絡(luò)的閱讀器作為數(shù)據(jù)匯集設(shè)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(fù)責(zé)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(shè)計的電源模塊兼有熱插拔和電壓轉(zhuǎn)換功能,。可能的供電方式包括市電,、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(shè)計時采用分層結(jié)構(gòu)，最后在應(yīng)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(yīng)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(shè)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(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，以實現(xiàn)不同的感知延伸網(wǎng)絡(luò)和接入網(wǎng)絡(luò)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(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,，添加統(tǒng)一的協(xié)議適配層（如圖6 所示），將應(yīng)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(luò)中傳輸?shù)亩际菢?biāo)準(zhǔn)的IP 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(luò)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(yīng)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 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(yīng)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(yīng)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(dāng)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)連接的兩種或多種系統(tǒng)中的設(shè)備在通信數(shù)據(jù)中的映射關(guān)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(wǎng)關(guān)所連接的不同,，總線設(shè)備也有很大區(qū)別,。本網(wǎng)關(guān)對所有可能下掛的模塊的輸入輸出數(shù)據(jù)格式進行分析，然后分別定義了各個模塊對應(yīng)的通信接口配置字,。
4 結(jié)束語
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)的網(wǎng)關(guān)設(shè)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(yīng)用程序提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式,，從而為應(yīng)用屏蔽不同的傳感器網(wǎng)絡(luò)及接入網(wǎng)絡(luò),，使得應(yīng)用程序只需要關(guān)注于應(yīng)用環(huán)境的數(shù)據(jù)處理,。