物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)概念

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，作為一個(gè)新的名詞，在未來(lái)的物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代將會(huì)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。作為網(wǎng)關(guān)設(shè)備，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)可以實(shí)現(xiàn)感知網(wǎng)絡(luò)與通信網(wǎng)絡(luò)，以及不同類型感知網(wǎng)絡(luò)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換．既可以實(shí)現(xiàn)廣域互聯(lián)．也可以實(shí)現(xiàn)局域互聯(lián)。此外物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)還需要具備設(shè)備管理功能，運(yùn)營(yíng)商通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)備可以管理底層的各感知節(jié)點(diǎn)，了解各節(jié)點(diǎn)的相關(guān)信息，并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)相關(guān)技術(shù)

1.移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)已成為全球關(guān)注的熱點(diǎn)。就如移動(dòng)語(yǔ)音是相對(duì)于固定電話而言，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)是相對(duì)固定互聯(lián)網(wǎng)而言的。雖然目前業(yè)界對(duì)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)并沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一定義，但對(duì)其概念卻有一個(gè)基本的判斷，即從網(wǎng)絡(luò)角度來(lái)看，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)是指以寬帶IP為技術(shù)核心，可同時(shí)提供語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、多媒體等業(yè)務(wù)服務(wù)的開(kāi)V放式基礎(chǔ)電信網(wǎng)絡(luò)；從用戶行為角度來(lái)看，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)是指采用移動(dòng)終端通過(guò)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)并使用互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，這里對(duì)于移動(dòng)終端的理解既可以認(rèn)為是手機(jī)也可以認(rèn)為是包括手機(jī)在內(nèi)的上網(wǎng)本、PDA、數(shù)據(jù)卡方式的筆記本電腦等多種類型，其中前者是對(duì)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的狹義理解，后者是對(duì)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的廣義理解。

從層次上看，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)可分為：終端\設(shè)備層、接入\網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用\業(yè)務(wù)層。其最大的特點(diǎn)是應(yīng)用和業(yè)務(wù)種類的多樣性（繼承了互聯(lián)網(wǎng)的特點(diǎn)），對(duì)應(yīng)的通信模式和服務(wù)質(zhì)量要求也各不相同：在接入層支持多種無(wú)線接入模式，但在網(wǎng)絡(luò)層以IP協(xié)議為主；終端種類繁多，注重個(gè)性化和智能化，一個(gè)終端上通常會(huì)同時(shí)運(yùn)行多種應(yīng)用。 嵌入式系統(tǒng)技術(shù)

2. 嵌入式系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)(Embedded System)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，并且軟硬件可裁剪，適用于應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它包括硬件和軟件兩部分。硬件包括微處理器、存儲(chǔ)器及外設(shè)器件和I／O端口、圖形控制器等；軟件部分包括操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序，有時(shí)設(shè)計(jì)人員把這兩種軟件組合在一起。操作系統(tǒng)控制著應(yīng)用程序與硬件的交互作用；而應(yīng)用程序控制著系統(tǒng)的運(yùn)作和行為。

嵌入式系統(tǒng)的核心是嵌入式微處理器(Embedded Microprocessor Unit, EMPU)，其在汽車、個(gè)人數(shù)字助理(PDA)甚至是家用電器領(lǐng)域都獲得了廣泛的運(yùn)用。

嵌入式微處理器一般具備4個(gè)特點(diǎn)：

對(duì)實(shí)時(shí)和多任務(wù)有很強(qiáng)的支持能力；具有功能很強(qiáng)的存儲(chǔ)區(qū)保護(hù)功能；可擴(kuò)展的處理器結(jié)構(gòu)；

嵌入式微處理器的功耗必須很低。

3.傳感器技術(shù)

傳感器是能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置，通常有敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。傳感器是一種物理裝置或生物器官，能夠探測(cè)、感受外界的信號(hào)、物理?xiàng)l件（如光、熱、濕度）或化學(xué)組成（如煙霧），并將探知的信息傳遞給其他裝置或器官。

傳感器屬于物聯(lián)網(wǎng)的神經(jīng)末梢，成為人類全面感知自然的最核心元件，各類傳感器的大規(guī)模部署和應(yīng)用是構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)不可或缺的基本條件。對(duì)應(yīng)不同的應(yīng)用我們提供不同的傳感器，覆蓋范圍包括智能工業(yè)、智能安保、智能家居、智能運(yùn)輸、智能醫(yī)療等等。

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)功能

（1）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(jiàn)的WSN技術(shù)就包括Lonworks、ZigBee、6LowPAN、RUBEE等。各類技術(shù)主要針對(duì)某一應(yīng)用展開(kāi)，缺乏兼容性和體系規(guī)劃，如Lonworks主要應(yīng)用于樓宇自動(dòng)化，RUBEE適用于惡意環(huán)境。如何實(shí)現(xiàn)協(xié)議的兼容性、接口和體系規(guī)劃，目前在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有多個(gè)組織在開(kāi)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(shí)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(shí)別的信令和控制指令。

（3）可管理能力

強(qiáng)大的管理能力，對(duì)于任何大型網(wǎng)絡(luò)都是必不可少的。首先要對(duì)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行管理，如注冊(cè)管理、權(quán)限管理、狀態(tài)監(jiān)管等。網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)子網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)的管理，如獲取節(jié)點(diǎn)的標(biāo)識(shí)、狀態(tài)、屬性、能量等以及遠(yuǎn)程喚醒、控制、診斷、升級(jí)和維護(hù)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(lái)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(duì)末梢網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)一管理。

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)層次結(jié)構(gòu)

（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(lái)自物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)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(yùn)營(yíng)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(lái)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(shí)，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(duì)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(shí)現(xiàn)兩者之間的相互轉(zhuǎn)換，達(dá)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。

（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(guò)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(shè)備，包含消息發(fā)送與消息接收兩個(gè)子模塊。消息發(fā)送模塊負(fù)責(zé)將經(jīng)過(guò)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(lái)自底層設(shè)備的消息，發(fā)送至標(biāo)準(zhǔn)消息構(gòu)成層進(jìn)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)。

網(wǎng)關(guān)信息交互流程

（1）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。

（2）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。

（5）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。

（6）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。

（7）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5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(wú)法統(tǒng)一控制和管理的問(wèn)題，達(dá)到屏蔽底層通信差異的目的，并使得最終用戶無(wú)需知道底層設(shè)備的具體通信細(xì)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同感知延伸層設(shè)備的統(tǒng)一訪問(wèn)。

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中解決了以下幾個(gè)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(jì)思路是以模塊化的方式實(shí)現(xiàn)軟硬件的各個(gè)部分，使得模塊之間的替換非常容易，以實(shí)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(jìn)行連接，軟件則采用模塊化可加載的方式運(yùn)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(kāi)發(fā)相應(yīng)的硬件模塊和驅(qū)動(dòng)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(lái)，按照TLV（type，length，value）的方式進(jìn)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(diǎn)即可，不需要關(guān)心節(jié)點(diǎn)是采用IP地址還是16位短地址，也不關(guān)心節(jié)點(diǎn)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(kāi)發(fā)，因此在網(wǎng)關(guān)中實(shí)現(xiàn)一種地址映射機(jī)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(guò)程中只需要關(guān)注這個(gè)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(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)時(shí)，將該節(jié)點(diǎn)的地址映射為1，后續(xù)的依次加1，將這個(gè)映射表保存在網(wǎng)關(guān)中。同時(shí)還采用老化機(jī)制，在一定時(shí)間內(nèi)沒(méi)有收到該節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)時(shí)，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(diǎn)通過(guò)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(duì)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(shí)現(xiàn)組網(wǎng)協(xié)議無(wú)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(duì)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(duì)所有可能下掛的模塊的輸入輸出數(shù)據(jù)格式進(jìn)行分析，然后分別定義了各個(gè)模塊對(duì)應(yīng)的通信接口配置字。

其他

網(wǎng)關(guān)與單片機(jī)間的通信——Zigbee

Zigbee是IEEE802.15.4協(xié)議的代名詞。根據(jù)這個(gè)協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種短距離、低功耗的無(wú)線通信技術(shù)。這一名稱來(lái)源與蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飛翔和“嗡嗡”(zig)地抖動(dòng)翅膀的“舞蹈”來(lái)與同伴傳遞花粉所在方位信息，也就是說(shuō)蜜蜂依靠這這樣的方式構(gòu)成了群體中的通信網(wǎng)絡(luò)。其特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本。主要適合用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。

所要實(shí)現(xiàn)的通訊功能為：無(wú)線自足網(wǎng)絡(luò)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)無(wú)線通訊和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無(wú)線通訊。智能網(wǎng)關(guān)與單片機(jī)之間通信的建立都需要無(wú)線自組網(wǎng)絡(luò)、建立連接、鑒權(quán)、通信幾個(gè)過(guò)程。

開(kāi)發(fā)板上的DEBUG COM與PC的串口1相連（串口線為公母線）。 開(kāi)發(fā)板上的ttys4與zigbee的主模塊的串口相連（串口線為雙公線）。

開(kāi)發(fā)板接7.5V電源，zigbee主從模塊都接7.5V電源給zigbee模塊上電。

網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器間的通訊——socket

網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器間的通訊靠socket通訊來(lái)實(shí)現(xiàn)，通信雙方分為服務(wù)器和客戶端。服務(wù)器和客戶端的通信采用TCP協(xié)議，通信軟件流程如圖所示。

程序分為客戶端和服務(wù)器端，其中服務(wù)器首先建立起socket,然后本地端口綁定，接著就開(kāi)始與客戶端建立聯(lián)系，并向客戶端發(fā)送消息。客戶端則在建立socket之后調(diào)用connect函數(shù)來(lái)建立連接。在運(yùn)行時(shí)先啟動(dòng)服務(wù)器端，再啟動(dòng)客戶端。

網(wǎng)關(guān)與WLAN終端設(shè)備間的通訊——IEEE802.11b/g

通過(guò)嵌入式主機(jī)上的802.11b/g無(wú)線模塊向100米范圍內(nèi)的WLAN終端設(shè)備提供無(wú)線接入功能，并與WLAN終端進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。

IEEE最初制定的一個(gè)無(wú)線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，主要用于解決辦公室局域網(wǎng)和校園網(wǎng)中，用戶與用戶終端的無(wú)線接入，業(yè)務(wù)主要限于數(shù)據(jù)存取，速率最高只能達(dá)到2Mbps。目前，3Com等公司都有基于該標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線網(wǎng)卡。由于802.11在速率和傳輸距離上都不能滿足人們的需要，因此，IEEE小組又相繼推出了802.11b和802.11a兩個(gè)新標(biāo)準(zhǔn)。三者之間技術(shù)上的主要差別在于MAC子層和物理層。

可以通過(guò)腳本實(shí)現(xiàn)wifi連接。linux腳本有一些固定格式。程序必須以#!/bin/sh開(kāi)始（必須方在文件的第一行），以#開(kāi)頭的句子表示注釋。腳本中的某些命令執(zhí)行需要一些時(shí)間，在該命令之后要加上sleep num(s例如sleep 5即等待5s)。根據(jù)這些規(guī)則直接將命令集合在一起就形成一個(gè)使用wifi網(wǎng)卡的腳本。

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