物聯網網關概念

物聯網網關，作為一個新的名詞，在未來的物聯網時代將會扮演非常重要的角色，它將成為連接感知網絡與傳統通信網絡的紐帶。作為網關設備，物聯網網關可以實現感知網絡與通信網絡，以及不同類型感知網絡之間的協議轉換．既可以實現廣域互聯．也可以實現局域互聯。此外物聯網網關還需要具備設備管理功能，運營商通過物聯網網關設備可以管理底層的各感知節點，了解各節點的相關信息，并實現遠程控制。

物聯網網關相關技術

1.移動互聯網技術

移動互聯網已成為全球關注的熱點。就如移動語音是相對于固定電話而言，移動互聯網是相對固定互聯網而言的。雖然目前業界對移動互聯網并沒有一個統一定義，但對其概念卻有一個基本的判斷，即從網絡角度來看，移動互聯網是指以寬帶IP為技術核心，可同時提供語音、數據、多媒體等業務服務的開V放式基礎電信網絡；從用戶行為角度來看，移動互聯網是指采用移動終端通過移動通信網絡訪問互聯網并使用互聯網業務，這里對于移動終端的理解既可以認為是手機也可以認為是包括手機在內的上網本、PDA、數據卡方式的筆記本電腦等多種類型，其中前者是對移動互聯網的狹義理解，后者是對移動互聯網的廣義理解。

從層次上看，移動互聯網可分為：終端\設備層、接入\網絡層和應用\業務層。其最大的特點是應用和業務種類的多樣性（繼承了互聯網的特點），對應的通信模式和服務質量要求也各不相同：在接入層支持多種無線接入模式，但在網絡層以IP協議為主；終端種類繁多，注重個性化和智能化，一個終端上通常會同時運行多種應用。 嵌入式系統技術

2. 嵌入式系統

嵌入式系統(Embedded System)是以應用為中心，以計算機技術為基礎，并且軟硬件可裁剪，適用于應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統。它包括硬件和軟件兩部分。硬件包括微處理器、存儲器及外設器件和I／O端口、圖形控制器等；軟件部分包括操作系統和應用程序，有時設計人員把這兩種軟件組合在一起。操作系統控制著應用程序與硬件的交互作用；而應用程序控制著系統的運作和行為。

嵌入式系統的核心是嵌入式微處理器(Embedded Microprocessor Unit, EMPU)，其在汽車、個人數字助理(PDA)甚至是家用電器領域都獲得了廣泛的運用。

嵌入式微處理器一般具備4個特點：

對實時和多任務有很強的支持能力；具有功能很強的存儲區保護功能；可擴展的處理器結構；

嵌入式微處理器的功耗必須很低。

3.傳感器技術

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

傳感器屬于物聯網的神經末梢，成為人類全面感知自然的最核心元件，各類傳感器的大規模部署和應用是構成物聯網不可或缺的基本條件。對應不同的應用我們提供不同的傳感器，覆蓋范圍包括智能工業、智能安保、智能家居、智能運輸、智能醫療等等。

物聯網網關功能

（1）廣泛的接入能力

目前用于近程通信的技術標準很多，僅常見的WSN技術就包括Lonworks、ZigBee、6LowPAN、RUBEE等。各類技術主要針對某一應用展開，缺乏兼容性和體系規劃，如Lonworks主要應用于樓宇自動化，RUBEE適用于惡意環境。如何實現協議的兼容性、接口和體系規劃，目前在國內外已經有多個組織在開展物聯網網關的標準化工作，如3GPP、傳感器工作組，以實現各種通信技術標準的互聯互通。

（2）協議轉換能力

從不同的感知網絡到接入網絡的協議轉換，將下層的標準格式的數據統一封裝，保證不同的感知網絡的協議能夠變成統一的數據和信令；將上層下發的數據包解析成感知層協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，對于任何大型網絡都是必不可少的。首先要對網關進行管理，如注冊管理、權限管理、狀態監管等。網關實現子網內節點的管理，如獲取節點的標識、狀態、屬性、能量等以及遠程喚醒、控制、診斷、升級和維護等。由于子網的技術標準不同，協議的復雜性不同，所以網關具有的管理能力不同。本文提出基于模塊化物聯網網關方式來管理不同的感知網絡、不同的應用，保證能夠使用統一的管理接口技術對末梢網絡節點進行統一管理。

物聯網網關層次結構

（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準消息，將消息傳遞給標準消息構成層。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準的消息格式。

（2）標準消息構成層

標準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準消息，調用消息轉換模塊將標準消息轉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為業務服務層能夠接收的標準格式的消息。消息構成層是物聯網網關的核心，完成對標準消息以及依賴于特定感知延伸網絡的消息的解析，并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后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，發送至標準消息構成層進行解析。

感知延伸網絡由感知設備組成，包括射RFID、GPS、視頻監控系統、各類型傳感器等。感知延伸設備之間支持多種通信協議，可以組成Lonworks和Zigbee以及其他多種感知延伸網絡。

網關信息交互流程

（1）最終用戶產生符合標準數據格式的消息，并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準消息發送至標準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，將標準信息轉換為依賴于具體設備通信協議的消息。

（4）消息解析模塊將轉換為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，并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準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為標準消息。

從圖5可以看出，物聯網網關解決了物聯網網絡內不同設備無法統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，實現對不同感知延伸層設備的統一訪問。

物聯網網關系統設計中解決了以下幾個關鍵技術

軟件交互協議的統一：物聯網網關系統的設計思路是以模塊化的方式實現軟硬件的各個部分，使得模塊之間的替換非常容易，以實現不同的感知延伸網絡和接入網絡互聯，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，支持新的數據匯聚模塊和接入模塊則只需要開發相應的硬件模塊和驅動程序即可。另外，添加統一的協議適配層（如圖6所示），將應用數據統一提取出來，按照TLV（type，length，value）的方式進行組織，然后封裝數據包。使得在接入網絡中傳輸的都是標準的IP數據包，其中封裝了TLV格式的采集數據。

統一地址轉換：不同的數據采集網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點即可，不需要關心節點是采用IP地址還是16位短地址，也不關心節點間的組網是采用ZigBee還是6LowPan或者其他方式。將這些地址轉換為統一的表示方式，有利于應用的開發，因此在網關中實現一種地址映射機制，將IP或者16位短地址映射為統一的ID，在與應用交互過程中只需要關注這個ID即可。具體的映射方式可以采用從1累加的方式，當網關接收到第一個節點數據時，將該節點的地址映射為1，后續的依次加1，將這個映射表保存在網關中。同時還采用老化機制，在一定時間內沒有收到該節點的數據時，將此條映射關系刪除。

采集模塊數據接口的統一：采集模塊與網關之間定義AT指令集，節點通過ZigBee協議組網。在與網關的接口之間只關注一些對采集模塊的控制指令和數據交互指令，不關注具體的組網協議，實現組網協議無關性。

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掛的模塊的輸入輸出數據格式進行分析，然后分別定義了各個模塊對應的通信接口配置字。

其他

網關與單片機間的通信——Zigbee

Zigbee是IEEE802.15.4協議的代名詞。根據這個協議規定的技術是一種短距離、低功耗的無線通信技術。這一名稱來源與蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飛翔和“嗡嗡”(zig)地抖動翅膀的“舞蹈”來與同伴傳遞花粉所在方位信息，也就是說蜜蜂依靠這這樣的方式構成了群體中的通信網絡。其特點是近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本。主要適合用于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備。

所要實現的通訊功能為：無線自足網絡、點對多點無線通訊和點對點無線通訊。智能網關與單片機之間通信的建立都需要無線自組網絡、建立連接、鑒權、通信幾個過程。

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

開發板接7.5V電源，zigbee主從模塊都接7.5V電源給zigbee模塊上電。

網關與服務器間的通訊——socket

網關與服務器間的通訊靠socket通訊來實現，通信雙方分為服務器和客戶端。服務器和客戶端的通信采用TCP協議，通信軟件流程如圖所示。

程序分為客戶端和服務器端，其中服務器首先建立起socket,然后本地端口綁定，接著就開始與客戶端建立聯系，并向客戶端發送消息。客戶端則在建立socket之后調用connect函數來建立連接。在運行時先啟動服務器端，再啟動客戶端。

網關與WLAN終端設備間的通訊——IEEE802.11b/g

通過嵌入式主機上的802.11b/g無線模塊向100米范圍內的WLAN終端設備提供無線接入功能，并與WLAN終端進行無線數據傳輸。

IEEE最初制定的一個無線局域網標準，主要用于解決辦公室局域網和校園網中，用戶與用戶終端的無線接入，業務主要限于數據存取，速率最高只能達到2Mbps。目前，3Com等公司都有基于該標準的無線網卡。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兩個新標準。三者之間技術上的主要差別在于MAC子層和物理層。

可以通過腳本實現wifi連接。linux腳本有一些固定格式。程序必須以#!/bin/sh開始（必須方在文件的第一行），以#開頭的句子表示注釋。腳本中的某些命令執行需要一些時間，在該命令之后要加上sleep num(s例如sleep 5即等待5s)。根據這些規則直接將命令集合在一起就形成一個使用wifi網卡的腳本。

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