物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關概念

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關，作為一個新的名詞，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)絡與傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡的紐帶。作為網(wǎng)關設備，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關可以實現(xiàn)感知網(wǎng)絡與通信網(wǎng)絡，以及不同類型感知網(wǎng)絡之間的協(xié)議轉換．既可以實現(xiàn)廣域互聯(lián)．也可以實現(xiàn)局域互聯(lián)。此外物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關還需要具備設備管理功能，運營商通過物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關設備可以管理底層的各感知節(jié)點，了解各節(jié)點的相關信息，并實現(xiàn)遠程控制。

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關相關技術

1.移動互聯(lián)網(wǎng)技術

移動互聯(lián)網(wǎng)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(lián)網(wǎng)是相對固定互聯(lián)網(wǎng)而言的。雖然目前業(yè)界對移動互聯(lián)網(wǎng)并沒有一個統(tǒng)一定義，但對其概念卻有一個基本的判斷，即從網(wǎng)絡角度來看，移動互聯(lián)網(wǎng)是指以寬帶IP為技術核心，可同時提供語音、數(shù)據(jù)、多媒體等業(yè)務服務的開V放式基礎電信網(wǎng)絡；從用戶行為角度來看，移動互聯(lián)網(wǎng)是指采用移動終端通過移動通信網(wǎng)絡訪問互聯(lián)網(wǎng)并使用互聯(lián)網(wǎng)業(yè)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(wǎng)本、PDA、數(shù)據(jù)卡方式的筆記本電腦等多種類型，其中前者是對移動互聯(lián)網(wǎng)的狹義理解，后者是對移動互聯(lián)網(wǎng)的廣義理解。

從層次上看，移動互聯(lián)網(wǎng)可分為：終端\設備層、接入\網(wǎng)絡層和應用\業(yè)務層。其最大的特點是應用和業(yè)務種類的多樣性（繼承了互聯(lián)網(wǎng)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(wǎng)絡層以IP協(xié)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(tǒng)技術

2. 嵌入式系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)(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(tǒng)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(tǒng)。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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)的運作和行為。

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、個人數(shù)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(qū)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(guī)定的被測量并按照一定規(guī)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(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)模部署和應用是構成物聯(lián)網(wǎng)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(yè)、智能安保、智能家居、智能運輸、智能醫(yī)療等等。

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)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(guī)劃，如Lonworks主要應用于樓宇自動化，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，目前在國內外已經(jīng)有多個組織在開展物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關的標準化工作，如3GPP、傳感器工作組，以實現(xiàn)各種通信技術標準的互聯(lián)互通。

（2）協(xié)議轉換能力

從不同的感知網(wǎng)絡到接入網(wǎng)絡的協(xié)議轉換，將下層的標準格式的數(shù)據(jù)統(tǒng)一封裝，保證不同的感知網(wǎng)絡的協(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。

（3）可管理能力

強大的管理能力，對于任何大型網(wǎng)絡都是必不可少的。首先要對網(wǎng)關進行管理，如注冊管理、權限管理、狀態(tài)監(jiān)管等。網(wǎng)關實現(xiàn)子網(wǎng)內節(jié)點的管理，如獲取節(jié)點的標識、狀態(tài)、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(wǎng)的技術標準不同，協(xié)議的復雜性不同，所以網(wǎng)關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)關方式來管理不同的感知網(wǎng)絡、不同的應用，保證能夠使用統(tǒng)一的管理接口技術對末梢網(wǎng)絡節(jié)點進行統(tǒng)一管理。

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關層次結構

（1）業(yè)務服務層

業(yè)務服務層由消息接收模塊和消息發(fā)送模塊組成。消息接收模塊負責接收來自物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務運營管理系統(tǒng)的標準消息，將消息傳遞給標準消息構成層。消息發(fā)送模塊負責向業(yè)務運營管理系統(tǒng)可靠地傳送感知延伸網(wǎng)絡所采集的數(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(yè)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(xié)議的數(shù)據(jù)格式。當感知延伸層上傳數(shù)據(jù)時，該層的消息解析模塊則解析依賴于具體設備通信協(xié)議的消息，調用消息轉換模塊將其轉換為業(yè)務服務層能夠接收的標準格式的消息。消息構成層是物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關的核心，完成對標準消息以及依賴于特定感知延伸網(wǎng)絡的消息的解析，并實現(xiàn)兩者之間的相互轉換，達到統(tǒng)一控制和管理底層感知延伸網(wǎng)絡，向上屏蔽底層網(wǎng)絡通信協(xié)議異構性的目的。

（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)送模塊負責將經(jīng)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(fā)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(fā)送至標準消息構成層進行解析。

感知延伸網(wǎng)絡由感知設備組成，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。

網(wǎng)關信息交互流程

（1）最終用戶產(chǎn)生符合標準數(shù)據(jù)格式的消息，并將其發(fā)送至網(wǎng)關業(yè)務服務層的消息接收模塊。

（2）業(yè)務服務層消息接收模塊將標準消息發(fā)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(xié)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(xié)議的消息傳送至感知延伸服務層的消息發(fā)送模塊。

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

（6）底層設備根據(jù)特定消息執(zhí)行信息采集操作，并將結果返回給網(wǎng)關感知延伸服務層的消息接收模塊。

（7）網(wǎng)關的感知延伸服務層的消息接收模塊將依賴設備通信協(xié)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(xié)議的特定消息轉換為標準消息。

從圖5可以看出，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關解決了物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡內不同設備無法統(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備的具體通信細節(jié)，實現(xiàn)對不同感知延伸層設備的統(tǒng)一訪問。

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關系統(tǒng)設計中解決了以下幾個關鍵技術

軟件交互協(xié)議的統(tǒng)一：物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關系統(tǒng)的設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)絡和接入網(wǎng)絡互聯(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)相應的硬件模塊和驅動程序即可。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)絡中傳輸?shù)亩际菢藴实腎P數(shù)據(jù)包，其中封裝了TLV格式的采集數(shù)據(jù)。

統(tǒng)一地址轉換：不同的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)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(jié)點即可，不需要關心節(jié)點是采用IP地址還是16位短地址，也不關心節(jié)點間的組網(wǎng)是采用ZigBee還是6LowPan或者其他方式。將這些地址轉換為統(tǒng)一的表示方式，有利于應用的開發(fā)，因此在網(wǎng)關中實現(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(wǎng)關接收到第一個節(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)關中。同時還采用老化機制，在一定時間內沒有收到該節(jié)點的數(shù)據(jù)時，將此條映射關系刪除。

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)關的接口之間只關注一些對采集模塊的控制指令和數(shù)據(jù)交互指令，不關注具體的組網(wǎng)協(xié)議，實現(xiàn)組網(wǎng)協(xié)議無關性。

數(shù)據(jù)映射關系管理：如何管理網(wǎng)關連接的兩種或多種系統(tǒng)中的設備在通信數(shù)據(jù)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(wǎng)關所連接的不同，總線設備也有很大區(qū)別。本網(wǎng)關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的通信接口配置字。

其他

網(wǎng)關與單片機間的通信——Zigbee

Zigbee是IEEE802.15.4協(xié)議的代名詞。根據(jù)這個協(xié)議規(guī)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(wǎng)絡。其特點是近距離、低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)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(xiàn)的通訊功能為：無線自足網(wǎng)絡、點對多點無線通訊和點對點無線通訊。智能網(wǎng)關與單片機之間通信的建立都需要無線自組網(wǎng)絡、建立連接、鑒權、通信幾個過程。

開發(fā)板上的DEBUG COM與PC的串口1相連（串口線為公母線）。 開發(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)關與服務器間的通訊——socket

網(wǎng)關與服務器間的通訊靠socket通訊來實現(xiàn)，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(xié)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(lián)系，并向客戶端發(fā)送消息。客戶端則在建立socket之后調用connect函數(shù)來建立連接。在運行時先啟動服務器端，再啟動客戶端。

網(wǎng)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(shù)據(jù)傳輸。

IEEE最初制定的一個無線局域網(wǎng)標準，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線接入，業(yè)務主要限于數(shù)據(jù)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(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(xiàn)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(zhí)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(jù)這些規(guī)則直接將命令集合在一起就形成一個使用wifi網(wǎng)卡的腳本。

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