陳楚兵

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物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的研究和實(shí)現(xiàn)方案

陳楚兵

公誠管理咨詢有限公司，廣東 廣州 510610

隨著傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)以及云計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)在倉儲(chǔ)物流、智能電網(wǎng)等各個(gè)領(lǐng)域都得到了重要的應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)主要應(yīng)用的協(xié)議為ZigBee協(xié)議，ZigBee協(xié)議與傳統(tǒng)的TCP/IP協(xié)議不兼容，符合實(shí)現(xiàn)二者的融合至關(guān)重要。從物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用體系架構(gòu)分析入手，探討了物聯(lián)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的需求，從硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究了網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

物聯(lián)網(wǎng)；網(wǎng)關(guān)；技術(shù)；設(shè)計(jì)；實(shí)現(xiàn)方案

物聯(lián)網(wǎng)一經(jīng)提出就受到了廣泛的關(guān)注，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以傳感器網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，其主要應(yīng)用的協(xié)議為ZigBee協(xié)議，相較于傳統(tǒng)無線傳輸技術(shù)，ZigBee協(xié)議有著低功耗和簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)。而在物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用過程中，如何促進(jìn)ZigBee協(xié)議與互聯(lián)網(wǎng)TCP/IP協(xié)議的融合是關(guān)鍵，這就對(duì)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了一定要求?；谝陨希疚暮?jiǎn)要研究了物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)關(guān)鍵技術(shù)和實(shí)現(xiàn)方案。

1 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用體系架構(gòu)

1.1 感應(yīng)層

感知層主要分為兩部分，分別是傳感網(wǎng)絡(luò)部分和數(shù)據(jù)采集設(shè)備部分，感知層能夠獲取物理世界的數(shù)據(jù)。主要的數(shù)據(jù)采集設(shè)備有傳感器、攝像頭等。

1.2 傳輸層

傳輸層以互聯(lián)網(wǎng)和通信網(wǎng)為基礎(chǔ)，將通信網(wǎng)和感知網(wǎng)結(jié)合，其涉及到網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信技術(shù)，主要功能是傳輸感知層所獲取的數(shù)據(jù)。

1.3 應(yīng)用層

應(yīng)用層指的是各種應(yīng)用終端，是最終提供服務(wù)的層級(jí)，其主要功能是解決信息數(shù)據(jù)處理問題和提供相應(yīng)的服務(wù)[1]。

2 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)需求

2.1 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)是傳感器網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)之間連接的橋梁，而數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)是物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)最為基本的功能，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)不僅要能夠正確的接收互聯(lián)網(wǎng)終端和傳感器網(wǎng)絡(luò)終端發(fā)送來的數(shù)據(jù)，同時(shí)要能夠向傳感器網(wǎng)絡(luò)終端和互聯(lián)網(wǎng)終端發(fā)送數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)功能。通過物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的中轉(zhuǎn)作用實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)終端和傳感器網(wǎng)絡(luò)終端之間的數(shù)據(jù)傳輸。

2.2 協(xié)議轉(zhuǎn)換

協(xié)議轉(zhuǎn)換也是物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的重要功能，當(dāng)ZigBee節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)被接收到的時(shí)候，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)要以ZigBee協(xié)議規(guī)范為基礎(chǔ)對(duì)網(wǎng)絡(luò)層、PHY層以及MAC層的包頭進(jìn)行去除，在處理應(yīng)用層數(shù)據(jù)之后根據(jù)TCP/IP協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)重新封裝數(shù)據(jù)，將處理之后的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)發(fā)送出去，對(duì)于相反方向的數(shù)據(jù)傳輸來說，則需要與之類似的流程，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)不僅要具有ZigBee協(xié)議棧，同時(shí)要具有TCP/IP協(xié)議棧，以此來保證協(xié)議轉(zhuǎn)換功能的實(shí)現(xiàn)[2]。其具體的轉(zhuǎn)換流程如圖1所示：

圖1 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)協(xié)議轉(zhuǎn)換流程

2.3 管理控制

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)還應(yīng)當(dāng)具備管理控制功能，其主要管理和控制的對(duì)象為傳感器節(jié)點(diǎn)，例如物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)要能夠接收應(yīng)用命令并處理應(yīng)用命令，之后將處理過的命令下達(dá)給傳感器節(jié)點(diǎn)，這就實(shí)現(xiàn)了對(duì)網(wǎng)關(guān)下層傳感器網(wǎng)絡(luò)的管理和控制。

3 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

ARM開發(fā)板、GPRS無線通信以及Sink節(jié)點(diǎn)是組成物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的三大模塊，其具體的構(gòu)成如圖2所示。

圖2 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采用ARM9架構(gòu)的處理器，MSP430作為感知節(jié)點(diǎn)的處理器，CC2420作為感知節(jié)點(diǎn)的無線通信模塊，無線收發(fā)模塊以ZigBee芯片為基礎(chǔ)，嵌入到系統(tǒng)中，子節(jié)點(diǎn)之間能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，采用EM310作為GPRS的無線通信模塊，其能夠?qū)崿F(xiàn)物理世界與傳感器網(wǎng)絡(luò)之間的聯(lián)系[3]。通過sink對(duì)節(jié)點(diǎn)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送，網(wǎng)關(guān)接受節(jié)點(diǎn)收集到的數(shù)據(jù)，UART串口能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)關(guān)和sink節(jié)點(diǎn)直接的連接，這就構(gòu)成了上傳數(shù)據(jù)和下達(dá)命令的通道。

3.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)位于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的傳輸層，感知節(jié)點(diǎn)屬于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的感知層，其能夠?qū)崿F(xiàn)傳感數(shù)據(jù)的收集，在收集之后將數(shù)據(jù)上報(bào)給網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)下達(dá)的命令也由感知節(jié)點(diǎn)接收。在感知節(jié)點(diǎn)中設(shè)置數(shù)據(jù)處理模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)上傳數(shù)據(jù)和下達(dá)命令的解析，在傳感網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部還需要完成時(shí)間同步工作和數(shù)據(jù)收集工作，這些工作的完成依賴于基礎(chǔ)服務(wù)模塊和傳輸協(xié)議。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)位于管理平臺(tái)和感知節(jié)點(diǎn)之間，網(wǎng)關(guān)能夠接收管理平臺(tái)下發(fā)的命令，并能夠?qū)⒚罾^續(xù)下達(dá)給感知節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)還能夠接收感知節(jié)點(diǎn)上傳的數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)上報(bào)給管理平臺(tái)[4]。在接收和下達(dá)管理平臺(tái)命令的時(shí)候依賴于以太網(wǎng)和GPRS網(wǎng)的交互模塊，在接收和發(fā)送感知節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的時(shí)候依賴于串口讀寫模塊。設(shè)置命令映射模塊完成對(duì)命令的解析，對(duì)命令屬性進(jìn)行判斷，設(shè)置協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊對(duì)感知節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析，之后重新封裝處理，將其處理為管理平臺(tái)適合接收和識(shí)別的格式。網(wǎng)關(guān)本身的管理功能則能夠完成配置管理工作和日志管理工作，對(duì)網(wǎng)關(guān)事件和配置信息完成記錄，同時(shí)實(shí)現(xiàn)上傳。

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的應(yīng)用管理層是管理平臺(tái)，對(duì)網(wǎng)關(guān)命令的下達(dá)和數(shù)據(jù)的收取工作由管理平臺(tái)來完成，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)和傳感網(wǎng)絡(luò)的有效管理，管理平臺(tái)接收的數(shù)據(jù)都在數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)，用戶能夠通過界面實(shí)現(xiàn)操控，其能夠?qū)鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)關(guān)的配置，從而完成其對(duì)于網(wǎng)關(guān)和傳感網(wǎng)的管理功能。

此外，管理平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和分析，這就為用戶的管理和操控提供了依據(jù)。從本質(zhì)上來講，管理平臺(tái)能夠提供用戶管理接口，其能夠通過對(duì)網(wǎng)管的操作來實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感網(wǎng)和網(wǎng)關(guān)的管理。

4 實(shí)現(xiàn)方案

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)啟動(dòng)之后會(huì)對(duì)應(yīng)用程序進(jìn)行初始化設(shè)置，上述物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)GPRS交互和TCP交互兩種交互方式。GPRS交互中，首先發(fā)送AT指令來對(duì)交互模塊進(jìn)行啟動(dòng)，之后對(duì)串口通信速率進(jìn)行合理的設(shè)定，對(duì)socket的連接進(jìn)行建立，為之后的通信過程做好準(zhǔn)備；在TCP交互中，首先對(duì)配置信息進(jìn)行讀取，之后建立socket連接來為之后的交互做好準(zhǔn)備。

在物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)初始化設(shè)置完成之后對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)聽，以外部事件響應(yīng)類型為基礎(chǔ)來進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)[5]。在接收到以太網(wǎng)數(shù)據(jù)之后，則對(duì)其進(jìn)行判斷，如果是管理平臺(tái)下達(dá)的命令則進(jìn)行進(jìn)一步判斷，如果命令是要對(duì)網(wǎng)管側(cè)信息進(jìn)行獲取，則對(duì)交互模塊進(jìn)行調(diào)用，進(jìn)行信息發(fā)送，如果命令是對(duì)傳感網(wǎng)下達(dá)的命令，則需要進(jìn)一步解析，應(yīng)用串口讀寫模塊將命令發(fā)送給傳感網(wǎng)，如果獲取傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)，則對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，將數(shù)據(jù)發(fā)送到管理平臺(tái)中。這就是物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的實(shí)現(xiàn)過程。

5 結(jié)語

綜上所述，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)有著至關(guān)重要的作用，其是傳感網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)之間連接的橋梁。研究以ZigBee協(xié)議為基礎(chǔ)，研究了物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，旨在為物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)設(shè)計(jì)提供參考。

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TN929.5；TP391.44

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1009-6434（2016）04-0071-02