高麗

摘要：近年來，物聯(lián)網(wǎng)（IoT）技術(shù)已經(jīng)引起了很多關(guān)注，其能使不可識別的對象成為可識別的、互連的智能對象。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用離不開互聯(lián)網(wǎng)，事物信息需要上傳到互聯(lián)網(wǎng)，使得全球互聯(lián)網(wǎng)用戶可以共享事物信息。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN），作為物聯(lián)網(wǎng)的基本技術(shù)，可以收集、傳輸信息。而將信息傳送到Internet需要網(wǎng)關(guān)作為橋接點(diǎn)。該文主要論述了物聯(lián)網(wǎng)中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）和傳～I(xiàn)nternet網(wǎng)連接所用到的網(wǎng)關(guān)及其相關(guān)研究。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；互聯(lián)網(wǎng)；WSN；網(wǎng)關(guān)

1概述

計(jì)算機(jī)技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，推動了物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。作為一種新興技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)（IoT）技術(shù)允許嵌入有線/無線通信接口的多個智能對象自動地彼此通信和交互，有望為改變現(xiàn)有工業(yè)系統(tǒng)運(yùn)行提供更好的解決方案。物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展可以支持各種應(yīng)用，包括智能電網(wǎng)，智能交通，醫(yī)學(xué)和醫(yī)療保健，智能藝術(shù)，智能物流，智能生活等。在物聯(lián)網(wǎng)方面，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)揮著重要作用，改變著人們生活，提供著各種信息。網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和傳統(tǒng)Internet網(wǎng)絡(luò)之間的互連。

2互聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)

2.1互聯(lián)網(wǎng)

如今，全世界約有二十億人使用互聯(lián)網(wǎng)瀏覽網(wǎng)絡(luò)，發(fā)送和接收電子郵件，訪問多媒體內(nèi)容和服務(wù)，玩游戲，使用社交網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序等等。令人值得注意的是互聯(lián)網(wǎng)將作為機(jī)器與智能對象通信、對話、計(jì)算的全球平臺。可以預(yù)見，在未來十年內(nèi)，互聯(lián)網(wǎng)將作為經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)對象的無縫結(jié)構(gòu)存在。因特網(wǎng)作為基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)連接到終端用戶的終端，它的常規(guī)概念將被淘汰，而這使得形成普遍計(jì)算環(huán)境的“智能”對象概念有更大的發(fā)展空間。

但是互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施不會消失。相反，它將保持在全球信息共享和傳播的重要作用，并且在廣泛的服務(wù)和技術(shù)中，使物理對象和計(jì)算/通信能力互連。

2.2物聯(lián)網(wǎng)

術(shù)語物聯(lián)網(wǎng)最早由Kevin Ashton于1999年在供應(yīng)鏈管理的背景下提出的。然而，隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，該定義涵蓋了更廣泛的應(yīng)用，如醫(yī)療保健，公用事業(yè)，運(yùn)輸?shù)?。雖然“things”的定義隨著技術(shù)的發(fā)展而改變，但是主要目標(biāo)保持不變一在沒有人類干預(yù)的情況下，計(jì)算機(jī)仍能感知信息。依賴于傳感，通信，網(wǎng)絡(luò)，和信息處理技術(shù)的眾多連接設(shè)備組成了全球網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，IoT就可以被認(rèn)為是一個全球網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。從結(jié)構(gòu)上看，物聯(lián)網(wǎng)可以分為：應(yīng)用層，網(wǎng)絡(luò)層和感知層。物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

物聯(lián)網(wǎng)（IoT）通過利用無線電頻率識別（RFID），無線，移動和傳感器設(shè)備，為構(gòu)建強(qiáng)大的工業(yè)系統(tǒng)和應(yīng)用提供了一個機(jī)會。loT的基本技術(shù)是RFID技術(shù)，其允許微芯片通過無線通信將識別信息發(fā)送到讀取器。通過RFID讀取器，人們可以自動識別，跟蹤和監(jiān)視附著有RFID標(biāo)簽的任何物體。RFID已經(jīng)廣泛應(yīng)用于物流，制藥生產(chǎn)，零售和供應(yīng)鏈管理。物聯(lián)網(wǎng)的另一個基礎(chǔ)技術(shù)是傳感器技術(shù)。大量的傳感器集成到網(wǎng)絡(luò)中形成無線傳感網(wǎng)絡(luò)（WSN），使互連的智能傳感器監(jiān)測和采集數(shù)據(jù)。WSN主要應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測，醫(yī)療監(jiān)控，工業(yè)監(jiān)控，交通監(jiān)控等。RFID和WSN的進(jìn)步促進(jìn)了物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。除此之外，隨著條形碼，云計(jì)算技術(shù)，智能手機(jī)，社交網(wǎng)絡(luò)等的不斷發(fā)展，對支持物聯(lián)網(wǎng)有著重要意義。物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)如圖2所示。

由于對諸如RFID標(biāo)簽，嵌入式傳感器，執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)等各種有能力的無線技術(shù)的適應(yīng)，物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)走出了它的嬰兒期，將互聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆傻奈磥砘ヂ?lián)網(wǎng)。隨著無線通信，智能手機(jī)和傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的網(wǎng)絡(luò)事物和智能對象開始加人物聯(lián)網(wǎng)。

3WSN與網(wǎng)關(guān)

3.1WSN

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks，WSN）作為物聯(lián)網(wǎng)的基本啟用技術(shù)，將多個空間分布式自主傳感器集成到網(wǎng)絡(luò)中，并通過無線通信協(xié)作傳遞數(shù)據(jù)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的示意圖如圖3所示。在WSN中，節(jié)點(diǎn)分為匯聚節(jié)點(diǎn)（Sink節(jié)點(diǎn)）和傳感節(jié)點(diǎn)（Sensor節(jié)點(diǎn)）。傳感節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)，以多跳的方式傳送到匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)將收到的數(shù)據(jù)通過有線或無線方式傳輸?shù)竭h(yuǎn)端的用戶。無線傳感網(wǎng)絡(luò)是由大量節(jié)點(diǎn)設(shè)備組成的，單個節(jié)點(diǎn)設(shè)備的計(jì)算能力、存儲能力和通信帶寬都是有限的。如果需要傳感器節(jié)點(diǎn)長時間工作，能源消耗最小化是十分有必要的。

3.2網(wǎng)關(guān)

傳感器網(wǎng)絡(luò)為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸信息，通過無線網(wǎng)絡(luò)將傳感器節(jié)點(diǎn)收集的信息通過sink節(jié)點(diǎn)連入互聯(lián)網(wǎng)中，這種跨傳感器網(wǎng)絡(luò)和傳統(tǒng)Internet網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)就是網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)雛形。在實(shí)際應(yīng)用中，WSN網(wǎng)絡(luò)不能以一個獨(dú)立的通信形式存在。網(wǎng)絡(luò)中檢測到的數(shù)據(jù)需要上傳到互聯(lián)網(wǎng)，在傳感器網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)之間存在的橋接點(diǎn)就是網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)絡(luò)可以通過網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)連接到更高級別的系統(tǒng)。在傳感器網(wǎng)絡(luò)和通過因特網(wǎng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)方面，這些網(wǎng)關(guān)具有建設(shè)性控制。在文獻(xiàn)中，利用網(wǎng)關(guān)的戰(zhàn)略位置，提出了智能電子健康網(wǎng)關(guān)，從成本效益分析的角度闡述了智能電子健康網(wǎng)關(guān)的功能及其提供的服務(wù)。

4網(wǎng)關(guān)研究

4.1WSN網(wǎng)關(guān)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）網(wǎng)關(guān)的發(fā)展，對有限的基礎(chǔ)設(shè)施導(dǎo)致頻繁的電力短缺和網(wǎng)絡(luò)不可靠性的站點(diǎn)是一種挑戰(zhàn)。在中，提出了一個低功耗，低成本的802.15.4和802.11兼容解決方案，它使用開源軟件來滿足本地條件。系統(tǒng)優(yōu)先應(yīng)用于缺乏穩(wěn)定的電源和可靠的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的偏遠(yuǎn)地區(qū)。該系統(tǒng)基于Fox嵌入式Linux板，并配備了USB閃存驅(qū)動器和USB WiFi適配器。將WSN的數(shù)據(jù)需要存儲在具有電池備份的服務(wù)器中，這樣當(dāng)公用電源不可用時，也可以保證電力的連續(xù)供應(yīng)。

常規(guī)的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)類似于傳感器主要局限于在一個特定的固定或移動WSN方案來操作的節(jié)點(diǎn)，而增強(qiáng)型的WSN網(wǎng)關(guān)設(shè)備可以兼容多種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)之間的傳輸。作為高級移動終端出現(xiàn)的智能手機(jī)，特別適合這種作用。文獻(xiàn)中把增加了WSN網(wǎng)關(guān)功能的智能手機(jī)作為網(wǎng)關(guān)，在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中利用傳感器收集和匯總數(shù)據(jù)。在文獻(xiàn)中，關(guān)于定期專用傳感器和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)問題，作者研究了具備WSN網(wǎng)關(guān)功能的智能手機(jī)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮的作用。并給出了一個實(shí)際的例子一一個具有網(wǎng)關(guān)增強(qiáng)型功能的智能手機(jī)通過藍(lán)牙連接三星i8910手機(jī)和VESNA傳感器節(jié)點(diǎn)。

4.2異構(gòu)網(wǎng)關(guān)

物聯(lián)網(wǎng)可通過無線方式連接智能對象來建立，但由于它們使用不同的標(biāo)準(zhǔn)，有的甚至在不同的頻率上工作，而使得已嵌入到智能對象或控制器中的各種無線技術(shù)（包括藍(lán)牙，Zig-Bee，WiFi和紅外技術(shù)）不能交換信息。為了在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中提供信息交換，文獻(xiàn)提出了可與異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)集成的物聯(lián)網(wǎng)多接口網(wǎng)關(guān)，其可以將信息轉(zhuǎn)換為可被各種智能對象識別的數(shù)據(jù)。在實(shí)驗(yàn)中，物聯(lián)網(wǎng)多接口網(wǎng)關(guān)可以用于數(shù)字藝術(shù)或一些智能空間，可自動控制傳統(tǒng)電視，空調(diào)，智能電表，血壓計(jì)，智能手機(jī)等。實(shí)驗(yàn)表明物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)可以交換數(shù)據(jù)在各種智能對象中使用不同的無線技術(shù)，并保證數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時間的穩(wěn)定性。

4.3家庭網(wǎng)關(guān)

針對家庭自動化和智能家庭的研究越來越多，其研究重點(diǎn)在于如何利用HVAC（Heating，Ventilation and Air Conditioning）系統(tǒng)控制房間的采暖，通風(fēng)，空氣調(diào)節(jié)。HVAC系統(tǒng)的各種智能控制系統(tǒng)可以在文獻(xiàn)中找到。文獻(xiàn)提出了一種基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的新型智能家居控制系統(tǒng)，使家庭網(wǎng)絡(luò)更智能和自動化。文中給出了智能家居設(shè)備的描述和標(biāo)準(zhǔn)實(shí)踐，用來滿足在住宅或輕型商業(yè)環(huán)境下，智能能源所需的需求響應(yīng)和負(fù)載管理。文獻(xiàn)提出了一個基于云的智能家庭理論框架，使家庭自動化，可移動和互連。文中建議使用云計(jì)算和Web服務(wù)完善六個智能家庭應(yīng)用一家庭娛樂，安全，環(huán)境，健康，信息和通信，家用電器。為了節(jié)省能源和降低智能家居的成本，文獻(xiàn)提出了一種新型的智能家居控制系統(tǒng)，使用Android手機(jī)作為臨時家庭網(wǎng)關(guān)，而不是默認(rèn)家庭網(wǎng)關(guān)。其目的主要是通過預(yù)測用戶行為自動關(guān)閉未使用的設(shè)備以節(jié)省能耗。

5總結(jié)

隨著互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€方面有著極大改善。而在物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)未來的挑戰(zhàn)有以下兩個方面：1）針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）網(wǎng)關(guān)的發(fā)展，需要解決頻繁的電力短缺和網(wǎng)絡(luò)不可靠性。2）開發(fā)一種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)，它能夠集成異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中各種智能對象無線通信技術(shù)，并且設(shè)計(jì)的網(wǎng)關(guān)可以提高物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的傳輸效率。endprint