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  物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)可以實現(xiàn)感知網(wǎng)絡(luò)和基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)以及不同類型的感知網(wǎng)絡(luò)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換， 既可以實現(xiàn)廣域互聯(lián)，也可以實現(xiàn)局域互聯(lián)。本物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)計面向感知網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)數(shù)據(jù)感知環(huán)境，為有效屏蔽底層通信差異化進行有效網(wǎng)絡(luò)融合和數(shù)據(jù)通信，采用模塊化設(shè)計、統(tǒng)一數(shù)據(jù)表示、統(tǒng)一地址轉(zhuǎn)換等實現(xiàn)。下面從物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的層次結(jié)構(gòu)、信息交互流程和系統(tǒng)實現(xiàn)3 個方面來進行闡述。

  一、層次結(jié)構(gòu)

  物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)支持感知延伸設(shè)備之間的多種通信協(xié)議和數(shù)據(jù)類型，實現(xiàn)多種感知延伸設(shè)備之間數(shù)據(jù)通信格式的轉(zhuǎn)換，對上傳的數(shù)據(jù)格式進行統(tǒng)一，同時對下達到感知延伸網(wǎng)絡(luò)的采集或控制命令進行映射，產(chǎn)生符合具體設(shè)備通信協(xié)議的消息。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)對感知延伸設(shè)備進行統(tǒng)一控制與管理，向上層屏蔽底層感知延伸網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)性，共分為4 層，分別為業(yè)務(wù)服務(wù)層、標(biāo)準(zhǔn)消息構(gòu)成層、協(xié)議適配層和感知延伸層，如圖2 所示。

  (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。消息接收模塊負責(zé)接收來自物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)運營管理系統(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)送模塊負責(zé)向業(yè)務(wù)運營管理系統(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，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，并實現(xiàn)兩者之間的相互轉(zhuǎn)換，達到統(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)送與消息接收兩個子模塊。消息發(fā)送模塊負責(zé)將經(jīng)過消息構(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自底層設(shè)備的消息，發(fā)送至標(biāo)準(zhǔn)消息構(gòu)成層進行解析。

  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)。

  二、信息交互流程

  圖3 展示了物聯(lián)網(wǎng)中信息交互流程，具體流程分析如下。

  (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3 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(shè)備的具體通信細節(jié)，實現(xiàn)對不同感知延伸層設(shè)備的統(tǒng)一訪問。

  三、系統(tǒng)設(shè)計

  基于物聯(lián)網(wǎng)的典型應(yīng)用結(jié)構(gòu)如圖4 所示。無線傳感器節(jié)點采集相應(yīng)數(shù)據(jù)信息，通過無線多跳自組織方式將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)關(guān)， 固定式閱讀器讀取RFID 標(biāo)簽內(nèi)容發(fā)送到網(wǎng)關(guān); 網(wǎng)關(guān)將這些數(shù)據(jù)通過WCDMA 網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到服務(wù)器;服務(wù)器對這些數(shù)據(jù)進行處理、存儲，并提供一個信息平臺，供用戶(包括PC 用戶和手機用戶)使用。從圖4 中可以看出物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)是架起感知網(wǎng)絡(luò)和接入網(wǎng)絡(luò)的橋梁，扮演著重要的角色。

  在物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)計時，采用模塊化思想，設(shè)計面向不同感知網(wǎng)絡(luò)和基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)通用低成本的網(wǎng)關(guān)。按照模塊化的思想，將物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)匯集模塊、處理/存儲模塊、接入模塊和供電模塊，如圖5(a)所示。

  數(shù)據(jù)匯聚模塊： 實現(xiàn)物理世界數(shù)據(jù)的采集或者匯聚。

  本網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)采用傳感器網(wǎng)絡(luò)的匯聚節(jié)點和RFID 網(wǎng)絡(luò)的閱讀器作為數(shù)據(jù)匯集設(shè)備。

  處理/存儲模塊： 是網(wǎng)關(guān)的核心模塊， 它實現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換、管理、安全等各個方面的數(shù)據(jù)處理及存儲。

  接入模塊：將網(wǎng)關(guān)接入廣域網(wǎng)，可能采用的方式包括有線(以太、ADSL、FTTx 等)、無線(WLAN、GPRS、3G 和衛(wèi)星等)，本系統(tǒng)采用WCDMA 的接入方式。

  供電管理模塊：負責(zé)整套系統(tǒng)的電源供給，系統(tǒng)的穩(wěn)定運行與電源模塊的穩(wěn)定性能關(guān)系密切，此處設(shè)計的電源模塊兼有熱插拔和電壓轉(zhuǎn)換功能。可能的供電方式包括市電、太陽能、蓄電池等。

  數(shù)據(jù)匯聚模塊和處理/存儲模塊之間的接口類型采用UART 方式。接入模塊和處理/存儲模塊之間的接口類型采用PCIE 方式。網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計時采用分層結(jié)構(gòu)，最后在應(yīng)用層實現(xiàn)協(xié)議數(shù)據(jù)的相互轉(zhuǎn)換。在進行物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)硬件模塊化的同時，實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)的軟件功能的模塊化，不同的硬件模塊對應(yīng)不同的驅(qū)動模塊;采用動態(tài)可加載方式運行，分別提取出接入模塊和數(shù)據(jù)匯集模塊的公共驅(qū)動，根據(jù)接入的硬件模塊不同加載不同的驅(qū)動模塊，達到驅(qū)動硬件模塊的目的，如圖5(b)所示。

  四、關(guān)鍵技術(shù)

  物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)設(shè)計中解決了以下幾個關(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(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(yīng)的硬件模塊和驅(qū)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(yīng)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(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)點即可，不需要關(guān)心節(jié)點是采用IP 地址還是16 位短地址，也不關(guān)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(zhuǎn)換為統(tǒng)一的表示方式，有利于應(yīng)用的開發(fā)，因此在網(wǎng)關(guān)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(yīng)用交互過程中只需要關(guān)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(dāng)網(wǎng)關(guān)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(guān)中。同時還采用老化機制， 在一定時間內(nèi)沒有收到該節(jié)點的數(shù)據(jù)時，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)點通過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，實現(xiàn)組網(wǎng)協(xié)議無關(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(yīng)的通信接口配置字。

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