基于物聯(lián)網(wǎng)的嵌入式智能網(wǎng)關(guān)的研究與實現(xiàn)

李奇霏　馮異力

摘 要

隨著社會經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，激發(fā)了信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的浪潮，因此，物聯(lián)網(wǎng)出現(xiàn)在人們的視野中。物聯(lián)網(wǎng)是在計算機以及互聯(lián)網(wǎng)這兩大信息產(chǎn)業(yè)之后的又一次突破，其通過各種先進(jìn)的技術(shù)將人與物之間起來聯(lián)系，促使其進(jìn)行信息交流和通信，簡而言之就是物物相連的互聯(lián)網(wǎng)，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)則是聯(lián)系它們之間的主要橋梁，而且在整個物聯(lián)網(wǎng)體系當(dāng)中具有不可替代的作用。本文將對物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行介紹、對物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)硬件的設(shè)計以及物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)軟件的設(shè)計進(jìn)行研究，以此來幫助物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)技術(shù)在未來的路上進(jìn)一步發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】物聯(lián)網(wǎng) 嵌入式智能網(wǎng) 研究

事物之間是互相聯(lián)系的，世界經(jīng)濟(jì)不斷的融合，在這個大環(huán)境下，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)運而生。與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等相比較而言，目前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用更為廣泛，因此，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也得到了業(yè)界的廣泛關(guān)注，其不僅具有極其重要的價值，而且也具有廣闊的發(fā)展前景。

1 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的介紹

物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)主要分為三個方向：即感知層、網(wǎng)絡(luò)層以及應(yīng)用層。感知層就是通過人體的皮膚等，并借助傳感器設(shè)備去識別和采集信息；網(wǎng)絡(luò)層則是位于感知層與應(yīng)用層二者之間，主要是通過人體神經(jīng)系統(tǒng)，協(xié)助對信息的處理，綜合功能較強；應(yīng)用層處于頂層，能夠完成物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與其他技術(shù)進(jìn)行融合，為不同行業(yè)提供各種服務(wù)。

在傳感設(shè)備數(shù)量不足的情況下，將單一的設(shè)備接入公共網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中就能夠發(fā)揮功效。但是這種方式對資源造成了一定的浪費，因此，將設(shè)備匯集到一起并統(tǒng)一發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)層，能夠在節(jié)約資源的同時，完成數(shù)據(jù)的傳送，所以，就要在感知層與網(wǎng)絡(luò)層之間加一個匯聚層，這樣能夠成為二者之間提供良好溝通的紐帶，促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的順利發(fā)展。

1.1 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的分析

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)作為物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，其作用不容忽視，具備感知網(wǎng)絡(luò)接入、互通不同網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程監(jiān)控三種能力。

感知網(wǎng)絡(luò)，感知網(wǎng)絡(luò)是由多個功能傳感器網(wǎng)絡(luò)組成，比如：攝像頭、讀卡器等，由于這些傳感器所獲得的信息不同，導(dǎo)致它們沒有固定的方式接入，目前主要有有線與無線的區(qū)別。就目前的情況來看，有線接入相對比無線接入速度慢，無線接入目前使用的藍(lán)牙、無線網(wǎng)絡(luò)都能夠進(jìn)行快速的傳送，特別是無線網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)廣泛的用于手機等設(shè)備中，應(yīng)用范圍十分廣闊，因此，隨著無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的越來越好，日后也必將能成為主要的接入方式。

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互通，由于傳感器的不同，感知的信息也不同，那么就造成了數(shù)據(jù)之間的分離，交流數(shù)據(jù)就會相對麻煩，因此，就要求設(shè)置一個協(xié)議網(wǎng)絡(luò)在中間發(fā)揮作用，目前比較常用的協(xié)議網(wǎng)絡(luò)主要是Mod bus協(xié)議網(wǎng)絡(luò)，在許多領(lǐng)域都得到了有效的利用。

檢測控制管理，物聯(lián)網(wǎng)當(dāng)中的檢測控制管理主要是對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行監(jiān)控和管理，首先是網(wǎng)關(guān)中的不同功能模塊，能夠進(jìn)行更加靈活的控制，實現(xiàn)操作簡單、人機友好；其次是對網(wǎng)絡(luò)連接的集中管理。因此，檢測控制管理不僅僅是對自身的監(jiān)控，還能夠?qū)碜酝鈦淼木W(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制和管理。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的整體設(shè)計策略

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，為物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)提供了運行平臺，一種是傳統(tǒng)的PC平臺，另一種則是嵌入式平臺。由于近年來人們對系統(tǒng)的要求越來越高，嵌入式系統(tǒng)以其獨特的優(yōu)勢，內(nèi)核小、專用性強等優(yōu)勢，占據(jù)許多領(lǐng)域的主導(dǎo)地位，比如：交通、環(huán)境等領(lǐng)域。本文介紹對物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的設(shè)計方案主要有六種，通過實驗證明，ARM+Linux具有一定的優(yōu)越性，兼容性強，是物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)軟硬件重要的發(fā)展的平臺。

2 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)硬件的設(shè)計

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的運行環(huán)境相對較差，但要求卻很高，要求其在降低成本和能源消耗的同時，加快處理速度。因此，AT9LSAM9260作為硬件的重要平臺就成為了首選，其具有處理速度快，存儲量大，兼容性強等多個優(yōu)點能夠勝任物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)對硬件的要求。

物聯(lián)網(wǎng)的硬件需要對無線網(wǎng)絡(luò)的接入提供技術(shù)支持，以此來滿足足夠的存儲空間，例如：256M N and Flash等。硬件的主控制器電路是整個物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)當(dāng)中最重要的部件，對于整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等方面都具有非常重要的意義，因此，要注意主控制器電路涉及的嚴(yán)謹(jǐn)性；網(wǎng)絡(luò)接口電路主要有兩種接口模式，一個是MII，另一個是RMII，這兩種模式可以通過對應(yīng)硬件引腳配置來達(dá)到目的；串行接口電路，對于物聯(lián)網(wǎng)中的串口設(shè)計，主要選擇RS232和RS485這兩種，這樣不僅僅能夠節(jié)約能源，而且還能夠完成異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的互通，從而優(yōu)化物聯(lián)網(wǎng)的工作效率。當(dāng)然，這些電路設(shè)計是不夠的，對于微處理器來說，帶需要增加許多模塊，例如：內(nèi)儲存器等。

3 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)軟件的設(shè)計

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)需要對通信接口的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理等，因此，要嚴(yán)格的對整個框架進(jìn)行分層。底層設(shè)備驅(qū)動層要收集數(shù)據(jù)信息，中間層則對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后將數(shù)據(jù)向各個接口傳送，這期間要加入一個監(jiān)控模塊對數(shù)據(jù)流動的過程進(jìn)行監(jiān)控和管理。除此之外，為了加強系統(tǒng)的靈活性，設(shè)計時要加強各個模塊之間的靈活性，最后在頂層設(shè)計一個人機交互界面，控制系統(tǒng)的運行方向。目前多使用嵌入式系統(tǒng)開發(fā)，為了優(yōu)化其工作效率，主要采取在PC平臺上進(jìn)行代碼開發(fā)等，并進(jìn)行調(diào)試等。

4 結(jié)論

根據(jù)上文所述，通過對物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行的深入研究發(fā)現(xiàn)，實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)的嵌入式網(wǎng)關(guān)是必要的。在日后物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的發(fā)展過程中，其要求也會越來越高，雖然目前物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)沒有一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，但是隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)必然會越來越完善。

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作者簡介

李奇霏（1992-），男，河北省秦皇島市人。2011年就讀于北京科技大學(xué)計算機與通信工程學(xué)院，物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)。研究方向為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用、RFID嵌入式。

作者單位

北京科技大學(xué) 北京市 100086