物聯網網關關鍵技術的研究和實現方案

陳楚兵

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物聯網網關關鍵技術的研究和實現方案

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、網絡技術、移動互聯技術以及云計算技術的發展，物聯網在倉儲物流、智能電網等各個領域都得到了重要的應用。物聯網主要應用的協議為ZigBee協議，ZigBee協議與傳統的TCP/IP協議不兼容，符合實現二者的融合至關重要。從物聯網應用體系架構分析入手，探討了物聯網關系統的需求，從硬件系統設計和軟件系統設計研究了網關系統的設計實現。

物聯網；網關；技術；設計；實現方案

物聯網一經提出就受到了廣泛的關注，物聯網技術以傳感器網絡為基礎，其主要應用的協議為ZigBee協議，相較于傳統無線傳輸技術，ZigBee協議有著低功耗和簡單的優勢。而在物聯網的應用過程中，如何促進ZigBee協議與互聯網TCP/IP協議的融合是關鍵，這就對物聯網網關系統的設計提出了一定要求。基于以上，本文簡要研究了物聯網網關關鍵技術和實現方案。

1 物聯網應用體系架構

1.1 感應層

感知層主要分為兩部分，分別是傳感網絡部分和數據采集設備部分，感知層能夠獲取物理世界的數據。主要的數據采集設備有傳感器、攝像頭等。

1.2 傳輸層

傳輸層以互聯網和通信網為基礎，將通信網和感知網結合，其涉及到網絡技術和通信技術，主要功能是傳輸感知層所獲取的數據。

1.3 應用層

應用層指的是各種應用終端，是最終提供服務的層級，其主要功能是解決信息數據處理問題和提供相應的服務[1]。

2 物聯網網關系統需求

2.1 數據轉發

物聯網網關是傳感器網絡與互聯網之間連接的橋梁，而數據轉發是物聯網網關最為基本的功能，物聯網網關不僅要能夠正確的接收互聯網終端和傳感器網絡終端發送來的數據，同時要能夠向傳感器網絡終端和互聯網終端發送數據，從而實現數據的轉發功能。通過物聯網網關的中轉作用實現互聯網終端和傳感器網絡終端之間的數據傳輸。

2.2 協議轉換

協議轉換也是物聯網網關的重要功能，當ZigBee節點發送的數據被接收到的時候，物聯網網關要以ZigBee協議規范為基礎對網絡層、PHY層以及MAC層的包頭進行去除，在處理應用層數據之后根據TCP/IP協議標準重新封裝數據，將處理之后的數據通過以太網發送出去，對于相反方向的數據傳輸來說，則需要與之類似的流程，物聯網網關不僅要具有ZigBee協議棧，同時要具有TCP/IP協議棧，以此來保證協議轉換功能的實現[2]。其具體的轉換流程如圖1所示：

圖1 物聯網網關協議轉換流程

2.3 管理控制

物聯網網關還應當具備管理控制功能，其主要管理和控制的對象為傳感器節點，例如物聯網網關要能夠接收應用命令并處理應用命令，之后將處理過的命令下達給傳感器節點，這就實現了對網關下層傳感器網絡的管理和控制。

3 物聯網網關系統設計

3.1 硬件系統設計

ARM開發板、GPRS無線通信以及Sink節點是組成物聯網網關系統的三大模塊，其具體的構成如圖2所示。

圖2 物聯網網關硬件系統設計

采用ARM9架構的處理器，MSP430作為感知節點的處理器，CC2420作為感知節點的無線通信模塊，無線收發模塊以ZigBee芯片為基礎，嵌入到系統中，子節點之間能夠進行數據傳輸，采用EM310作為GPRS的無線通信模塊，其能夠實現物理世界與傳感器網絡之間的聯系[3]。通過sink對節點收集到的數據進行發送，網關接受節點收集到的數據，UART串口能夠實現網關和sink節點直接的連接，這就構成了上傳數據和下達命令的通道。

3.2 軟件系統設計

物聯網網關位于物聯網系統的傳輸層，感知節點屬于物聯網系統的感知層，其能夠實現傳感數據的收集，在收集之后將數據上報給網關，網關下達的命令也由感知節點接收。在感知節點中設置數據處理模塊，能夠實現上傳數據和下達命令的解析，在傳感網絡內部還需要完成時間同步工作和數據收集工作，這些工作的完成依賴于基礎服務模塊和傳輸協議。物聯網網關位于管理平臺和感知節點之間，網關能夠接收管理平臺下發的命令，并能夠將命令繼續下達給感知節點，網關還能夠接收感知節點上傳的數據，并將這些數據上報給管理平臺[4]。在接收和下達管理平臺命令的時候依賴于以太網和GPRS網的交互模塊，在接收和發送感知節點數據的時候依賴于串口讀寫模塊。設置命令映射模塊完成對命令的解析，對命令屬性進行判斷，設置協議轉換模塊對感知節點數據包進行解析，之后重新封裝處理，將其處理為管理平臺適合接收和識別的格式。網關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，對網關事件和配置信息完成記錄，同時實現上傳。

物聯網系統的應用管理層是管理平臺，對網關命令的下達和數據的收取工作由管理平臺來完成，進而實現對物聯網網關和傳感網絡的有效管理，管理平臺接收的數據都在數據庫中存儲，用戶能夠通過界面實現操控，其能夠對傳感器網絡和網關的配置，從而完成其對于網關和傳感網的管理功能。

此外，管理平臺能夠實現對數據的統計和分析，這就為用戶的管理和操控提供了依據。從本質上來講，管理平臺能夠提供用戶管理接口，其能夠通過對網管的操作來實現對傳感網和網關的管理。

4 實現方案

物聯網系統啟動之后會對應用程序進行初始化設置，上述物聯網網關設計能夠實現GPRS交互和TCP交互兩種交互方式。GPRS交互中，首先發送AT指令來對交互模塊進行啟動，之后對串口通信速率進行合理的設定，對socket的連接進行建立，為之后的通信過程做好準備；在TCP交互中，首先對配置信息進行讀取，之后建立socket連接來為之后的交互做好準備。

在物聯網網關初始化設置完成之后對整個網絡進行監聽，以外部事件響應類型為基礎來進行數據轉發[5]。在接收到以太網數據之后，則對其進行判斷，如果是管理平臺下達的命令則進行進一步判斷，如果命令是要對網管側信息進行獲取，則對交互模塊進行調用，進行信息發送，如果命令是對傳感網下達的命令，則需要進一步解析，應用串口讀寫模塊將命令發送給傳感網，如果獲取傳感網數據，則對數據進行解析，將數據發送到管理平臺中。這就是物聯網網關的實現過程。

5 結語

綜上所述，物聯網網關對于物聯網系統功能的實現有著至關重要的作用，其是傳感網絡與互聯網之間連接的橋梁。研究以ZigBee協議為基礎，研究了物聯網網關的設計與實現，旨在為物聯網的相關設計提供參考。

[1]胡金輝.物聯網網關關鍵技術的研究和實現方案[D].西安電子科技大學，2012.

[2]張偉，張哲.物聯網網關的接入技術[J].南陽師范學院學報，2010（12）：68-70.

[3]陳海明，崔莉，謝開斌.物聯網體系結構與實現方法的比較研究[J].計算機學報，2013（1）：168-188.

[4]張藝粟，李鴻彬，賈軍營，于波.物聯網ZigBee網關的設計與實現[J].計算機系統應用，2013（6）：34-38.

[5]薛濤，惠劍，杜軍朝，劉惠，張小平，劉傳益，鄧清哲，李旋，李曉軍.新一代物聯網網關研究[J].物聯網技術，2012（3）：51-53.

TN929.5；TP391.44

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1009-6434（2016）04-0071-02