基于物聯網智能家居網關系統的設計與研究

劉遠聰

摘要：物聯網以“全面感知、無縫互聯、高度智能”的特性被視為第三次信息化浪潮。為了解決物聯網不能與以太網進行直接通信的問題，提出了物聯網網關技術，利用現代信息技術與網絡技術，通過不同類型感知網之間的協議轉換和建立統一的指令與標準，實現物聯網與以太網之間的數據信息傳送和控制。實驗測試數據證明該系統具有良好的穩定性和可控性。

關鍵詞：物聯網 傳感網 以太網 物聯網網關

1 引言

物聯網是通過射頻識別（RFID）、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感設備，按協議與通信網絡相連接，進行數據信息交換和共享，以實現遠程數據采集和測量、智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡[1]。實現自動智能處理物品的信息狀態，并進行管理和控制，實現信息獲取和物品管理的互聯互通。現代社會科學技術、通信設備的不斷開發和應用，物聯網以“全面感知、無縫互聯、高度智能”的特性被視為第三次信息化浪潮[2]。隨著人們的生活水平不斷提高，居住條件不斷改善，生活品質不斷提升，物聯網智能家居應運而生，作為家居智能的核心部分，物聯網智能家居網關系統的研究、開發和建設必將是國家經濟發展的新趨勢。

物聯網智能家居是采用計算機網絡技術、無線數據傳輸技術、網絡布線技術、計算機接口技術將與家居生活有關的各個子系統如燈光、窗簾、煤氣、溫濕度、安防控制、信息家電、場景聯動等功能有機地融合在一起，應用各種通訊網絡實現互聯互通，利用必要的安全機制，達到網絡化綜合智能控制和管理。

現有的通信網絡主要用于人與人之間的信息傳遞，感知網則實現了人與物、物與物之間的無線通信[4]。但不足的是，各種感知網絡技術和通信協議都沒有形成相對統一的標準，并且傳感網的數據信息不能進行遠距離的傳輸，導致傳感網與以太網之間無法進行直接通信。為了解決這一矛盾，一種新型的網元設備——物聯網網關應運而生。

2 物聯網網關簡介

在物聯網智能控制系統中，通信網絡和傳感網絡是通過物聯網網關實現連接和設備管理的。物聯網網關屏蔽了感知網內部的異構性，并對感知網絡和終端節點進行管理。轉換和標準是物聯網網關的關鍵技術，屏蔽感知網異構性必須進行協議的轉換，建立統一的指令及標準是實現網關管理功能的必要條件[5]。物聯網網關是物聯網智能家居的核心，主要進行數據信息協議轉換、運行狀態控制、數據信息匯聚以及尋址認證等，這也是物聯網智能家居的數據信息匯聚中心和控制中心[6]。

3 物聯網網關基本功能

（1）數據轉發能力。物聯網網關作為互聯網與傳感網絡之間的通信橋梁，必須支持傳感器網絡內部數據的協同與匯聚，并以多種方式橋接傳感器網絡與互聯網。數據轉發是其最基礎的功能，能同時在傳感網終端、互聯網終端發送和接收數據。

（2）協議轉換能力。傳感器網絡數據信息常規多采用IEEE 802.15.4等通信協議，以太網多采用TCP/IP協議通信，網關必須進行協議轉換。物聯網網關向下將下層不同標準格式的數據統一封裝，確保不同的感知網絡的協議變成統一的數據和信令，向上將上層下發的數據包信息轉換成感知層協議能夠識別的數據信令和控制指令[7]。

（3）管理控制能力。對于任何網絡來說，管理控制功能是不可缺失的。對網關進行管理，如注冊、權限、狀態監管等管理；對傳感器節點的管理，如器件標識、運行狀態、網絡屬性等管理；對智能家居的控制，如遠程監測、機械控制、系統診斷、智能維護等。物聯網網關接收應用數據和信令，進行識別后下達給傳感器節點，實現物聯網網關對下層傳感器節點的管理與控制。但由于協議和技術標準不同，所以網關的管理能力也不盡相同。

4 物聯網網關系統設計

中國通信標準化協會（China Communications Standards Association，CCSA）將物聯網主要分為三層：第一層為感知層，第二層是傳送層，物聯網網關位于本層，第三層是應用層。

（1）感知層。感知層的關鍵技術主要有檢測技術、近距離通信技術，它是物聯網發展和應用的基礎[8]。感知層主要是由傳感網和采集數據信息設備搭建而成。數據采集通常利用各類傳感器、RFID、GPS、視頻攝像頭等設備來完成。傳感網絡是由多種數據采集設備和許多傳感器及其節點組建的。

（2）傳輸層。傳輸層的關鍵技術主要有遠程通信技術和網絡技術，以現有以太網為基礎，載入感知層獲取的數據信息進行遠程傳輸，實現感知網與以太網的結合。

（3）應用層。物聯網應用層是以數據為中心的物聯網的核心技術，利用經過處理的數據信息，為用戶提供遠程或近郊的控制和服務。各類信息通過各種設備在這一層進行處理和控制，各層之間通過可控的信息分析和運算為用戶提供各類服務。

4.1 物聯網網關系統的硬件設計

物聯網網關由嵌入式ARM9架構的32位RISC微處理芯片、GPRS/Zigbee通信模塊、FLASH模塊、ARM模塊、接口電路、電源等幾部分組成。感知層主要由MCS80C51處理器和CC2420無線射頻收發器通信模塊搭建而成，該模塊同時還搭載了嵌Zigbee通信模塊，實現網絡子節點間的數據傳輸[6]。物聯網網關硬件實物圖如圖1所示：

4.2 物聯網網關軟件系統設計

物聯網網關位于傳輸層，主要負責管理平臺與感知節點間的數據信息交互[9]。感知節點屬于系統中的感知層，其上嵌入了數據處理模塊，其主要作用是解析命令和上報數據，收集傳感數據信息，并上報給網關，同時接收網關下發的信令。傳感網內部的工作（如數據收集和時間同步等）則是通過數據傳輸協議和基礎服務模塊共同協作完成。物聯網網關軟件結構如圖2所示：

感知節點和管理平臺之間的通信是通過網關來完成的，網關在接收到節點數據信息的同時，也向管理平臺接收和報送數據信息。管理平臺的信令是通過GPRS模塊和以太網模塊來接收和發送的。命令映射模塊進行信令解譯，并將信息傳輸給節點或網關。協議轉換模塊實現了傳感網數據包解析，并進行統一封裝[10]。日志管理和配置管理是網關的主要管理方式，用于記載重要事件和網關的配置信息，并進行數據上傳。數據信息發送和傳感網信令分發是由數據上報和命令代理模塊中sink節點來實現的。

綜上所述，系統的應用管理層是通過管理平臺來控制和管理網關與傳感網絡的，管理平臺在數據庫中自動保存數據信息和維護子系統，并進行數據分析、數據統計和數據存儲，實現了服務端和客戶端與網關之間的數據信息傳輸，同時為用戶提供便捷的操作界面[8]。

5 物聯網網關設計系統實驗測試

5.1 物聯網網關的數據信息丟包實驗測試

（1）傳感網節點之間數據信息傳輸過程中丟包。在物聯網網關硬件設計過程中，由于傳感器件的不穩定性造成傳感網的不穩定性，使得丟包現象時有發生，本網關的丟包實驗未對其進行測試。

（2）網關從串口讀取sink節點數據信息時丟包。從串口讀取sink節點數據信息丟包現象測試相對較為簡單，為每一個數據包信息設置序列號，將發送的數據包與接收的數據包序列號進行比較。若相同，則說明沒有發生丟包現象，不相同則有丟包現象。

（3）網關與以太網等進行數據信息傳輸時丟包。測試此種丟包現象是在物聯網網關管理平臺程序設計過程中添加一段測試程序，使其能自動記錄發送的數據信息與未發送的數據信息，并記載與管理日志，在統計中發現此丟包情況較為少見。

本次實驗測試中，設置了10個不同的傳感器節點，發送數據信息周期為6 s。管理平臺每收集到2000個數據包信息作為一次丟包記載測試實驗，進行實驗十次的測試結果如圖3所示：

在圖3中，橫坐標的標值表示實驗次數，縱坐標的標值代表丟包數。可以看出，管理平臺在收集到1～2000個、2001～4000個、6001～8000個、12001～14000個、14001～16000個、16001～18000個數據包信息時，測試實驗丟包數為1個，管理平臺在收集到4001～6000個、8001～10000個、10001～12000個、18001～20000個數據包信息時，測試實驗丟包數為2個。10次實驗測試結果的平均丟包率為0.6‰，低于CCSA限定的最大丟包率1‰，通過測試實驗可知此設計符合標準要求。

5.2 物聯網網關的數據信息時延實驗測試

物聯網網關的數據信息時延也是測試網關性能的一項關鍵指標。網關的數據信息時延是指讀到一條完整的數據信息到完成發送這條數據信息之間的時間間隔[2]。本次實驗測試中，也設置了10個不同的傳感器節點，數據信息發送周期為6 s。網關每接收并發送1000個數據包信息作為一次數據包信息的平均時延實驗，進行10次實驗的測試結果如圖4所示。

在圖4中，橫坐標的標值表示實驗次數，縱坐標的標值代表平均時延，單位為ms。可以看出，10次中管理平臺每接收并發送1000個數據包信息，數據包平均轉發時延依次為：8.728060822 ms、9.101037166 ms、8.798108656 ms、9.040832460 ms、8.709430585 ms、9.078904791 ms、8.729397024 ms、8.902405368 ms、8.789098456 ms。遠低于CCSA規定的平均時延的上限（IPTD）100 ms。

6 結束語

物聯網網關是物聯網智能家居的關鍵技術部分。本文設計了一種基于物聯網智能家居網關系統，利用現代信息技術與網絡技術，通過不同類型感知網之間的協議轉換和建立統一的指令與標準，實現傳感網與以太網間的數據信息接收和發送以及對感知網絡的管理與控制。為感知網絡和以太網之間數據信息傳輸建立了空中隧道。此系統經過實驗測試，具有良好的穩定性和可控性。相信經過不斷的改進和創新研究，物聯網網關將被廣泛地應用于智慧城市、智能電網、遠程監控、環境監測等領域。

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