物聯(lián)網(wǎng)是指通過射頻識別（RFID）、紅外感應器、GPS、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協(xié)議，實現(xiàn)任何時間、任何地點、任何物體進行信息交換和通信，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡。物聯(lián)網(wǎng)是具有全面感知、可靠傳輸、智能處理特征的連接物理世界的網(wǎng)絡。
物聯(lián)網(wǎng)用途廣泛，遍及智能交通、環(huán)境保護、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工業(yè)監(jiān)測、老人護理、個人健康、*卉栽培、水系監(jiān)測、食品溯源、敵情偵查和情報搜集等多個領域。
物聯(lián)網(wǎng)的接入方式是多種多樣的，如廣域的PSTN、短距離的Z-Wave 等， 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關設備是將多種接入手段整合起來，統(tǒng)一互聯(lián)到接入網(wǎng)絡的關鍵設備。它可滿足局部區(qū)域短距離通信的接入需求， 實現(xiàn)與公共網(wǎng)絡的連接，同時完成轉發(fā)、控制、信令交換和編解碼等功能，而終端管理、安全認證等功能保證了物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務的質量和安全。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關在未來的物聯(lián)網(wǎng)時代將會扮演著非常重要的角色， 可以實現(xiàn)感知延伸網(wǎng)絡與接入網(wǎng)絡之間的協(xié)議轉換，既可以實現(xiàn)廣域互聯(lián)，也可以實現(xiàn)局域互聯(lián)，將廣泛應用于智能家居、智能社區(qū)、數(shù)字醫(yī)院、智能交通等各行各業(yè)。
物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)采用分層的通信系統(tǒng)架構，包括感知延伸系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)、業(yè)務運營管理系統(tǒng)和各種應用，在不同的層次上支持不同的通信協(xié)議，如圖1 所示。感知延伸系統(tǒng)包括感知和控制技術， 由感知延伸層設備以及網(wǎng)關組成，支持包括Lonworks、UPnP、ZigBee 等通信協(xié)議在內的多種感知延伸網(wǎng)絡。感知設備可以通過多種接入技術連接到核心網(wǎng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程傳輸。業(yè)務運營管理系統(tǒng)面向物聯(lián)網(wǎng)范圍內的耗能設施，包括了應用系統(tǒng)和業(yè)務管理支撐系統(tǒng)。應用系統(tǒng)為最終用戶提供計量統(tǒng)計、遠程測控、智能聯(lián)動以及其他的擴展類型業(yè)務。業(yè)務管理支撐系統(tǒng)實現(xiàn)用戶管理、安全、認證、授權、計費等功能。
2 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關功能
物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關在未來的物聯(lián)網(wǎng)時代將會扮演非常重要的角色，它將成為連接感知網(wǎng)絡與傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡的紐帶。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關可以實現(xiàn)感知網(wǎng)絡和基礎網(wǎng)絡以及不同類型的感知網(wǎng)絡之間的協(xié)議轉換，既可以實現(xiàn)廣域互聯(lián)，也可以實現(xiàn)局域互聯(lián)。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關具備如下幾個功能。
?。?）廣泛的接入能力
目前用于近程通信的技術標準很多， 僅常見的WSN技術就包括Lonworks、ZigBee、6LowPAN、RUBEE 等。各類技術主要針對某一應用展開， 缺乏兼容性和體系規(guī)劃，如Lonworks 主要應用于樓宇自動化，RUBEE 適用于惡意環(huán)境。如何實現(xiàn)協(xié)議的兼容性、接口和體系規(guī)劃，目前在國內外已經(jīng)有多個組織在開展物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關的標準化工作，如3GPP、傳感器工作組，以實現(xiàn)各種通信技術標準的互聯(lián)互通。
?。?）協(xié)議轉換能力
從不同的感知網(wǎng)絡到接入網(wǎng)絡的協(xié)議轉換，將下層的標準格式的數(shù)據(jù)統(tǒng)一封裝，保證不同的感知網(wǎng)絡的協(xié)議能夠變成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)和信令；將上層下發(fā)的數(shù)據(jù)包解析成感知層協(xié)議可以識別的信令和控制指令。
?。?）可管理能力
強大的管理能力， 對于任何大型網(wǎng)絡都是必不可少的。首先要對網(wǎng)關進行管理，如注冊管理、權限管理、狀態(tài)監(jiān)管等。網(wǎng)關實現(xiàn)子網(wǎng)內節(jié)點的管理，如獲取節(jié)點的標識、狀態(tài)、屬性、能量等以及遠程喚醒、控制、診斷、升級和維護等。由于子網(wǎng)的技術標準不同，協(xié)議的復雜性不同，所以網(wǎng)關具有的管理能力不同。本文提出基于模塊化物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關方式來管理不同的感知網(wǎng)絡、不同的應用，保證能夠使用統(tǒng)一的管理接口技術對末梢網(wǎng)絡節(jié)點進行統(tǒng)一管理。
3 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關系統(tǒng)設計
物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關可以實現(xiàn)感知網(wǎng)絡和基礎網(wǎng)絡以及不同類型的感知網(wǎng)絡之間的協(xié)議轉換， 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)關設計面向感知網(wǎng)絡的異構數(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)絡融合和數(shù)據(jù)通信，采用模塊化設計、統(tǒng)一數(shù)據(jù)表示、統(tǒng)一地址轉換等實現(xiàn)。下面從物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關的層次結構、信息交互流程和系統(tǒng)實現(xiàn)3 個方面來進行闡述。
3.1 層次結構
物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關支持感知延伸設備之間的多種通信協(xié)議和數(shù)據(jù)類型，實現(xiàn)多種感知延伸設備之間數(shù)據(jù)通信格式的轉換，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)絡的采集或控制命令進行映射，產(chǎn)生符合具體設備通信協(xié)議的消息。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關對感知延伸設備進行統(tǒng)一控制與管理，向上層屏蔽底層感知延伸網(wǎng)絡的異構性，共分為4 層，分別為業(yè)務服務層、標準消息構成層、協(xié)議適配層和感知延伸層，如圖2 所示。
?。?）業(yè)務服務層
業(yè)務服務層由消息接收模塊和消息發(fā)送模塊組成。消息接收模塊負責接收來自物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務運營管理系統(tǒng)的標準消息，將消息傳遞給標準消息構成層。消息發(fā)送模塊負責向業(yè)務運營管理系統(tǒng)可靠地傳送感知延伸網(wǎng)絡所采集的數(shù)據(jù)信息。該層接收與發(fā)送的消息必須符合標準的消息格式。
?。?）標準消息構成層
標準消息構成層由消息解析模塊和消息轉換模塊組成。消息解析模塊解析來自業(yè)務服務層的標準消息，調用消息轉換模塊將標準消息轉換為底層感知延伸設備能夠理解的依賴于具體設備通信協(xié)議的數(shù)據(jù)格式。當感知延伸層上傳數(shù)據(jù)時，該層的消息解析模塊則解析依賴于具體設備通信協(xié)議的消息，調用消息轉換模塊將其轉換為業(yè)務服務層能夠接收的標準格式的消息。消息構成層是物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關的核心，完成對標準消息以及依賴于特定感知延伸網(wǎng)絡的消息的解析，并實現(xiàn)兩者之間的相互轉換，達到統(tǒng)一控制和管理底層感知延伸網(wǎng)絡，向上屏蔽底層網(wǎng)絡通信協(xié)議異構性的目的。
?。?）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。
?。?）感知延伸層
此層面向底層感知延伸設備，包含消息發(fā)送與消息接收兩個子模塊。消息發(fā)送模塊負責將經(jīng)過消息構成層轉換后的可被特定感知延伸設備理解的消息發(fā)送給底層設備。
消息接收模塊則接收來自底層設備的消息，發(fā)送至標準消息構成層進行解析。
感知延伸網(wǎng)絡由感知設備組成，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。
3.2 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)生符合標準數(shù)據(jù)格式的消息，并將其發(fā)送至網(wǎng)關業(yè)務服務層的消息接收模塊。
?。?）業(yè)務服務層消息接收模塊將標準消息發(fā)送至標準消息構成層的消息解析模塊。
?。?）消息解析模塊調用相應的消息轉換功能，將標準信息轉換為依賴于具體設備通信協(xié)議的消息。
（4）消息解析模塊將轉換為依賴于具體設備通信協(xié)議的消息傳送至感知延伸服務層的消息發(fā)送模塊。
（5）感知延伸服務層的消息發(fā)送模塊選擇合適的傳輸方式，將依賴設備通信協(xié)議的特定消息發(fā)送至具體的底層設備。
?。?）底層設備根據(jù)特定消息執(zhí)行信息采集操作，并將結果返回給網(wǎng)關感知延伸服務層的消息接收模塊。
?。?）網(wǎng)關的感知延伸服務層的消息接收模塊將依賴設備通信協(xié)議的特定消息傳送至標準消息構成層的消息解析模塊。
?。?）消息解析模塊調用信息轉換模塊，將依賴于設備通信協(xié)議的特定消息轉換為標準消息。
從圖3 可以看出，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關解決了物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡內不同設備無法統(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備的具體通信細節(jié)，實現(xiàn)對不同感知延伸層設備的統(tǒng)一訪問。
3.3 系統(tǒng)設計
基于物聯(lián)網(wǎng)的典型應用結構如圖4 所示。無線傳感器節(jié)點采集相應數(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， 固定式閱讀器讀取RFID 標簽內容發(fā)送到網(wǎng)關； 網(wǎng)關將這些數(shù)據(jù)通過WCDMA 網(wǎng)絡發(fā)送到服務器；服務器對這些數(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)關是架起感知網(wǎng)絡和接入網(wǎng)絡的橋梁，扮演著重要的角色。
在物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關設計時，采用模塊化思想，設計面向不同感知網(wǎng)絡和基礎網(wǎng)絡，實現(xiàn)通用低成本的網(wǎng)關。按照模塊化的思想，將物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關系統(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)關系統(tǒng)采用傳感器網(wǎng)絡的匯聚節(jié)點和RFID 網(wǎng)絡的閱讀器作為數(shù)據(jù)匯集設備。
處理/存儲模塊： 是網(wǎng)關的核心模塊， 它實現(xiàn)協(xié)議轉換、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)定性能關系密切，此處設計的電源模塊兼有熱插拔和電壓轉換功能?？赡艿墓╇姺绞桨ㄊ须?、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)關軟件設計時采用分層結構，最后在應用層實現(xiàn)協(xié)議數(shù)據(jù)的相互轉換。在進行物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關硬件模塊化的同時，實現(xiàn)網(wǎng)關的軟件功能的模塊化，不同的硬件模塊對應不同的驅動模塊；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)匯集模塊的公共驅動，根據(jù)接入的硬件模塊不同加載不同的驅動模塊，達到驅動硬件模塊的目的，如圖5（b）所示。
3.4 關鍵技術
物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關系統(tǒng)設計中解決了以下幾個關鍵技術。
軟件交互協(xié)議的統(tǒng)一： 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關系統(tǒng)的設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)絡和接入網(wǎng)絡互聯(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)相應的硬件模塊和驅動程序即可。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)絡中傳輸?shù)亩际菢藴实腎P 數(shù)據(jù)包， 其中封裝了TLV 格式的采集數(shù)據(jù)。
統(tǒng)一地址轉換：不同的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡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。在應用中只需要能定位到具體的節(jié)點即可，不需要關心節(jié)點是采用IP 地址還是16 位短地址，也不關心節(jié)點間的組網(wǎng)是采用ZigBee 還是6LowPan 或者其他方式。將這些地址轉換為統(tǒng)一的表示方式，有利于應用的開發(fā)，因此在網(wǎng)關中實現(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， 在與應用交互過程中只需要關注這個ID 即可。具體的映射方式可以采用從1 累加的方式，當網(wǎng)關接收到第一個節(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)關中。同時還采用老化機制， 在一定時間內沒有收到該節(jié)點的數(shù)據(jù)時，將此條映射關系刪除。
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)關的接口之間只關注一些對采集模塊的控制指令和數(shù)據(jù)交互指令，不關注具體的組網(wǎng)協(xié)議，實現(xiàn)組網(wǎng)協(xié)議無關性。
數(shù)據(jù)映射關系管理：如何管理網(wǎng)關連接的兩種或多種系統(tǒng)中的設備在通信數(shù)據(jù)中的映射關系，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)關所連接的不同，總線設備也有很大區(qū)別。本網(wǎng)關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的通信接口配置字。
4 結束語
本文旨在研究一種能支持各種傳感器網(wǎng)絡及接入網(wǎng)絡的網(wǎng)關設備，它能支持不同類型的傳感器節(jié)點和接入方式， 并能為中間件或者應用程序提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式，從而為應用屏蔽不同的傳感器網(wǎng)絡及接入網(wǎng)絡，使得應用程序只需要關注于應用環(huán)境的數(shù)據(jù)處理。