物联网工程与实践03

1,1,物联网工程与实践,第三章：物联网网关,2,2,前言,在物联网实时信息系统中，物联网网关是一个非常重要的设备，这个设备在各种实时数据的收集、实时数据传输、和设备控制过程中起着至关重要的作用。一般而言，物联网网关一方面从与其相连接的物联网节点中获取各种数据，在将这些数据进行初步处理后，发送到物联网数据服务中心。另一方面，物联网网关也从数据服务中心接收各种控制指令，网关通过执行器或者继电器来完成这些指令的操作，比如打开空调或关闭空调等。常见的物联网网关包括智能手机、无线网关、家庭智能网关、工业通信网关、RFID读写器和M2M网关等,3,3.1智能手机,智能手机基于WiFi和3G/4G移动网络，可以访问互联网上面的各种信息服务。通常情况下，智能手机作为物联网应用终端设备，通过访问物联网数据中心来获取各种实时数据服务、接收警报或进行设备的控制。但在一些特殊的情况下，智能手机可以作为一种移动的物联网网关，完成实时数据的收集及传输。,4,3.1.1智能手机简介,智能手机首先是一个移动电话，同时它还是一个运行嵌入式操作系统的微型电脑。常用的智能手机操作系统包括Nokia的Symbian、微软的WindowsMobile、开源Linux（包括iOS、Android、Maemo、MeeGo和WebOS）、PalmOS和黑莓操作系统（OperatingSystem，OS)。相对于功能手机不能自由安装和卸载软件，智能手机是可以安装和卸载各种应用软件的，这使得智能手机受到越来越多的欢迎。智能手机的系统结构如图3-1所示，它由硬件、操作系统和网络支持等各功能层组成。,5,图3-1智能手机的系统结构,6,图3-2全球第一部智能手机,7,3.1.2智能手机硬件,在智能手机的硬件结构中，最重要的部分包括手机主处理器、无线通信模块、液晶（LiquidCrystalDisplay，LCD）显示屏、音频编解码器、数字基带（DigitalBaseband，DBB）无线调制解调器、摄像头、麦克风和扬声器控制器等。目前，智能手机市场已进入“4核时代”，2014年，主要的智能手机厂家都发布了不同品牌的具有4G通信功能的四核CPU智能手机，这些手机运行速度更快，且游戏体验更棒。,8,3.1.3智能手机操作系统,曾经应用的智能手机操作系统有Symbian、WindowsMobile、WindowsPhone、iOS和Android，它们占据了超过99%的智能手机市场份额。,9,3.1.4智能手机应用,智能手机有除了通话功能外，还具有大多数PDA的功能，特别是个人信息管理以及基于无线数据通信的浏览器、GPS、电子邮件、短信、互联网接入、影视娱乐等功能。同时，结合智能手机的摄像设备、GPS及传感器设备，可以获取手机用户周围的各种实时信息，利用WiFi或3G通信网络可将各种实时信息传输的数据服务中心，从而开发各种物联网应用。,10,3.2无线网关,物联网网关可以是一个无线网关，这个无线网关一方面起着实现局域网或广域网无线网络接入服务的作用，另一方面也可以作为物联网网关来管理相应的物联网节点，来实现实时数据的收集及设备的控制。常见的无线网关包括WiFi无线网关、ZigBee无线网关、蓝牙无线网关、移动无线网关和复合型无线网关。,11,3.2.1WiFi无线网关,在物联网应用中，无线网关所具有的的主要功能为提供无线接入点功能。一般而言，无线网关可提供10/100/1000Mbps宽区域网络功能。同时，常见的提供无线网接入的协议包括IEEE802.11b、802.11g、802.11a和802.11n，无线局域网通过网络地址转换(NetworkAddressTranslation，NAT)共享访问功能实现多用户的广域网接入。无线网关应用不仅可提供高速互联网接入，还可提供广泛的物联网应用服务，比如互动视频服务、视频电话服务、网络游戏、环境监控及相关设备控制等。,12,3.2.2ZigBee无线网关,ZigBee无线网关一般是指一个具有ZigBee通信接口的物联网网关，这个ZigBee通信接口使这个网关具有同ZigBee节点或ZigBee传感网进行数据通信的能力。如图3-4所示，多个ZigBee设备构成一个无线自组网络，该网络可以通过ZigBee无线网关控制每个家电设备。一般而言，ZigBee无线网关具有一个以太网接口标准，可以连接到局域网或互联网。,13,图3-4基于Zigbee无线网关的物联网应用,14,3.2.3蓝牙无线网关,蓝牙无线网关可以支持多个蓝牙设备快速进行网络连接并实现设备之间的数据交换。图3-6是一个无线蓝牙网关的结构示意图，这个蓝牙无线网关所使用的微处理器为S3C44BOX。基于蓝牙无线通信技术的传感器、家电设备和通信设备可以通过蓝牙网关与外部进行实时通信，可实现相关的设备控制及环境安全远程报警等功能。,15,图3-6蓝牙无线网关,16,3.2.4移动无线网关,基于3G或4G移动网络通信技术的网关是目前很多物联网应用的重要组成部分。移动无线网关，除了支持实现广域网通信接入的3G、3.5GWCDMA无线网络功能外，还支持802.11a/b/g/nWiFi功能。在物联网应用中，很多物联网节点可以通过WiFi方式与网关进行数据传输，汇集到网关的各种数据在经过初步处理后，经过移动无线通信网络，传输到物联网数据服务中心。基于移动无线网关的典型物联网应用包括：偏远地区安全监控、市郊交通监控、宽带不发达地区金融ATM/查询终端应用、油田监测、电力远程抄表、路灯监控和环境监测等。,17,3.2.5复合型无线网关,对于一些比较复杂的物联网应用，所需要的网关的功能也比较复杂，比如网关需要管理蓝牙节点和ZigBee节点等。图3-7是一个复合型物联网网关的结构示意图。这个网关主要由高级精简指令集机器(AdvancedRISCMachine，ARM）处理器、蓝牙和ZigBee数据采集模块、3G通信模块、存储模块和复位模块等组成。,18,图3-73G/ZigBee/蓝牙网关体系结构示意图,19,3.3家庭智能网关,智能家居是一个重要的物联网应用领域，家庭网关是实现智能家居应用的一个重要设备，它提供了大量的接口，支持蓝牙、802.11a/b/g、3G/4G网络及以太网通信。家庭智能网关一方面需要管理很多家电设备及传感器节点，另一方面也对家庭的安全通信和娱乐进行管理和监控。,20,3.3.1家庭智能网关简介,家庭智能网关首先可以为家庭中的网络信息设备提供智能宽带接入。一方面，它可以接收来自外部网络的不同的通讯信号，通过家庭网络将信号发送到用户设备，来实现设备的自动化和智能化控制。另一方面，家庭网关可以将来自家庭网络的相关数据发送到远程数据服务中心。,21,图3-10智能家庭网关应用,22,3.3.2家庭智能网关分类,根据网络通信物理介质的不同，可以将家庭智能网关分为基于ADSL的家庭智能网关、基于机顶盒的家庭智能网关和基于电力线通信（PowerLineCommunication，PLC）的家庭智能网关。这里主要对PLC家庭智能网关和机顶盒家庭智能网关进行简要介绍。,23,图3-11PLC家庭智能网关系统结构图,24,图3-12当前家庭信息孤岛网络,25,图3-13基于机顶盒的智能家庭网关架构示意图,26,图3-14家庭物联网应用服务系统,27,3.3.3家庭智能网关应用,智能家庭网关通过各种高速通信接口将家庭安全报警、家庭照明控制、家用网络设备、居室视频对讲、网络安全监控、家庭网络音乐设施、移动电话、网络电视、电脑和各种信息通信终端连接到家庭智能网关，通过局域网络或广域网连接到物业管理服务中心。通过家庭智能网关所建立的智能家居实时信息服务系统，用户可以远程控制来获取信息服务或对家庭实施管理。,28,3.4工业通信网关,应用物联网技术可以实现传统工业的升级改造，并为工业的节能减排打下坚实的基础，工业网关是物联网工业应用的一个极其重要的组成部分。工业通信网关可以实现工业生产网络通信及网络控制环境下各种网络协议消息的转换。,29,3.5RFID读写器,有很多RFID读写器可以作为物联网网关来使用。在很多物联网应用中，RFID读写器是一个重要的设备，对于不同的物联网应用，RFID读写器的功能有所差异。一般而言，作为物联网网关的RFID读写器除了具有收集及传输RFID相关数据的功能外，其还具有管理蓝牙、ZigBee及仪表等物联网节点的能力，从这些节点上收集数据并将数据传输到物联网数据服务中心。,30,3.6M2M网关,实现M2M通信的网关被称为M2M网关，它是物联网应用的一个重要设备。在各种物联网应用中，M2M网关从与之相关的机器设备中获取数据，将数据发送到远程数据服务中心，还可以接收来自数据服务中心的命令，实现对设备的远程控制和操作。,31,3.7小结,物