物联网网关系统设计方案范文

物联网网关系统设计方案物联网网关系统设计方案

1物联网网关概述物联网是指经过射频识别（RFID）、红外感应器、GPS、激光扫描器等信息传感设备，按约定协议，实现任何时间、任何地点、任何物体进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理一个网络。物联网是具备全方面感知、可靠传输、智能处理特征连接物理世界网络。物联网用途广泛，遍布智能交通、环境保护、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工业监测、老人护理、个人健康、*卉栽培、水系监测、食品溯源、敌情侦查和情报搜集等多个领域。物联网接入方式是多个多样，如广域PSTN、短距离Z-Wave等，物联网网关设备是将多个接入伎俩整合起来，统一互联到接入网络关键设备。它可满足局部区域短距离通信接入需求，实现与公共网络连接，同时完成转发、控制、信令交换和编解码等功效，而终端管理、安全认证等功效确保了物联网业务质量和安全。物联网网关在未来物联网时代将会饰演着非常主要角色，能够实现感知延伸网络与接入网络之间协议转换，既能够实现广域互联，也能够实现局域互联，将广泛应用于智能家居、智能小区、数字医院、智能交通等各行各业。物联网组网采取分层通信系统架构，包含感知延伸系统、传输系统、业务运行管理系统和各种应用，在不一样层次上支持不一样通信协议，如图1所表示。感知延伸系统包含感知和控制技术，由感知延伸层设备以及网关组成，支持包含Lonworks、UPnP、ZigBee等通信协议在内多个感知延伸网络。感知设备能够经过多个接入技术连接到关键网，实现数据远程传输。业务运行管理系统面向物联网范围内耗能设施，包含了应用系统和业务管理支撑系统。应用系统为最终用户提供计量统计、远程测控、智能联动以及其它扩展类型业务。业务管理支撑系统实现用户管理、安全、认证、授权、计费等功效。2物联网网关功效物联网网关在未来物联网时代将会饰演非常主要角色，它将成为连接感知网络与传统通信网络纽带。物联网网关能够实现感知网络和基础网络以及不一样类型感知网络之间协议转换，既能够实现广域互联，也能够实现局域互联。物联网网关具备以下几个功效。（1）广泛接入能力当前用于近程通信技术标准很多，仅常见WSN技术就包含Lonworks、ZigBee、6LowPAN、RUBEE等。各类技术主要针对某一应用展开，缺乏兼容性和体系规划，如Lonworks主要应用于楼宇自动化，RUBEE适适用于恶意环境。怎样实现协议兼容性、接口和体系规划，当前在国内外已经有多个组织在开展物联网网关标准化工作，如3GPP、传感器工作组，以实现各种通信技术标准互联互通。（2）协议转换能力从不一样感知网络到接入网络协议转换，将下层标准格式数据统一封装，确保不一样感知网络协议能够变成统一数据和信令；将上层下发数据包解析成感知层协议能够识别信令和控制指令。（3）可管理能力强大管理能力，对于任何大型网络都是必不可少。首先要对网关进行管理，如注册管理、权限管理、状态监管等。网关实现子网内节点管理，如获取节点标识、状态、属性、能量等以及远程唤醒、控制、诊疗、升级和维护等。因为子网技术标准不一样，协议复杂性不一样，所以网关具备管理能力不一样。本文提出基于模块化物联网网关方式来管理不一样感知网络、不一样应用，确保能够使用统一管理接口技术对末梢网络节点进行统一管理。3物联网网关系统设计物联网网关能够实现感知网络和基础网络以及不一样类型感知网络之间协议转换，既能够实现广域互联，也能够实现局域互联。本物联网网关设计面向感知网络异构数据感知环境，为有效屏蔽底层通信差异化进行有效网络融合和数据通信，采取模块化设计、统一数据表示、统一地址转换等实现。下面从物联网网关层次结构、信息交互流程和系统实现3个方面来进行阐述。3.1层次结构物联网网关支持感知延伸设备之间多个通信协议和数据类型，实现多个感知延伸设备之间数据通信格式转换，对上传数据格式进行统一，同时对下达成感知延伸网络采集或控制命令进行映射，产生符合详细设备通信协议消息。物联网网关对感知延伸设备进行统一控制与管理，向上层屏蔽底层感知延伸网络异构性，共分为4层，分别为业务服务层、标准消息组成层、协议适配层和感知延伸层，如图2所表示。（1）业务服务层业务服务层由消息接收模块和消息发送模块组成。消息接收模块负责接收来自物联网业务运行管理系统标准消息，将消息传递给标准消息组成层。消息发送模块负责向业务运行管理系统可靠地传送感知延伸网络所采集数据信息。该层接收与发送消息必须符合标准消息格式。（2）标准消息组成层标准消息组成层由消息解析模块和消息转换模块组成。消息解析模块解析来自业务服务层标准消息,调用消息转换模块将标准消息转换为底层感知延伸设备能够了解依赖于详细设备通信协议数据格式。当感知延伸层上传数据时，该层消息解析模块则解析依赖于详细设备通信协议消息，调用消息转换模块将其转换为业务服务层能够接收标准格式消息。消息组成层是物联网网关关键，完成对标准消息以及依赖于特定感知延伸网络消息解析，并实现二者之间相互转换，达成统一控制和管理底层感知延伸网络，向上屏蔽底层网络通信协议异构性目标。（3）协议适配层协议适配层确保不一样感知延伸层协议能够经过此层变成格式统一数据和控制信令。（4）感知延伸层此层面向底层感知延伸设备，包含消息发送与消息接收两个子模块。消息发送模块负责将经过消息组成层转换后可被特定感知延伸设备了解消息发送给底层设备。消息接收模块则接收来自底层设备消息，发送至标准消息组成层进行解析。感知延伸网络由感知设备组成，包含射RFID、GPS、视频监控系统、各类型传感器等。感知延伸设备之间支持多个通信协议，能够组成Lonworks和Zigbee以及其它多个感知延伸网络。3.2信息交互流程图3展示了物联网中信息交互流程，详细流程分析以下。（1）最终用户产生符合标准数据格式消息，并将其发送至网关业务服务层消息接收模块。（2）业务服务层消息接收模块将标准消息发送至标准消息组成层消息解析模块。（3）消息解析模块调用对应消息转换功效，将标准信息转换为依赖于详细设备通信协议消息。（4）消息解析模块将转换为依赖于详细设备通信协议消息传送至感知延伸服务层消息发送模块。（5）感知延伸服务层消息发送模块选择适宜传输方式，将依赖设备通信协议特定消息发送至详细底层设备。（6）底层设备依照特定消息执行信息采集操作，并将结果返回给网关感知延伸服务层消息接收模块。（7）网关感知延伸服务层消息接收模块将依赖设备通信协议特定消息传送至标准消息组成层消息解析模块。（8）消息解析模块调用信息转换模块，将依赖于设备通信协议特定消息转换为标准消息。从图3能够看出，物联网网关处理了物联网网络内不一样设备无法统一控制和管理问题，达成屏蔽底层通信差异目标，并使得最终用户无需知道底层设备详细通信细节，实现对不一样感知延伸层设备统一访问。3.3系统设计基于物联网经典应用结构如图4所表示。无线传感器节点采集对应数据信息，经过无线多跳自组织方式将数据发送到网关，固定式阅读器读取RFID标签内容发送到网关；网关将这些数据经过WCDMA网络发送到服务器；服务器对这些数据进行处理、存放，并提供一个信息平台，供用户（包含PC用户和手机用户）使用。从图4中能够看出物联网网关是架起感知网络和接入网络桥梁，饰演着主要角色。在物联网网关设计时，采取模块化思想，设计面向不一样感知网络和基础网络，实现通用低成本网关。按照模块化思想，将物联网网关系统分为数据聚集模块、处理/存放模块、接入模块和供电模块，如图5（a）所表示。数据汇聚模块：实现物理世界数据采集或者汇聚。本网关系统采取传感器网络汇聚节点和RFID网络阅读器作为数据聚集设备。处理/存放模块：是网关关键模块，它实现协议转换、管理、安全等各个方面数据处理及存放。接入模块：将网关接入广域网，可能采取方式包含有线（以太、ADSL、FTTx等）、无线（WLAN、GPRS、3G和卫星等），本系统采取WCDMA接入方式。供电管理模块：负责整套系统电源供给，系统稳定运行与电源模块稳定性能关系亲密，此处设计电源模块兼有热插拔和电压转换功效。可能供电方式包含市电、太阳能、蓄电池等。数据汇聚模块和处理/存放模块之间接口类型采取UART方式。接入模块和处理/存放模块之间接口类型采取PCIE方式。网关软件设计时采取分层结构，最终在应用层实现协议数据相互转换。在进行物联网网关硬件模块化同时，实现网关软件功效模块化，不一样硬件模块对应不一样驱动模块；采取动态可加载方式运行，分别提取出接入模块和数据聚集模块公共驱动，依照接入硬件模块不一样加载不一样驱动模块，达成驱动硬件模块目标，如图5（b）所表示。3.4关键技术物联网网关系统设计中处理了以下几个关键技术。软件交互协议统一：物联网网关系统设计思绪是以模块化方式实现软硬件各个部分，使得模块之间替换非常轻易，以实现不一样感知延伸网络和接入网络互联，屏蔽底层通信差异。其中硬件模块采取UART总线形式进行连接，软件则采取模块化可加载方式运行，并将共同部分抽象成公共模块。所以，支持新数据汇聚模块和接入模块则只需要开发对应硬件模块和驱动程序即可。另外，添加统一协议适配层（如图6所表示），将应用数据统一提取出来，按照TLV（type,length,value）方式进行组织，然后封装数据包。使得在接入网络中传输都是标准IP数据包，其中封装了TLV格式采集数据。统一地址转换：不一样数据采集网络使用不一样编址方式，如ZigBee中有16位短地址，6LowPan中有64位地址。在应用中只需要能定位到详细节点即可，不需要关心节点是采取IP地址还是16位短地址，也不关心节点间组网是采取ZigBee还是6LowPan或者其它方式。将这些地址转换为统一表示方式，有利于应用开发，所以在网关中实现一个地址映射机制，将IP或者16位短地址映射为统一ID，在与应用交互过程中只需要关注这个ID即可。详细映射方式能够采取从1累加方式，当网关接收到第一个节点数据时，将该节点地址映射为1，后续依次加1，将这个映射表保留在网关中。同时还采取老化机制，在一定时间内没有收到该节点数据时，将此条映射关系删除。采集模块数据接口统一：采集模块与网关之间定义AT指令集，节点经过ZigBee协议组网。在与网关接口之间只关注一些对采集模块控制指令和数据交互指令，不关注详细组网协议，实现组网协议无关性。数据映射关系管理：怎