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。關鍵詞：

智能網(wǎng)關物聯(lián)網(wǎng)

1 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡架構

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，共分為四層，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。

2.1 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。

2.2 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。

2.3 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。

2.4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。

圖3展示了物聯(lián)網(wǎng)中信息交互流程，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 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關設計

3.1 硬件結構

網(wǎng)關的總體結構如圖4 圖所示，數(shù)據(jù)采集模塊實現(xiàn)物理世界數(shù)據(jù)的采集或者匯聚，它可以是傳感器網(wǎng)絡的匯聚節(jié)點、RFID網(wǎng)絡的閱讀器、視頻采集設備、GPS等。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、FTT 等)、無線(WLAN、GPRS、3G、衛(wèi)星等)。供電模塊負責為網(wǎng)關供電，可能的供電方式包括市電、太陽能、蓄電池等。

在此，將數(shù)據(jù)采集模塊和處理/存儲模塊之間的接口稱為A接口，將接入模塊和處理/存儲模塊之間的接口稱為B接口。A接口的類型可能有UART(用得最多的方式)、RS232/RS485(如各種儀器、儀表)、SPI(直接對短距離RF模塊進行操作時用)、USB(視頻頭)、Ethernet、AD總線等;B接口的類型可能有UART、USB、AD總線等。需要在開發(fā)過程中逐漸定義出A接口和B接口的規(guī)范及標準。

3.2 軟件結構

網(wǎng)關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。其中硬件模塊采用總線形式(如UART、USB、PCI、本地總線等)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，如圖5所示。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，將處理過程中的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一，負載部分采用TLV(Type、Length、Value)的方式進行組織，如圖6所示。

4 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關DEMO版

目前需要開發(fā)的DEMO系統(tǒng)整體結構如圖7所示，無線傳感器節(jié)點采集環(huán)境中的溫度等信息，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。通過實現(xiàn)這個DEMO系統(tǒng)，可以對物聯(lián)網(wǎng)相關的關鍵技術進行研究。

4.1 硬件組成

1.RFID標簽：RFID標簽選擇卡片式的，方便演示時使用。

2.固定式閱讀器：固定式閱讀器選擇價格低廉、只有普通的讀寫卡功能的串口閱讀器。

3無線傳感器節(jié)點：無線傳感器節(jié)點選用目前支持IEEE 802.15.4標準的，可以支持ZigBee和 6LoWPAN協(xié)議的節(jié)點。

4.2 系統(tǒng)結構

DEMO系統(tǒng)的網(wǎng)關結構如圖8所示，固定閱讀器和無線傳感器節(jié)點通過RS232跟處理模塊通信，WCDMA通信模塊通過USB跟處理模塊通信。

圖9 基于ARM的處理模塊結構 處理模塊目前考慮兩種實現(xiàn)方式：(1)、采用PC機作為處理模塊(2)、采用ARM處理器實現(xiàn)處理模塊，其硬件結構如圖9所示。服務器使用辦公用的PC機即可。

4.3 軟件組成

1.無線傳感器節(jié)點軟件 無線傳感器節(jié)點軟件基于單片機和C語言開發(fā)，在購買的無線傳感器節(jié)點的代碼基礎上能很快完成。

2.網(wǎng)關軟件 網(wǎng)關軟件采用Linux操作系統(tǒng)進行開發(fā)，其軟件結構如圖10所示。最底層為各硬件的驅動程序，在應用程序中實現(xiàn)協(xié)議轉換、配置管理等應用程序。

需要實現(xiàn)的功能包括：無線傳感器網(wǎng)絡和RFID網(wǎng)絡與WCDMA網(wǎng)絡之間的協(xié)議轉換，這里主要考慮的是各網(wǎng)絡之間的數(shù)據(jù)包組織和轉換;

配置管理：利用Console、Telnet、Web幾種方式可以對網(wǎng)關進行配置;

3.服務器軟件

服務器軟件的結構如圖11所示。通信模塊負責收發(fā)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理負責將Web/UI產生的數(shù)據(jù)進行組包或者將接收到的數(shù)據(jù)解包存儲到數(shù)據(jù)庫中。

5 結束語

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關在物聯(lián)網(wǎng)中起到關鍵作用。本文旨在研究一種能支持各種傳感器網(wǎng)絡及接入網(wǎng)絡的異構性網(wǎng)關設備，它能支持不同類型的傳感器節(jié)點(無線如 ZigBee、6LoWPAN等，有線如RS485、CAN等)和接入方式(如有線、WLAN、GPRS、3G等)，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。在物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關研究方面下一步將集成了防火墻、 VPN、DoS、流量管理、IPS、IDS、上網(wǎng)行為管理、內容過濾、WEB安全、防病毒、反垃圾郵件等多種功能模塊，可以滿足多方面的防護需要，從而真正實現(xiàn)立體全方位的保證業(yè)務安全。