物聯網組網采用分層的通信系統架構，包括感知延伸系統、傳輸系統、業務運營管理系統和各種應用，在不同的層次上支持不同的通信協議，如圖1所示。關鍵詞：
智能網關物聯網
1 物聯網網絡架構
物聯網組網采用分層的通信系統架構，包括感知延伸系統、傳輸系統、業務運營管理系統和各種應用，在不同的層次上支持不同的通信協議，如圖1所示。 感知延伸系統包括感知和控制技術，由感知延伸層設備以及網關組成，支持包括Lonworks、UPnP、Zigbee等通信協議在內的多種感知延伸網絡。感知設備可以通過多種接入技術連接到核心網，實現數據的遠程傳輸。業務運營管理系統面向物聯網范圍內的耗能設施，包括了應用系統和業務管理支撐系統。應用系統為最終用戶提供計量統計、遠程測控、智能聯動以及其他的擴展類型業務。業務管理支撐系統實現用戶管理、安全、認證、授權、計費等功能。
2 物聯網網關層次結構
物聯網網關支持感知延伸設備之間的多種通信協議和數據類型，實現多種感知延伸設備之間數據通信格式的轉換，對上傳的數據格式進行統一，同時對下達到感知延伸網絡的采集或控制命令進行映射，產生符合具體設備通信協議的消息。物聯網網關對感知延伸設備進行統一控制與管理，向上層屏蔽底層感知延伸網絡的異構性，共分為四層，分別為業務服務層，標準消息構成層，協議適配層和感知延伸層，如圖2所示。
2.1 業務服務層
由消息接收模塊和消息發送模塊組成。消息接收模塊負責接收來自物聯網業務運營管理系統的標準消息，將消息傳遞給標準消息構成層。消息發送模塊負責向業務運營管理系統可靠地傳送感知延伸網絡所采集的數據信息。該層接收與發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議的數據格式。當感知延伸層上傳數據時，該層的消息解析模塊則解析依賴于具體設備通信協議的消息，調用消息轉換模塊將其轉換為業務服務層能夠接收的標準格式的消息。消息構成層是物聯網網關的核心，完成對標準消息以及依賴于特定感知延伸網絡的消息的解析，并實現兩者之間的相互轉換，達到統一控制和管理底層感知延伸網絡，向上屏蔽底層網絡通信協議異構性的目的。
2.3 協議適配層
協議適配層保證不同的感知延伸層協議能夠通過此層變成格式統一的數據和控制信令。
2.4感知延伸層
此層面向底層感知延伸設備，包含消息發送與消息接收兩個子模塊。消息發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，發送至標準消息構成層進行解析。感知延伸網絡由感知設備組成，包括射RFID、GPS、視頻監控系統、各類型傳感器等。感知延伸設備之間支持多種通信協議，可以組成Lonworks和Zigbee以及其他多種感知延伸網絡。
圖3展示了物聯網中信息交互流程，可以看出，物聯網網關解決了物聯網網絡內不同設備無法統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，實現對不同感知延伸層設備的統一訪問。
3 物聯網網關設計
3.1 硬件結構
網關的總體結構如圖4 圖所示，數據采集模塊實現物理世界數據的采集或者匯聚，它可以是傳感器網絡的匯聚節點、RFID網絡的閱讀器、視頻采集設備、GPS等。處理/存儲模塊是網關的核心模塊，它實現協議轉換、管理、安全等各個方面的數據處理及存儲。接入模塊將網關接入廣域網，可能采用的方式包括有線(以太、ADSL、FTT 等)、無線(WLAN、GPRS、3G、衛星等)。供電模塊負責為網關供電，可能的供電方式包括市電、太陽能、蓄電池等。
在此，將數據采集模塊和處理/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。需要在開發過程中逐漸定義出A接口和B接口的規范及標準。
3.2 軟件結構
網關的設計思路是以模塊化的方式實現軟硬件的各個部分，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，支持新的數據匯聚模塊和接入模塊則只需要開發相應的硬件模塊和驅動程序即可。另外，將處理過程中的數據進行統一，負載部分采用TLV(Type、Length、Value)的方式進行組織，如圖6所示。
4 物聯網網關DEMO版
目前需要開發的DEMO系統整體結構如圖7所示，無線傳感器節點采集環境中的溫度等信息，通過無線多跳自組織方式將數據發送到網關，固定式閱讀器讀取 RFID標簽內容發送到網關;網關將這些數據通過WCDMA網絡發送到服務器;服務器對這些數據進行處理、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。通過實現這個DEMO系統，可以對物聯網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無線傳感器節點：無線傳感器節點選用目前支持IEEE 802.15.4標準的，可以支持ZigBee和 6LoWPAN協議的節點。
4.2 系統結構
DEMO系統的網關結構如圖8所示，固定閱讀器和無線傳感器節點通過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方式：(1)、采用PC機作為處理模塊(2)、采用ARM處理器實現處理模塊，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.無線傳感器節點軟件 無線傳感器節點軟件基于單片機和C語言開發，在購買的無線傳感器節點的代碼基礎上能很快完成。
2.網關軟件 網關軟件采用Linux操作系統進行開發，其軟件結構如圖10所示。最底層為各硬件的驅動程序，在應用程序中實現協議轉換、配置管理等應用程序。
需要實現的功能包括：無線傳感器網絡和RFID網絡與WCDMA網絡之間的協議轉換，這里主要考慮的是各網絡之間的數據包組織和轉換;
配置管理：利用Console、Telnet、Web幾種方式可以對網關進行配置;
3.服務器軟件
服務器軟件的結構如圖11所示。通信模塊負責收發數據，數據處理負責將Web/UI產生的數據進行組包或者將接收到的數據解包存儲到數據庫中。
5 結束語
物聯網網關在物聯網中起到關鍵作用。本文旨在研究一種能支持各種傳感器網絡及接入網絡的異構性網關設備，它能支持不同類型的傳感器節點(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一的數據格式，從而為應用屏蔽不同的傳感器網絡及接入網絡，使得應用程序只需要關注于應用環境的數據處理。在物聯網網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，從而真正實現立體全方位的保證業務安全。
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