物联网网关技术与应用

黄海昆，邓佳佳

（中国电信股份有限公司上海研究院 上海 200122）

随着信息通信技术（ICT）的不断进步，通信网络作为信息通信技术的重要基础，已经从人到人的通信发展到人与物以及物与物（M2M），并逐渐趋向于从纵向的局部物物相连过渡到横向的跨应用、跨地域的物联网 （Internet of things，IOT）。而如何利用现有的网络资源构建合理的物联网，达到可运营、可管理，使各种网络资源相互配合、相互融合，实现效能最大化，是摆在运营商面前的一个重要难题。

1 传统通信网与新兴近程通信网的比较

物联网的概念是在1999年提出的，它的定义很简单，即把所有物品通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备与互联网连接起来，进行信息交换和通信，实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理。物联网是继计算机、互联网之后的世界信息产业第三次浪潮，前两次浪潮分别以PC机和信息处理为代表，而本次浪潮将在前两次科技浪潮技术成果积累的基础上，进一步将信息获取的触角延伸至感知层，实现更广域的互联互通。

目前，随着通信技术的发展，人与人之间信息的交流传递变得越来越简单、快捷。但是，现有的电信网络主要应用于人与人之间的信息传递，很少应用于物与物、人与物之间。这是由多方面原因造成的：大量感知类节点间通信如果都采用电信网络传输的话，成本会非常昂贵，并且电信网络从技术上也很难保障区域范围内海量节点的同时在线通信；很多感知节点工作环境非常严酷，且一般都要求长时间不更换电池工作，这些也是现有电信网络技术很难保障的；此外，大量物体间的通信并不是所有节点都需要具备电信网络所具备的远距离通信能力。

在这种情况下，无线传感器网络（WSN）、RFID等近程通信技术应运而生，并在很短的时间内获得了广泛的应用。无线传感器网络具有低功耗、大规模、自组织网络、多跳路由、动态组网、以数据为中心、应用相关等特点，有效弥补了电信网络在感知层面的缺陷。因此，大量感知类节点间的通信一般采用无线传感器网络、RFID等近程通信技术，通过构建一个节点间自组织的无线网络，以一种低成本、高效率的方式，实现人与物、物与物间的通信。

但是，由于信息感知领域内常用技术应用场景的特殊性，其技术优势从另一角度看也可以认为是其先天的不足。这些感知类网络技术一般都应用在局部区域内，网与网之间无法通信，这样就构成了一个个信息的孤岛，离真正实现全面互联互通、协同感知还有一定距离。比如现有的传感器网络技术，由于节点一般采用电池供电，导致功耗必须非常低，计算及存储资源必须受限，通信带宽、传输距离、覆盖范围都必须减小等一系列特性。此外，各类感知技术种类繁多，且采用不同的通信协议，根本无法实现互联互通。

利用如今各大运营商已建成的覆盖全国的有线、无线通信网络，能够满足高带宽、数据远距离传输的要求。通过传统通信网络与传感器网络、RFID等感知技术的有力结合，可以有效解决感知节点远距离互联互通的问题。

当然，在物联网时代，传统通信运营商必须对现有的网络架构与运营模式进行一定的改造，才能满足新的应用需求，一方面需要在网络架构上使现有的通信网络与毛细感知网络实现无缝融合，另一方面需要加强对感知网络、终端节点的运营管理，提升增值服务能力。这样就应运而生了一种新的网元设备——物联网网关（IOTGW），其较好地解决了这些问题。

2 物联网网关

目前的很多传感器网络为了实现信息的远距离传输，都不同程度地借助蜂窝通信网或有线网络，把小范围内的传感器网各节点的信息通过sink节点连入互联网，这种跨传感器网和传统通信网的节点实际上就是物联网网关的雏形。

物联网网关，作为一个新的名词，在未来的物联网时代将会扮演非常重要的角色，它将成为连接感知网络与传统通信网络的纽带。作为网关设备，物联网网关可以实现感知网络与通信网络，以及不同类型感知网络之间的协议转换，既可以实现广域互联，也可以实现局域互联。此外物联网网关还需要具备设备管理功能，运营商通过物联网网关设备可以管理底层的各感知节点，了解各节点的相关信息，并实现远程控制。图1示意性地给出了以物联网网关构建的物联网典型拓扑。

对运营商而言，这种网关设备意味着运营商网络向网络末梢的延伸，从而构建起从电信骨干网、接入网、移动通信网到近程通信的感知网络的整体性网络，不同地域、不同应用的感知网络通过电信网络连接在一起，实现不同子网的信息交换和通信，从而实现了以运营商网络为核心的物联网。而要满足这种物联网的可运营、可管理并达到电信级的安全性、稳定性，作为桥梁的物联网网关必须满足以下几个要求。

（1）广泛的接入能力

目前用于近程通信的技术标准很多，仅常见的传感网技术就包括 ZigBee、Z-Wave、RUBEE、WirelessHART、IETF 6LowPAN、ANT/ANT+、Wibree、Insteon 等。各类技术主要针对某一类应用展开，之间缺乏兼容性和体系规划。如：Z-Wave主要应用于无线智能家庭网络，RUBEE适用于恶劣环境，WirelessHART主要集中在工业监控领域。如何实现各种通信技术标准的互联互通，就成为物联网网关必须要解决的问题。是针对每种标准设计单独的网关，再通过网关之间的统一接口实现，还是采用标准的适配层、不同技术标准开发相应的接口实现，是需要我们思考的。

（2）可管理性

强大的管理能力，对于任何大型网络都是必不可少的，而电信网络能在广阔的互联网中居于核心位置，其分层分权的管理特性是一个重要原因。如何将电信网络的可管理性扩展到感知网络，是构建物联网的关键点。运营商目前已不同程度地建有各种网络管理平台，通过各种标准的或专用的管理协议对连接在固定网、移动网中的各种网元设备进行远程管理。物联网网关作为与电信网络相连的网元，容易按照运营商管理平台的协议实现对网关本身的管理，包括注册登录管理、权限管理、任务管理、数据管理、故障管理、状态监测、远程诊断、参数查询和配置、事件处理、远程控制、远程升级等。但要想实现全网的可管理，不仅要实现网关设备本身的管理，还要进一步通过网关实现子网内各节点的管理，例如获取节点的标识、状态、属性等信息，以及远程唤醒、控制、诊断、升级维护等。尽管根据子网的技术标准不同，协议的复杂性不同，所能进行的管理内容有较大差异，但通过电信运营的物联网管理平台，不同的感知网络、不同的应用能够使用统一的管理接口对末梢网络节点进行统一管理。

电信运营的物联网网关的基本组成结构如图2所示，主要包括以下层次。

（1）广域接入层

提供各种北向连入电信网络的通道接口，如CDMA、Wi-Fi、ADSL等，既可以是单一接入方式，适用于特定网络环境的组网，也可以同时提供多种接入方式，适用于非固定环境或者移动环境的组网。

（2）协议转换和控制层

这一层的模块提供从感知网络到电信网络的协议转换，将协议适配层上传的标准格式的数据统一封装，将广域接入层下发的数据解包成标准格式数据；同时内建管理协议（例如中国电信的MDMP），实现与管理平台的协议对接，实现管理协议的解析并转换为感知层协议可以识别的信号和控制指令。

（3）协议适配层

协议适配层定义标准的感知层接入标准接口，保证不同的感知层协议能够通过适配层变成格式统一的数据和信令。

（4）感知接入层

实现不同感知网络的协议接入和解析，按照应用的场景既可以是某种特定的协议，也可以是某几种协议的组合，甚至可以通过外插模块实现多协议的扩展，达到融合接入的能力，这一点在公共服务应用领域尤为重要。

按照上述结构实现的物联网网关设备很好地满足了前面描述的基本要求。

（1）在广泛的接入能力方面

通过协议适配层为不同的近程通信协议提供了统一的数据和信令接口，不同的协议通过在感知接入层实现各自的协议解析；通过协议适配层实现不同近程网络的互联，并能以统一的数据格式和控制方式与电信网络相连。

（2）在可管理性方面

通过在协议转换和控制层实现的管理协议，一方面完成对网关本身的远程管理，另一方面通过协议适配层提供的标准信令接口与近程通信网络节点进行控制信息交互，从而实现对各节点的状态、属性等信息的获取和对节点的远程唤醒、控制、诊断、升级维护等，对于复杂程度各异的近程通信协议，其管理能力可以不同，而不同的应用场景可以根据其应用特点和管理要求选择适合的近程通信技术组网。

3 典型应用方式

图3是一个传感网与物联网网关的连接结构示意。

实际应用中，传感网通过传感器接收数据，然后通过WSN协议发送数据到网关，再由网关将数据发送到应用平台。应用平台将数据处理后将控制指令发送到网关，由网关发送到各个节点的处理器，对相应的传感器进行控制。

3.1 应用示例1：电力行业

以电力应用为例，物联网网关在电力系统的应用包括电力传输线路监控和抄表系统。

无线传感器网络产品可用于监测大跨距输电线路的应力、温度和震动等参数。每个传感器节点部署在高压输电线上，而网关固定在高压输电塔上，这样就克服了超高压大电流环境中在线监测装置的电磁屏蔽、工作频率干扰、电晕干扰、在线监测装置的长期供电等技术难题，解决了导地线微风振动传感技术、无线数据传输、多参数信息监测与集成等关键技术问题。无线传感器网络的优良特性能为电力系统提供更加广泛和完善的解决方案，同时灵活、开放、可配置的无线传感器网络技术平台能够满足电力行业开发与应用的特殊需求，使及时、准确、低成本的电力系统监测控制成为可能。用于监控的传感器节点包含多个传感器，如应力、温度、震动传感器，如果按照传统方式，每个传感器配置一个远距离移动通信模块，不仅功耗大，增加了人力维护检修的成本，而且需要占用大量的网络资源，降低了网络使用的效率。采用物联网网关设备，将数个相邻的传感器节点通过同一个网关传输数据，这样大幅度减少传感器占用的网络空号和资源数，也使节点可以使用耗电更小的短距传输的WSN协议，延长了人工更换电池的周期，同时通过物联网网关的远程管理能力，监控节点的能源消耗，提供故障预警、远程诊断等管理功能，帮助电力系统节省大量的人力维护成本。

在电力大量应用的远程无人抄表系统中，传统做法是为每个电表配备一个GSM/GPRS或CDMA数据模块，这样不仅设备部署的成本高，而且需要大量的运输商的号码资源，但是每个号码资源又都是短时小数据流量的应用，无形中增加了网络运营的负担，有可能对正常的语音和数据服务造成影响。对电力系统而言，这些号码资源的使用也是不小的成本支出。使用物联网网关后，可以一幢大楼甚至几幢大楼部署一个网关，电表信息汇聚到网关后由网关通过运营商网络传送到电力系统的管理平台，这样大大减少了电力系统的成本支出，同时也减轻了运营商网络的运营压力，提高了效率。除了抄表功能本身，通过物联网网关强大的管理能力，还可以监控每个抄表终端节点的运行状态，远程维护数量庞大的末梢节点，节省了人力维护成本。

3.2 应用示例2：智能家居

物联网网关在家庭中的使用也是很有代表性的物联网应用。现今，家庭内部里的许多家用设备形式越来越多样，有些设备本身就具备遥控能力，比如空调、电视机等，有些则不具备这方面能力，比如热水器、微波炉、电饭煲、冰箱等。而这些设备即使可以遥控，对其控制能力、控制范围都是非常有限的，并且这些设备之间都是相互孤立存在的，不能有效实现资源与信息的共享。随着物联网技术的发展，特别是物联网网关技术的日益成熟，智能家居中各家用设备间互联互通的问题也将得到解决。

家庭物联网网关，作为构建家庭信息化、智能化的核心设备，将承担起非常重要的作用，它是一个非常典型的物联网网关应用，它可以将家庭区域内多个智能设备互联互通起来，在家庭内部形成一张家庭网络，实现家用设备间资源和信息的共享。此外，家庭物联网网关还扮演家庭网络与外部电信网络接口的角色，为各种家庭网络业务提供增值的接入和控制功能，从而使家庭网络成为电信网络向家庭内部的延伸，电信网络成为家庭网络向广域世界的拓展。

图4显示了一个典型的智能家庭物联网结构。图中，电视机、洗衣机、空调、冰箱等家电设备，门禁、烟雾探测器、摄像头等安防设备，台灯、吊灯、电动窗帘等采光照明设备等，通过集成特定的通信模块，分别构成各自的自组网子系统。而在家庭物联网网关设备内部，集成了几套常用自组网通信协议，能够同时与使用不同协议的设备或子系统进行通信。用户只需对网关进行操作，便可以控制家里所有连接到网关的智能设备。此外，家庭物联网网关还集成了cdma2000 1x/EV-DO以及互联网接入能力，能够与外界进行广域互联。这样，通过家庭物联网网关设备，在全世界任何一个地方都可以对家里的设备进行操作和控制，大大提升了便利性与适用性。

依靠物联网网关对异构感知网的协议转换能力，甚至可以实现不同子系统之间的相互协作。比如，在安防系统报警的时候，除了控制系统内的门禁加锁以外，还可以自动控制照明系统全部打开或者闪烁，使小偷无所遁形。这种跨应用系统的信息共享和相互协作正是物联网的精髓所在。

4 结束语

物联网的概念由来已久，但是物联网的具体实现方式和组成架构一直都没有形成统一的意见。从电信运营商的角度而言，利用自身的优势，依托电信广泛覆盖的可靠的网络资源，构建起以电信网络为核心的可运营、可管理的物联网是电信运营商抓住第三次浪潮的发展契机，而连接运营商网络和传感器网络的物联网网关是实现这种物联网的关键网元。依托于这种物联网，传感器产业借助运营商的网络优势和商业运营能力将小规模、分散的局部垂直专网型应用逐步发展为大规模的商业应用，形成真正的物联网运营产业，形成产业间的优势互补，奠定共同拓展市场空间的良好基础。