物联网网关关键技术的研究和实现方案

陈楚兵



物联网网关关键技术的研究和实现方案

陈楚兵

公诚管理咨询有限公司，广东 广州 510610

随着传感器技术、网络技术、移动互联技术以及云计算技术的发展，物联网在仓储物流、智能电网等各个领域都得到了重要的应用。物联网主要应用的协议为ZigBee协议，ZigBee协议与传统的TCP/IP协议不兼容，符合实现二者的融合至关重要。从物联网应用体系架构分析入手，探讨了物联网关系统的需求，从硬件系统设计和软件系统设计研究了网关系统的设计实现。

物联网；网关；技术；设计；实现方案

物联网一经提出就受到了广泛的关注，物联网技术以传感器网络为基础，其主要应用的协议为ZigBee协议，相较于传统无线传输技术，ZigBee协议有着低功耗和简单的优势。而在物联网的应用过程中，如何促进ZigBee协议与互联网TCP/IP协议的融合是关键，这就对物联网网关系统的设计提出了一定要求。基于以上，本文简要研究了物联网网关关键技术和实现方案。

1 物联网应用体系架构

1.1 感应层

感知层主要分为两部分，分别是传感网络部分和数据采集设备部分，感知层能够获取物理世界的数据。主要的数据采集设备有传感器、摄像头等。

1.2 传输层

传输层以互联网和通信网为基础，将通信网和感知网结合，其涉及到网络技术和通信技术，主要功能是传输感知层所获取的数据。

1.3 应用层

应用层指的是各种应用终端，是最终提供服务的层级，其主要功能是解决信息数据处理问题和提供相应的服务[1]。

2 物联网网关系统需求

2.1 数据转发

物联网网关是传感器网络与互联网之间连接的桥梁，而数据转发是物联网网关最为基本的功能，物联网网关不仅要能够正确的接收互联网终端和传感器网络终端发送来的数据，同时要能够向传感器网络终端和互联网终端发送数据，从而实现数据的转发功能。通过物联网网关的中转作用实现互联网终端和传感器网络终端之间的数据传输。

2.2 协议转换

协议转换也是物联网网关的重要功能，当ZigBee节点发送的数据被接收到的时候，物联网网关要以ZigBee协议规范为基础对网络层、PHY层以及MAC层的包头进行去除，在处理应用层数据之后根据TCP/IP协议标准重新封装数据，将处理之后的数据通过以太网发送出去，对于相反方向的数据传输来说，则需要与之类似的流程，物联网网关不仅要具有ZigBee协议栈，同时要具有TCP/IP协议栈，以此来保证协议转换功能的实现[2]。其具体的转换流程如图1所示：

图1 物联网网关协议转换流程

2.3 管理控制

物联网网关还应当具备管理控制功能，其主要管理和控制的对象为传感器节点，例如物联网网关要能够接收应用命令并处理应用命令，之后将处理过的命令下达给传感器节点，这就实现了对网关下层传感器网络的管理和控制。

3 物联网网关系统设计

3.1 硬件系统设计

ARM开发板、GPRS无线通信以及Sink节点是组成物联网网关系统的三大模块，其具体的构成如图2所示。

图2 物联网网关硬件系统设计

采用ARM9架构的处理器，MSP430作为感知节点的处理器，CC2420作为感知节点的无线通信模块，无线收发模块以ZigBee芯片为基础，嵌入到系统中，子节点之间能够进行数据传输，采用EM310作为GPRS的无线通信模块，其能够实现物理世界与传感器网络之间的联系[3]。通过sink对节点收集到的数据进行发送，网关接受节点收集到的数据，UART串口能够实现网关和sink节点直接的连接，这就构成了上传数据和下达命令的通道。

3.2 软件系统设计

物联网网关位于物联网系统的传输层，感知节点属于物联网系统的感知层，其能够实现传感数据的收集，在收集之后将数据上报给网关，网关下达的命令也由感知节点接收。在感知节点中设置数据处理模块，能够实现上传数据和下达命令的解析，在传感网络内部还需要完成时间同步工作和数据收集工作，这些工作的完成依赖于基础服务模块和传输协议。物联网网关位于管理平台和感知节点之间，网关能够接收管理平台下发的命令，并能够将命令继续下达给感知节点，网关还能够接收感知节点上传的数据，并将这些数据上报给管理平台[4]。在接收和下达管理平台命令的时候依赖于以太网和GPRS网的交互模块，在接收和发送感知节点数据的时候依赖于串口读写模块。设置命令映射模块完成对命令的解析，对命令属性进行判断，设置协议转换模块对感知节点数据包进行解析，之后重新封装处理，将其处理为管理平台适合接收和识别的格式。网关本身的管理功能则能够完成配置管理工作和日志管理工作，对网关事件和配置信息完成记录，同时实现上传。

物联网系统的应用管理层是管理平台，对网关命令的下达和数据的收取工作由管理平台来完成，进而实现对物联网网关和传感网络的有效管理，管理平台接收的数据都在数据库中存储，用户能够通过界面实现操控，其能够对传感器网络和网关的配置，从而完成其对于网关和传感网的管理功能。

此外，管理平台能够实现对数据的统计和分析，这就为用户的管理和操控提供了依据。从本质上来讲，管理平台能够提供用户管理接口，其能够通过对网管的操作来实现对传感网和网关的管理。

4 实现方案

物联网系统启动之后会对应用程序进行初始化设置，上述物联网网关设计能够实现GPRS交互和TCP交互两种交互方式。GPRS交互中，首先发送AT指令来对交互模块进行启动，之后对串口通信速率进行合理的设定，对socket的连接进行建立，为之后的通信过程做好准备；在TCP交互中，首先对配置信息进行读取，之后建立socket连接来为之后的交互做好准备。

在物联网网关初始化设置完成之后对整个网络进行监听，以外部事件响应类型为基础来进行数据转发[5]。在接收到以太网数据之后，则对其进行判断，如果是管理平台下达的命令则进行进一步判断，如果命令是要对网管侧信息进行获取，则对交互模块进行调用，进行信息发送，如果命令是对传感网下达的命令，则需要进一步解析，应用串口读写模块将命令发送给传感网，如果获取传感网数据，则对数据进行解析，将数据发送到管理平台中。这就是物联网网关的实现过程。

5 结语

综上所述，物联网网关对于物联网系统功能的实现有着至关重要的作用，其是传感网络与互联网之间连接的桥梁。研究以ZigBee协议为基础，研究了物联网网关的设计与实现，旨在为物联网的相关设计提供参考。

[1]胡金辉.物联网网关关键技术的研究和实现方案[D].西安电子科技大学，2012.

[2]张伟，张哲.物联网网关的接入技术[J].南阳师范学院学报，2010（12）：68-70.

[3]陈海明，崔莉，谢开斌.物联网体系结构与实现方法的比较研究[J].计算机学报，2013（1）：168-188.

[4]张艺粟，李鸿彬，贾军营，于波.物联网ZigBee网关的设计与实现[J].计算机系统应用，2013（6）：34-38.

[5]薛涛，惠剑，杜军朝，刘惠，张小平，刘传益，邓清哲，李旋，李晓军.新一代物联网网关研究[J].物联网技术，2012（3）：51-53.

TN929.5；TP391.44

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1009-6434（2016）04-0071-02