基于物联网智能家居网关系统的设计与研究

刘远聪

摘要：物联网以“全面感知、无缝互联、高度智能”的特性被视为第三次信息化浪潮。为了解决物联网不能与以太网进行直接通信的问题，提出了物联网网关技术，利用现代信息技术与网络技术，通过不同类型感知网之间的协议转换和建立统一的指令与标准，实现物联网与以太网之间的数据信息传送和控制。实验测试数据证明该系统具有良好的稳定性和可控性。

关键词：物联网 传感网 以太网 物联网网关

1 引言

物联网是通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按协议与通信网络相连接，进行数据信息交换和共享，以实现远程数据采集和测量、智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络[1]。实现自动智能处理物品的信息状态，并进行管理和控制，实现信息获取和物品管理的互联互通。現代社会科学技术、通信设备的不断开发和应用，物联网以“全面感知、无缝互联、高度智能”的特性被视为第三次信息化浪潮[2]。随着人们的生活水平不断提高，居住条件不断改善，生活品质不断提升，物联网智能家居应运而生，作为家居智能的核心部分，物联网智能家居网关系统的研究、开发和建设必将是国家经济发展的新趋势。

物联网智能家居是采用计算机网络技术、无线数据传输技术、网络布线技术、计算机接口技术将与家居生活有关的各个子系统如灯光、窗帘、煤气、温湿度、安防控制、信息家电、场景联动等功能有机地融合在一起，应用各种通讯网络实现互联互通，利用必要的安全机制，达到网络化综合智能控制和管理。

现有的通信网络主要用于人与人之间的信息传递，感知网则实现了人与物、物与物之间的无线通信[4]。但不足的是，各种感知网络技术和通信协议都没有形成相对统一的标准，并且传感网的数据信息不能进行远距离的传输，导致传感网与以太网之间无法进行直接通信。为了解决这一矛盾，一种新型的网元设备——物联网网关应运而生。

2 物联网网关简介

在物联网智能控制系统中，通信网络和传感网络是通过物联网网关实现连接和设备管理的。物联网网关屏蔽了感知网内部的异构性，并对感知网络和终端节点进行管理。转换和标准是物联网网关的关键技术，屏蔽感知网异构性必须进行协议的转换，建立统一的指令及标准是实现网关管理功能的必要条件[5]。物联网网关是物联网智能家居的核心，主要进行数据信息协议转换、运行状态控制、数据信息汇聚以及寻址认证等，这也是物联网智能家居的数据信息汇聚中心和控制中心[6]。

3 物联网网关基本功能

（1）数据转发能力。物联网网关作为互联网与传感网络之间的通信桥梁，必须支持传感器网络内部数据的协同与汇聚，并以多种方式桥接传感器网络与互联网。数据转发是其最基础的功能，能同时在传感网终端、互联网终端发送和接收数据。

（2）协议转换能力。传感器网络数据信息常规多采用IEEE 802.15.4等通信协议，以太网多采用TCP/IP协议通信，网关必须进行协议转换。物联网网关向下将下层不同标准格式的数据统一封装，确保不同的感知网络的协议变成统一的数据和信令，向上将上层下发的数据包信息转换成感知层协议能够识别的数据信令和控制指令[7]。

（3）管理控制能力。对于任何网络来说，管理控制功能是不可缺失的。对网关进行管理，如注册、权限、状态监管等管理；对传感器节点的管理，如器件标识、运行状态、网络属性等管理；对智能家居的控制，如远程监测、机械控制、系统诊断、智能维护等。物联网网关接收应用数据和信令，进行识别后下达给传感器节点，实现物联网网关对下层传感器节点的管理与控制。但由于协议和技术标准不同，所以网关的管理能力也不尽相同。

4 物联网网关系统设计

中国通信标准化协会（China Communications Standards Association，CCSA）将物联网主要分为三层：第一层为感知层，第二层是传送层，物联网网关位于本层，第三层是应用层。

（1）感知层。感知层的关键技术主要有检测技术、近距离通信技术，它是物联网发展和应用的基础[8]。感知层主要是由传感网和采集数据信息设备搭建而成。数据采集通常利用各类传感器、RFID、GPS、视频摄像头等设备来完成。传感网络是由多种数据采集设备和许多传感器及其节点组建的。

（2）传输层。传输层的关键技术主要有远程通信技术和网络技术，以现有以太网为基础，载入感知层获取的数据信息进行远程传输，实现感知网与以太网的结合。

（3）应用层。物联网应用层是以数据为中心的物联网的核心技术，利用经过处理的数据信息，为用户提供远程或近郊的控制和服务。各类信息通过各种设备在这一层进行处理和控制，各层之间通过可控的信息分析和运算为用户提供各类服务。

4.1 物联网网关系统的硬件设计

物联网网关由嵌入式ARM9架构的32位RISC微处理芯片、GPRS/Zigbee通信模块、FLASH模块、ARM模块、接口电路、电源等几部分组成。感知层主要由MCS80C51处理器和CC2420无线射频收发器通信模块搭建而成，该模块同时还搭载了嵌Zigbee通信模块，实现网络子节点间的数据传输[6]。物联网网关硬件实物图如图1所示：

4.2 物联网网关软件系统设计

物联网网关位于传输层，主要负责管理平台与感知节点间的数据信息交互[9]。感知节点属于系统中的感知层，其上嵌入了数据处理模块，其主要作用是解析命令和上报数据，收集传感数据信息，并上报给网关，同时接收网关下发的信令。传感网内部的工作（如数据收集和时间同步等）则是通过数据传输协议和基础服务模块共同协作完成。物联网网关软件结构如图2所示：

感知节点和管理平台之间的通信是通过网关来完成的，网关在接收到节点数据信息的同时，也向管理平台接收和报送数据信息。管理平台的信令是通过GPRS模块和以太网模块来接收和发送的。命令映射模块进行信令解译，并将信息传输给节点或网关。协议转换模块实现了传感网数据包解析，并进行统一封装[10]。日志管理和配置管理是网关的主要管理方式，用于记载重要事件和网关的配置信息，并进行数据上传。数据信息发送和传感网信令分发是由数据上报和命令代理模块中sink节点来实现的。

综上所述，系统的应用管理层是通过管理平台来控制和管理网关与传感网络的，管理平台在数据库中自动保存数据信息和维护子系统，并进行数据分析、数据统计和数据存储，实现了服务端和客户端与网关之间的数据信息传输，同时为用户提供便捷的操作界面[8]。

5 物联网网关设计系统实验测试

5.1 物联网网关的数据信息丢包实验测试

（1）传感网节点之间数据信息传输过程中丢包。在物联网网关硬件设计过程中，由于传感器件的不稳定性造成传感网的不稳定性，使得丢包现象时有发生，本网关的丢包实验未对其进行测试。

（2）网关从串口读取sink节点数据信息时丢包。从串口读取sink节点数据信息丢包现象测试相對较为简单，为每一个数据包信息设置序列号，将发送的数据包与接收的数据包序列号进行比较。若相同，则说明没有发生丢包现象，不相同则有丢包现象。

（3）网关与以太网等进行数据信息传输时丢包。测试此种丢包现象是在物联网网关管理平台程序设计过程中添加一段测试程序，使其能自动记录发送的数据信息与未发送的数据信息，并记载与管理日志，在统计中发现此丢包情况较为少见。

本次实验测试中，设置了10个不同的传感器节点，发送数据信息周期为6 s。管理平台每收集到2000个数据包信息作为一次丢包记载测试实验，进行实验十次的测试结果如图3所示：

在图3中，横坐标的标值表示实验次数，纵坐标的标值代表丢包数。可以看出，管理平台在收集到1～2000个、2001～4000个、6001～8000个、12001～14000个、14001～16000个、16001～18000个数据包信息时，测试实验丢包数为1个，管理平台在收集到4001～6000个、8001～10000个、10001～12000个、18001～20000个数据包信息时，测试实验丢包数为2个。10次实验测试结果的平均丢包率为0.6‰，低于CCSA限定的最大丢包率1‰，通过测试实验可知此设计符合标准要求。

5.2 物联网网关的数据信息时延实验测试

物联网网关的数据信息时延也是测试网关性能的一项关键指标。网关的数据信息时延是指读到一条完整的数据信息到完成发送这条数据信息之间的时间间隔[2]。本次实验测试中，也设置了10个不同的传感器节点，数据信息发送周期为6 s。网关每接收并发送1000个数据包信息作为一次数据包信息的平均时延实验，进行10次实验的测试结果如图4所示。

在图4中，横坐标的标值表示实验次数，纵坐标的标值代表平均时延，单位为ms。可以看出，10次中管理平台每接收并发送1000个数据包信息，数据包平均转发时延依次为：8.728060822 ms、9.101037166 ms、8.798108656 ms、9.040832460 ms、8.709430585 ms、9.078904791 ms、8.729397024 ms、8.902405368 ms、8.789098456 ms。远低于CCSA规定的平均时延的上限（IPTD）100 ms。

6 结束语

物联网网关是物联网智能家居的关键技术部分。本文设计了一种基于物联网智能家居网关系统，利用现代信息技术与网络技术，通过不同类型感知网之间的协议转换和建立统一的指令与标准，实现传感网与以太网间的数据信息接收和发送以及对感知网络的管理与控制。为感知网络和以太网之间数据信息传输建立了空中隧道。此系统经过实验测试，具有良好的稳定性和可控性。相信经过不断的改进和创新研究，物联网网关将被广泛地应用于智慧城市、智能电网、远程监控、环境监测等领域。

参考文献：

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[2] 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）： 54-55.

[3] 吴建军. 智能家居系统软件设计与实现[D]. 成都： 电子科技大学， 2014.

[4] 李众，王鹏澄，陆海空，等. 基于ZigBee、以太网、WiFi技术的网关设计[J]. 测控技术， 2015（3）： 18-19.

[5] 陈琦，韩冰，秦伟俊，等. 基于Zigbee/GPRS物联网网关系统的设计与实现[J]. 计算机研究与发展， 2011（9）： 25-26.

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

[7] 张贝贝. 基于ZigBee技术的智能家居控制系统的研究与实现[D]. 青岛： 青岛科技大学， 2016.

[8] M A Rajan， P Balamuralidhar， K P Chethan， et al. A Self-Reconfigurable Sensor Network Management System for Internet of Things Paradigm[A]. 2011 International Conference on Devices and Communications[C]. 2011： 1-5.

[9] 张静静. 面向物联网的互联网关应用研究[D]. 南京： 南京邮电大学， 2012.

[10] 杨志国. 智能家居系统平台协议及客户端设计与实现[D]. 上海： 上海师范大学， 2015.★