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[导读]摘要:物联网网关设备是最适合将多种接入手段整合起来,统一互联到接入网络的关键设备,可满 足局部区域短距离通信的接入需求,实现与公共网络的连接,同时完成转发、控制、信令交换和编解码等 功能。文中分析了智能化物联网网关应具备的能力,同时介绍了水产养殖物联网系统的架构和功能。

1物联网网关

互联网的普及,使很多了解互联网的人都知道网关这么一 个名词,网关(Gateway)就是一个网络连接到另一个网络的“关 口”在Internet网中,网关是一种连接内部网与Internet上其 他网的中间设备,也称路由器。

众所皆知,物联网概念在美国诞生,作为新一代信息技 术的重要组成部分,物联网系统是通过射频识别(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 约定的协议,把任何物品组成一个感知网络与互联网相连接, 进行信息交换和通信的系统架构。图1所示为物联网体系架构。

图1物联网体系架构

从物联网的体系架构中,我们可以看到在感知层和网络层 两个不同的网络之间需要一个中间设备:物联网网关。

物联网的接入方式是多种多样的,物联网网关设备是最 适合将多种接入手段整合起来,统一互联到接入网络的关键设 备,网关可满足局部区域短距离通信的接入需求,实现与公共 网络的连接,同时完成转发、控制、信令交换和编解码等功能, 而终端管理、安全认证等功能保证了物联网业务的质量和安 全。网联网网关可以实现感知延伸网络与接入网络,以及不同 类型感知延伸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。

2智能化物联网网关应具备的能力

归纳起来高度智能化物联网网关应具备以下能力:

2.1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WSNs技 术就包括 Lonworks、ZigBee、6LowPAN、RUBEE 等。从网 关所处的位置可以看出,网关需要具备接入多种现有通信网的 能力,这些通信网包括2G/3G/4G移动通信网络、无线局域网、 有线网络。因此,网关必须具备相应网络的接口和软硬件的接 入能力。现在国内外已经在展开针对物联网网关进行标准化工 作,如3GPP、传感器工作组,实现各种通信技术标准的互联 互通。

2.2强大的管理能力

管理对于任何大型网络都是必不可少的。首先要对网关 进行管理,如注册管理、权限管理、状态监管等。网关实现 子网内的节点的管理,如获取节点的标识、状态、属性、能量 等,以及远程实现唤醒、控制、诊断、升级和维护等。由于 子网的技术标准不同,协议的复杂性不同,所以网关具有的管 理性能力不同。提出基于模块化物联网网关方式来管理不同的 感知网络、不同的应用,保证能够使用统一的管理接口技术对 末梢网络节点进行统一管理。

2.3协议转换能力

从不同的感知网络到接入网络的协议转换,将下层的标 准格式的数据统一封装,保证不同的感知网络的协议能够变 成统一的数据和信令;将上层下发的数据包解析成感知层协 议可以识别的信令和控制指令。

能处理如此繁多复杂的不同类型工作的高智能化设备, 需要有很强的研发设计能力和针对不同行业应用的深厚实践 经验。

3水产养殖物联网系统架构和功能

下面就上海辰汉电子在水产养殖方面的具体例子,介绍 物联网网关的研发设计和功能。

随着物联网技术迅速发展,基于物联网的设施渔业信息 化已经成为设施渔业生产向集约、高产、高效、优质方向发 展的重要推动力。设计中的水产养殖物联网架构如图2所示。

图2水产养殖物联网架构

物联网利用ZigBee无线网络技术组成无线传感器网络, 感知养殖场的水质情况,例如温度、溶解氧浓度、PH值等, 将这些数据实时发送至物联网网关。网关将养殖场的环境数 据利用3G模块(或GPRS模块)发送至控制中心的服务器, 服务器利用专家系统依据水产品的生长模型结合人工智能技术 向网关发送控制指令,网关依控制指令利用控制箱驱动电机采 取动作,调节养殖场的水产品的生长环境,从而利于水产品生 长。物联网网关留有摄像头接口,能够根据用户需求将生产现 场的图片或者视频发至控制中心服务器,服务器上部署软件并 接入Internet网络,用户可以利用个人电脑或者手机登录到服 务器,查询养殖水域内外环境数据、浏览生产现场图片、观 看现场视频,还可以远程控制各种生产设备。当养殖场环境 异常时,除了服务器中的专家系统发出指令驱动电机调节环境(如增氧机增加溶解氧),控制中心的告警箱也能够发出声光 告警,服务器向相关人员发出告警短信。控制中心内的显示器 (或者大屏幕)上能够显示各个传感器的工作状态、读数、现 场图片等信息。因此,物联网技术能够实现设施渔业养殖的 动态实时监管、数据统计分析、科学决策、预警及风险控制、 专家咨询等生产过程的科学化、数字化。

水产养殖物联网网关设计从水产养殖物联网架构可以看 出网关是物联网核心设备。网关的设计包括两部分:硬件设计 和软件设计。

(1)网关硬件设计。网关中的处理器采用ARM Cortex-A8。该处理器的主频可以达到1 GHz以上,处理能力 很强。网关配置512 MB DDR3内存以及4 GB NANDFlash, 运行Adroid2.3系统。根据物联网的组网要求,网关具备 10/100M以太网接口、内置无线WiFi模块、用于连接3G/ GPRS模块的USB接口以及用于连接传感网协调器的串行口。 为了获取视频或者图像,网关具备模拟视频接口。网关还带有 液晶显示屏以及HDMI接口,HDMI接口可以接高清大屏幕。

(2)网关软件设计。根据网关的功能,网关的软件包括 接入配置管理模块、ZigBee传感网通信及控制模块、协议转 换模块、图像处理模块、显示模块、故障处理模块。接入配 置管理模块用于对多种接入方式的配置和管理,这些接入方 式包括有线以太网接入、无线局域网接入、3G/GPRS无线接入。 ZigBee传感网通信及控制模块通过串行口与ZigBee协调器通 信,获取传感网的数据,控制传感网的网络运行。协议转换模 块解决传感网与后台服务器之间的通信协议转换,保证传感网 数据能够正确发往服务器,服务器发来的指令能够能被正确 发往传感网并可靠执行。图像处理模块能够获取摄像头传来 的图像,并压缩编码,一方面在本地进行存储,另一方面发向 服务器。显示模块将各种信息送向液晶屏和HDMI高清大屏 幕。故障处理模块则将传感网以及网关设备本身的各种故障 进行记录并发送告警信息。

除智慧农业外,高智能化物联网网关还将广泛应用于智 慧城市、智能电网、智慧医疗、智能交通等各行各业。物联网 网关在未来的物联网时代将会扮演着非常重要的角色。

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