物联网网关概念

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。

物联网网关相关技术

1.移动互联网技术

移动互联网已成为全球关注的热点。就如移动语音是相对于固定电话而言，移动互联网是相对固定互联网而言的。虽然目前业界对移动互联网并没有一个统一定义，但对其概念却有一个基本的判断，即从网络角度来看，移动互联网是指以宽带IP为技术核心，可同时提供语音、数据、多媒体等业务服务的开V放式基础电信网络；从用户行为角度来看，移动互联网是指采用移动终端通过移动通信网络访问互联网并使用互联网业务，这里对于移动终端的理解既可以认为是手机也可以认为是包括手机在内的上网本、PDA、数据卡方式的笔记本电脑等多种类型，其中前者是对移动互联网的狭义理解，后者是对移动互联网的广义理解。

从层次上看，移动互联网可分为：终端\设备层、接入\网络层和应用\业务层。其最大的特点是应用和业务种类的多样性（继承了互联网的特点），对应的通信模式和服务质量要求也各不相同：在接入层支持多种无线接入模式，但在网络层以IP协议为主；终端种类繁多，注重个性化和智能化，一个终端上通常会同时运行多种应用。 嵌入式系统技术

2. 嵌入式系统

嵌入式系统(Embedded System)是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。它包括硬件和软件两部分。硬件包括微处理器、存储器及外设器件和I／O端口、图形控制器等；软件部分包括操作系统和应用程序，有时设计人员把这两种软件组合在一起。操作系统控制着应用程序与硬件的交互作用；而应用程序控制着系统的运作和行为。

嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器(Embedded Microprocessor Unit, EMPU)，其在汽车、个人数字助理(PDA)甚至是家用电器领域都获得了广泛的运用。

嵌入式微处理器一般具备4个特点：

对实时和多任务有很强的支持能力；具有功能很强的存储区保护功能；可扩展的处理器结构；

嵌入式微处理器的功耗必须很低。

3.传感器技术

传感器是能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常有敏感元件和转换元件组成。传感器是一种物理装置或生物器官，能够探测、感受外界的信号、物理条件（如光、热、湿度）或化学组成（如烟雾），并将探知的信息传递给其他装置或器官。

传感器属于物联网的神经末梢，成为人类全面感知自然的最核心元件，各类传感器的大规模部署和应用是构成物联网不可或缺的基本条件。对应不同的应用我们提供不同的传感器，覆盖范围包括智能工业、智能安保、智能家居、智能运输、智能医疗等等。

物联网网关功能

（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WSN技术就包括Lonworks、ZigBee、6LowPAN、RUBEE等。各类技术主要针对某一应用展开，缺乏兼容性和体系规划，如Lonworks主要应用于楼宇自动化，RUBEE适用于恶意环境。如何实现协议的兼容性、接口和体系规划，目前在国内外已经有多个组织在开展物联网网关的标准化工作，如3GPP、传感器工作组，以实现各种通信技术标准的互联互通。

（2）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。

（3）可管理能力

强大的管理能力，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。网关实现子网内节点的管理，如获取节点的标识、状态、属性、能量等以及远程唤醒、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能力不同。本文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。

物联网网关层次结构

（1）业务服务层

业务服务层由消息接收模块和消息发送模块组成。消息接收模块负责接收来自物联网业务运营管理系统的标准消息，将消息传递给标准消息构成层。消息发送模块负责向业务运营管理系统可靠地传送感知延伸网络所采集的数据信息。该层接收与发送的消息必须符合标准的消息格式。

（2）标准消息构成层

标准消息构成层由消息解析模块和消息转换模块组成。消息解析模块解析来自业务服务层的标准消息，调用消息转换模块将标准消息转换为底层感知延伸设备能够理解的依赖于具体设备通信协议的数据格式。当感知延伸层上传数据时，该层的消息解析模块则解析依赖于具体设备通信协议的消息，调用消息转换模块将其转换为业务服务层能够接收的标准格式的消息。消息构成层是物联网网关的核心，完成对标准消息以及依赖于特定感知延伸网络的消息的解析，并实现两者之间的相互转换，达到统一控制和管理底层感知延伸网络，向上屏蔽底层网络通信协议异构性的目的。

（3）协议适配层

协议适配层保证不同的感知延伸层协议能够通过此层变成格式统一的数据和控制信令。 （4）感知延伸层

此层面向底层感知延伸设备，包含消息发送与消息接收两个子模块。消息发送模块负责将经过消息构成层转换后的可被特定感知延伸设备理解的消息发送给底层设备。

消息接收模块则接收来自底层设备的消息，发送至标准消息构成层进行解析。

感知延伸网络由感知设备组成，包括射RFID、GPS、视频监控系统、各类型传感器等。感知延伸设备之间支持多种通信协议，可以组成Lonworks和Zigbee以及其他多种感知延伸网络。

网关信息交互流程

（1）最终用户产生符合标准数据格式的消息，并将其发送至网关业务服务层的消息接收模块。

（2）业务服务层消息接收模块将标准消息发送至标准消息构成层的消息解析模块。

（3）消息解析模块调用相应的消息转换功能，将标准信息转换为依赖于具体设备通信协议的消息。

（4）消息解析模块将转换为依赖于具体设备通信协议的消息传送至感知延伸服务层的消息发送模块。

（5）感知延伸服务层的消息发送模块选择合适的传输方式，将依赖设备通信协议的特定消息发送至具体的底层设备。

（6）底层设备根据特定消息执行信息采集操作，并将结果返回给网关感知延伸服务层的消息接收模块。

（7）网关的感知延伸服务层的消息接收模块将依赖设备通信协议的特定消息传送至标准消息构成层的消息解析模块。

（8）消息解析模块调用信息转换模块，将依赖于设备通信协议的特定消息转换为标准消息。

从图5可以看出，物联网网关解决了物联网网络内不同设备无法统一控制和管理的问题，达到屏蔽底层通信差异的目的，并使得最终用户无需知道底层设备的具体通信细节，实现对不同感知延伸层设备的统一访问。

物联网网关系统设计中解决了以下几个关键技术

软件交互协议的统一：物联网网关系统的设计思路是以模块化的方式实现软硬件的各个部分，使得模块之间的替换非常容易，以实现不同的感知延伸网络和接入网络互联，屏蔽底层通信差异。其中硬件模块采用UART总线形式进行连接，软件则采用模块化可加载的方式运行，并将共同部分抽象成公共模块。因此，支持新的数据汇聚模块和接入模块则只需要开发相应的硬件模块和驱动程序即可。另外，添加统一的协议适配层（如图6所示），将应用数据统一提取出来，按照TLV（type，length，value）的方式进行组织，然后封装数据包。使得在接入网络中传输的都是标准的IP数据包，其中封装了TLV格式的采集数据。

统一地址转换：不同的数据采集网络使用不同的编址方式，如ZigBee中有16位短地址，6LowPan中有64位地址。在应用中只需要能定位到具体的节点即可，不需要关心节点是采用IP地址还是16位短地址，也不关心节点间的组网是采用ZigBee还是6LowPan或者其他方式。将这些地址转换为统一的表示方式，有利于应用的开发，因此在网关中实现一种地址映射机制，将IP或者16位短地址映射为统一的ID，在与应用交互过程中只需要关注这个ID即可。具体的映射方式可以采用从1累加的方式，当网关接收到第一个节点数据时，将该节点的地址映射为1，后续的依次加1，将这个映射表保存在网关中。同时还采用老化机制，在一定时间内没有收到该节点的数据时，将此条映射关系删除。

采集模块数据接口的统一：采集模块与网关之间定义AT指令集，节点通过ZigBee协议组网。在与网关的接口之间只关注一些对采集模块的控制指令和数据交互指令，不关注具体的组网协议，实现组网协议无关性。

数据映射关系管理：如何管理网关连接的两种或多种系统中的设备在通信数据中的映射关系，即通常意义上的寻址，是很重要的步骤。而这一部分针对网关所连接的不同，总线设备也有很大区别。本网关对所有可能下挂的模块的输入输出数据格式进行分析，然后分别定义了各个模块对应的通信接口配置字。

其他

网关与单片机间的通信——Zigbee

Zigbee是IEEE802.15.4协议的代名词。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。这一名称来源与蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飞翔和“嗡嗡”(zig)地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这这样的方式构成了群体中的通信网络。其特点是近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。

所要实现的通讯功能为：无线自足网络、点对多点无线通讯和点对点无线通讯。智能网关与单片机之间通信的建立都需要无线自组网络、建立连接、鉴权、通信几个过程。

开发板上的DEBUG COM与PC的串口1相连（串口线为公母线）。 开发板上的ttys4与zigbee的主模块的串口相连（串口线为双公线）。

开发板接7.5V电源，zigbee主从模块都接7.5V电源给zigbee模块上电。

网关与服务器间的通讯——socket

网关与服务器间的通讯靠socket通讯来实现，通信双方分为服务器和客户端。服务器和客户端的通信采用TCP协议，通信软件流程如图所示。

程序分为客户端和服务器端，其中服务器首先建立起socket,然后本地端口绑定，接着就开始与客户端建立联系，并向客户端发送消息。客户端则在建立socket之后调用connect函数来建立连接。在运行时先启动服务器端，再启动客户端。

网关与WLAN终端设备间的通讯——IEEE802.11b/g

通过嵌入式主机上的802.11b/g无线模块向100米范围内的WLAN终端设备提供无线接入功能，并与WLAN终端进行无线数据传输。

IEEE最初制定的一个无线局域网标准，主要用于解决办公室局域网和校园网中，用户与用户终端的无线接入，业务主要限于数据存取，速率最高只能达到2Mbps。目前，3Com等公司都有基于该标准的无线网卡。由于802.11在速率和传输距离上都不能满足人们的需要，因此，IEEE小组又相继推出了802.11b和802.11a两个新标准。三者之间技术上的主要差别在于MAC子层和物理层。

可以通过脚本实现wifi连接。linux脚本有一些固定格式。程序必须以#!/bin/sh开始（必须方在文件的第一行），以#开头的句子表示注释。脚本中的某些命令执行需要一些时间，在该命令之后要加上sleep num(s例如sleep 5即等待5s)。根据这些规则直接将命令集合在一起就形成一个使用wifi网卡的脚本。

（声明：本文系杰哥整理创作而成，如有转载注明出处）