強(qiáng)化物聯(lián)網(wǎng)“心臟”，智能網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)詳解

　　一、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

　　物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)采用分層的通信系統(tǒng)架構(gòu)，包括感知延伸系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)、業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)和各種應(yīng)用，在不同的層次上支持不同的通信協(xié)議，如圖1所示。 感知延伸系統(tǒng)包括感知和控制技術(shù)，由感知延伸層設(shè)備以及網(wǎng)關(guān)組成，支持包括Lonworks、UPnP、Zigbee等通信協(xié)議在內(nèi)的多種感知延伸網(wǎng)絡(luò)。感知設(shè)備可以通過多種接入技術(shù)連接到核心網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)面向物聯(lián)網(wǎng)范圍內(nèi)的耗能設(shè)施，包括了應(yīng)用系統(tǒng)和業(yè)務(wù)管理支撐系統(tǒng)。應(yīng)用系統(tǒng)為最終用戶提供計(jì)量統(tǒng)計(jì)、遠(yuǎn)程測(cè)控、智能聯(lián)動(dòng)以及其他的擴(kuò)展類型業(yè)務(wù)。業(yè)務(wù)管理支撐系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)用戶管理、安全、認(rèn)證、授權(quán)、計(jì)費(fèi)等功能。

　　二、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)概念

　　作為連接感知層與網(wǎng)絡(luò)層的紐帶，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)可以實(shí)現(xiàn)感知網(wǎng)絡(luò)與通信網(wǎng)絡(luò)，以及不同類型感知網(wǎng)絡(luò)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換．既可以實(shí)現(xiàn)廣域互聯(lián)．也可以實(shí)現(xiàn)局域互聯(lián)。在無線傳感網(wǎng)中，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)是不可或缺的核心設(shè)備。此外物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)還需要具備設(shè)備管理功能，運(yùn)營(yíng)商通過物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)備可以管理底層的各感知節(jié)點(diǎn)，了解各節(jié)點(diǎn)的相關(guān)信息，并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

　　從物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的定義來看，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)很難以某種相對(duì)固定的形態(tài)出現(xiàn)。總體說凡是可以起到將感知層采集到的信息通過此終端的協(xié)議轉(zhuǎn)換發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備都可以算做物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)。形態(tài)可以盒子狀也可以是平板電腦，可以有顯示屏幕的交互式形態(tài)，也可以是封閉或半封閉的非交互形態(tài)。

　　三、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)關(guān)鍵技術(shù)

　　1、多標(biāo)準(zhǔn)互通接入能力 ：目前用于近程通信的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)很多。常見的傳感網(wǎng)技術(shù)包括 ZigBee、Z-Wave 、 RUBEE 、 WirelessHART 、 IETF6IowPAN 、AM‘ /ANrr +、Wibree、］nSTeON 等。各類技術(shù)主要針對(duì)某一類應(yīng)用展開，之間缺乏兼容性和體系規(guī)劃。如：Z.Wave主要應(yīng)用于無線智能家庭網(wǎng)絡(luò)，RUBEE適用于惡劣環(huán)境，WirelessHART 主要集中在工業(yè)監(jiān)控領(lǐng)域。實(shí)現(xiàn)各種通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的互聯(lián)互通，成為物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)必須要解決的問題。是針對(duì)每種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)單獨(dú)的網(wǎng)關(guān)，再通過網(wǎng)關(guān)之間的統(tǒng)一接口實(shí)現(xiàn)。還是采用標(biāo)準(zhǔn)的適配層、不同技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)相應(yīng)的接口實(shí)現(xiàn)。

　　2、網(wǎng)關(guān)的可管理性：物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)作為與網(wǎng)絡(luò)相連的網(wǎng)元，其本身要具備一定的管理功能，包括注冊(cè)登錄管理、權(quán)限管理、任務(wù)管理、數(shù)據(jù)管理、故障管理、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程診斷、參數(shù)查詢和配置、事件處理、遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程升級(jí)等。如需要實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)的可管理，不僅要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)設(shè)備本身的管理，還要進(jìn)一步通過網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)子網(wǎng)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)的管理，例如獲取節(jié)點(diǎn)的標(biāo)識(shí)、狀態(tài)、屬性等信息，以及遠(yuǎn)程喚醒、控制、診斷、升級(jí)維護(hù)等。盡管根據(jù)子網(wǎng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不同。協(xié)議的復(fù)雜性不同，所能進(jìn)行的管理內(nèi)容有較大差異。

　　四、 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)方法

　　在進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)時(shí)，可以采用下述一般設(shè)計(jì)方法作為指導(dǎo)。

　　1. 確定系統(tǒng)功能與性能。由需求調(diào)查確定物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，這一目標(biāo)包括系統(tǒng)功能與性能。系統(tǒng)功能主要由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、輸出控制等。

　　2. 確定系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)。物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一般是以單片機(jī)為核心外部擴(kuò)展相關(guān)電路的形式。確定了系統(tǒng)中的單片機(jī)、存儲(chǔ)器分配以及輸入/輸出方式就可答題確定出物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)的基本組成。

　?、艈纹瑱C(jī)。在系統(tǒng)詳細(xì)方案設(shè)計(jì)時(shí)，先要確定單片機(jī)的型號(hào)。所選單片機(jī)的型號(hào)不同，組成的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也就不同。

　　⑵存儲(chǔ)器分配。不同的單片機(jī)具有不同的存儲(chǔ)器組織。應(yīng)根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)的需要合理進(jìn)行存儲(chǔ)器的分配。

　?、荌/O方式。采用不同的輸入/輸出方式，對(duì)于單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的軟、硬件結(jié)構(gòu)有直接的影響。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，常用的I/O方式主要有：無條件傳送方式（同步傳送方式）、查詢方式、中斷方式。

　　⑷網(wǎng)絡(luò)控制器。性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，編程易實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)控制器對(duì)于優(yōu)化物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)起著關(guān)鍵性的作用。

　　物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)的工作模式可以分為兩類，服務(wù)器端和客戶端。無論工作于何種模式，都需要對(duì)以太網(wǎng)控制器進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置，以實(shí)現(xiàn)最基本的物理連接（即能夠ping通）。

　　3. 硬件設(shè)計(jì)。物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)是圍繞著單片機(jī)及網(wǎng)絡(luò)控制器做外部功能擴(kuò)展而展開的，其基本結(jié)構(gòu)如圖所示。

　?、?程序存儲(chǔ)器。傳統(tǒng)的單片機(jī)內(nèi)無片內(nèi)程序存儲(chǔ)器或存儲(chǔ)容量不夠大，需外部擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器。外部擴(kuò)展的存儲(chǔ)器通常選用FLASH存儲(chǔ)器?，F(xiàn)在的單片機(jī)一般都集成了較大容量的程序存儲(chǔ)器，使用時(shí)，不需要進(jìn)行程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展。

　?、?數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器用于暫時(shí)保存程序運(yùn)行中的中間結(jié)果，一般由RAM 構(gòu)成。大多數(shù)單片機(jī)都提供了小容量的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，只有當(dāng)片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器不夠用時(shí)才擴(kuò)展外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。無論是程序存儲(chǔ)器還是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì) 原則是：在存儲(chǔ)容量能夠滿足要求的前提下，盡可能減少存儲(chǔ)芯片的數(shù)量。

　?、?I/O接口。由于外設(shè)多種多樣，使得單片機(jī)與外設(shè)之間的接口電路也各種不相同。因此，I/O接口常常是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中設(shè)計(jì)最復(fù)雜也是最困難的部分之一。

　?、?譯碼電路。當(dāng)需要外部擴(kuò)展電路時(shí)，常常需要設(shè)計(jì)譯碼電路。譯碼電路要盡可能簡(jiǎn)單，要求存儲(chǔ)器空間分配合理，譯碼方式選擇得當(dāng)。

　　4. 軟件設(shè)計(jì)。軟件是物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分，一般計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的軟件包括系統(tǒng)軟件和用戶軟件，而物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)中的軟件一般只有用戶軟件，即應(yīng)用系統(tǒng)軟件。軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是確定軟件應(yīng)完成的任務(wù)及選擇相應(yīng)的軟件結(jié)構(gòu)。

　　⑴任務(wù)確定。根據(jù)系統(tǒng)軟、硬件的功能分工，確定出軟件應(yīng)完成什么功能。作為實(shí)現(xiàn)控制功能的軟件應(yīng)明確控制對(duì)象、控制信號(hào)及控制時(shí)序;作為實(shí)現(xiàn)處理功能的軟件應(yīng)明確輸入是什么、要做什么樣的處理（即處理算法）、產(chǎn)生何種輸出。

　　⑵ 軟件結(jié)構(gòu)。軟件結(jié)構(gòu)與程序設(shè)計(jì)技術(shù)密切相關(guān)。程序設(shè)計(jì)技術(shù)提供了程序設(shè)計(jì)的基本方法，最常用的程序設(shè)計(jì)方法是模塊化程序設(shè)計(jì)。模塊化程序設(shè)計(jì)具有結(jié)構(gòu)清晰、功 能明確、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便、程序模塊可共享、便于功能擴(kuò)展及便于程序維護(hù)等特點(diǎn)。為了編制模塊程序，先要將軟件功能劃分為若干子功能模塊，然后確定出各模塊的輸 入、輸出及相互間的聯(lián)系。

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