一個(gè)高智能化的物聯(lián)網(wǎng)樞紐 -- -- 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)

1物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)

互聯(lián)網(wǎng)的普及，使很多了解互聯(lián)網(wǎng)的人都知道網(wǎng)關(guān)這么一 個(gè)名詞，網(wǎng)關(guān)(Gateway)就是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接到另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的“關(guān) 口”在Internet網(wǎng)中，網(wǎng)關(guān)是一種連接內(nèi)部網(wǎng)與Internet上其 他網(wǎng)的中間設(shè)備，也稱(chēng)路由器。

眾所皆知，物聯(lián)網(wǎng)概念在美國(guó)誕生，作為新一代信息技 術(shù)的重要組成部分，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)是通過(guò)射頻識(shí)別(RFID)、紅 外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按 約定的協(xié)議，把任何物品組成一個(gè)感知網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)相連接, 進(jìn)行信息交換和通信的系統(tǒng)架構(gòu)。圖1所示為物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)。

圖1物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)

從物聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)中，我們可以看到在感知層和網(wǎng)絡(luò)層 兩個(gè)不同的網(wǎng)絡(luò)之間需要一個(gè)中間設(shè)備:物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)。

物聯(lián)網(wǎng)的接入方式是多種多樣的，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)備是最 適合將多種接入手段整合起來(lái)，統(tǒng)一互聯(lián)到接入網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵設(shè) 備，網(wǎng)關(guān)可滿(mǎn)足局部區(qū)域短距離通信的接入需求，實(shí)現(xiàn)與公共 網(wǎng)絡(luò)的連接，同時(shí)完成轉(zhuǎn)發(fā)、控制、信令交換和編解碼等功能, 而終端管理、安全認(rèn)證等功能保證了物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的質(zhì)量和安 全。網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)可以實(shí)現(xiàn)感知延伸網(wǎng)絡(luò)與接入網(wǎng)絡(luò)，以及不同 類(lèi)型感知延伸網(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)。

2智能化物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)應(yīng)具備的能力

歸納起來(lái)高度智能化物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)應(yīng)具備以下能力：

2.1廣泛的接入能力

目前用于近程通信的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)很多，僅常見(jiàn)的WSNs技 術(shù)就包括 Lonworks、ZigBee、6LowPAN、RUBEE 等。從網(wǎng) 關(guān)所處的位置可以看出，網(wǎng)關(guān)需要具備接入多種現(xiàn)有通信網(wǎng)的 能力，這些通信網(wǎng)包括2G/3G/4G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)、 有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)。因此，網(wǎng)關(guān)必須具備相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的接口和軟硬件的接 入能力。現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)在展開(kāi)針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化工 作，如3GPP、傳感器工作組，實(shí)現(xiàn)各種通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的互聯(lián) 互通。

2.2強(qiáng)大的管理能力

管理對(duì)于任何大型網(wǎng)絡(luò)都是必不可少的。首先要對(duì)網(wǎng)關(guān) 進(jìn)行管理，如注冊(cè)管理、權(quán)限管理、狀態(tài)監(jiān)管等。網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn) 子網(wǎng)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)的管理，如獲取節(jié)點(diǎn)的標(biāo)識(shí)、狀態(tài)、屬性、能量 等，以及遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)喚醒、控制、診斷、升級(jí)和維護(hù)等。由于 子網(wǎng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不同，協(xié)議的復(fù)雜性不同，所以網(wǎng)關(guān)具有的管 理性能力不同。提出基于模塊化物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)方式來(lái)管理不同的 感知網(wǎng)絡(luò)、不同的應(yīng)用，保證能夠使用統(tǒng)一的管理接口技術(shù)對(duì) 末梢網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)一管理。

2.3協(xié)議轉(zhuǎn)換能力

從不同的感知網(wǎng)絡(luò)到接入網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議轉(zhuǎn)換，將下層的標(biāo) 準(zhǔn)格式的數(shù)據(jù)統(tǒng)一封裝，保證不同的感知網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議能夠變 成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)和信令；將上層下發(fā)的數(shù)據(jù)包解析成感知層協(xié) 議可以識(shí)別的信令和控制指令。

能處理如此繁多復(fù)雜的不同類(lèi)型工作的高智能化設(shè)備, 需要有很強(qiáng)的研發(fā)設(shè)計(jì)能力和針對(duì)不同行業(yè)應(yīng)用的深厚實(shí)踐 經(jīng)驗(yàn)。

3水產(chǎn)養(yǎng)殖物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)和功能

下面就上海辰漢電子在水產(chǎn)養(yǎng)殖方面的具體例子，介紹 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的研發(fā)設(shè)計(jì)和功能。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)迅速發(fā)展，基于物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)施漁業(yè)信息 化已經(jīng)成為設(shè)施漁業(yè)生產(chǎn)向集約、高產(chǎn)、高效、優(yōu)質(zhì)方向發(fā) 展的重要推動(dòng)力。設(shè)計(jì)中的水產(chǎn)養(yǎng)殖物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2水產(chǎn)養(yǎng)殖物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)利用ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)組成無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò), 感知養(yǎng)殖場(chǎng)的水質(zhì)情況，例如溫度、溶解氧濃度、PH值等, 將這些數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送至物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)將養(yǎng)殖場(chǎng)的環(huán)境數(shù) 據(jù)利用3G模塊（或GPRS模塊）發(fā)送至控制中心的服務(wù)器, 服務(wù)器利用專(zhuān)家系統(tǒng)依據(jù)水產(chǎn)品的生長(zhǎng)模型結(jié)合人工智能技術(shù) 向網(wǎng)關(guān)發(fā)送控制指令，網(wǎng)關(guān)依控制指令利用控制箱驅(qū)動(dòng)電機(jī)采 取動(dòng)作，調(diào)節(jié)養(yǎng)殖場(chǎng)的水產(chǎn)品的生長(zhǎng)環(huán)境，從而利于水產(chǎn)品生 長(zhǎng)。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)留有攝像頭接口，能夠根據(jù)用戶(hù)需求將生產(chǎn)現(xiàn) 場(chǎng)的圖片或者視頻發(fā)至控制中心服務(wù)器，服務(wù)器上部署軟件并 接入Internet網(wǎng)絡(luò)，用戶(hù)可以利用個(gè)人電腦或者手機(jī)登錄到服 務(wù)器，查詢(xún)養(yǎng)殖水域內(nèi)外環(huán)境數(shù)據(jù)、瀏覽生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)圖片、觀 看現(xiàn)場(chǎng)視頻，還可以遠(yuǎn)程控制各種生產(chǎn)設(shè)備。當(dāng)養(yǎng)殖場(chǎng)環(huán)境 異常時(shí)，除了服務(wù)器中的專(zhuān)家系統(tǒng)發(fā)出指令驅(qū)動(dòng)電機(jī)調(diào)節(jié)環(huán)境（如增氧機(jī)增加溶解氧），控制中心的告警箱也能夠發(fā)出聲光 告警，服務(wù)器向相關(guān)人員發(fā)出告警短信?？刂浦行膬?nèi)的顯示器 （或者大屏幕）上能夠顯示各個(gè)傳感器的工作狀態(tài)、讀數(shù)、現(xiàn) 場(chǎng)圖片等信息。因此，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)施漁業(yè)養(yǎng)殖的 動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)管、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、科學(xué)決策、預(yù)警及風(fēng)險(xiǎn)控制、 專(zhuān)家咨詢(xún)等生產(chǎn)過(guò)程的科學(xué)化、數(shù)字化。

水產(chǎn)養(yǎng)殖物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)從水產(chǎn)養(yǎng)殖物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)可以看 出網(wǎng)關(guān)是物聯(lián)網(wǎng)核心設(shè)備。網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)包括兩部分：硬件設(shè)計(jì) 和軟件設(shè)計(jì)。

（1）網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)。網(wǎng)關(guān)中的處理器采用ARM Cortex-A8。該處理器的主頻可以達(dá)到1 GHz以上，處理能力 很強(qiáng)。網(wǎng)關(guān)配置512 MB DDR3內(nèi)存以及4 GB NANDFlash, 運(yùn)行Adroid2.3系統(tǒng)。根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的組網(wǎng)要求，網(wǎng)關(guān)具備 10/100M以太網(wǎng)接口、內(nèi)置無(wú)線(xiàn)WiFi模塊、用于連接3G/ GPRS模塊的USB接口以及用于連接傳感網(wǎng)協(xié)調(diào)器的串行口。 為了獲取視頻或者圖像，網(wǎng)關(guān)具備模擬視頻接口。網(wǎng)關(guān)還帶有 液晶顯示屏以及HDMI接口，HDMI接口可以接高清大屏幕。

（2）網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)。根據(jù)網(wǎng)關(guān)的功能，網(wǎng)關(guān)的軟件包括 接入配置管理模塊、ZigBee傳感網(wǎng)通信及控制模塊、協(xié)議轉(zhuǎn) 換模塊、圖像處理模塊、顯示模塊、故障處理模塊。接入配 置管理模塊用于對(duì)多種接入方式的配置和管理，這些接入方 式包括有線(xiàn)以太網(wǎng)接入、無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)接入、3G/GPRS無(wú)線(xiàn)接入。 ZigBee傳感網(wǎng)通信及控制模塊通過(guò)串行口與ZigBee協(xié)調(diào)器通 信，獲取傳感網(wǎng)的數(shù)據(jù)，控制傳感網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行。協(xié)議轉(zhuǎn)換模 塊解決傳感網(wǎng)與后臺(tái)服務(wù)器之間的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，保證傳感網(wǎng) 數(shù)據(jù)能夠正確發(fā)往服務(wù)器，服務(wù)器發(fā)來(lái)的指令能夠能被正確 發(fā)往傳感網(wǎng)并可靠執(zhí)行。圖像處理模塊能夠獲取攝像頭傳來(lái) 的圖像，并壓縮編碼，一方面在本地進(jìn)行存儲(chǔ)，另一方面發(fā)向 服務(wù)器。顯示模塊將各種信息送向液晶屏和HDMI高清大屏 幕。故障處理模塊則將傳感網(wǎng)以及網(wǎng)關(guān)設(shè)備本身的各種故障 進(jìn)行記錄并發(fā)送告警信息。

除智慧農(nóng)業(yè)外，高智能化物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)還將廣泛應(yīng)用于智 慧城市、智能電網(wǎng)、智慧醫(yī)療、智能交通等各行各業(yè)。物聯(lián)網(wǎng) 網(wǎng)關(guān)在未來(lái)的物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代將會(huì)扮演著非常重要的角色。

20211103_61824380a54f8__一個(gè)高智能化的物聯(lián)網(wǎng)樞紐