物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理網(wǎng)關(guān)的設(shè)計

摘要：提出了物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的一站式處理服務(wù)模式，給出了支持最廣泛的接入、使網(wǎng)關(guān)具備可管理和靈活部署能力的設(shè)計方法；同時以EP9315處理器及相關(guān)傳感器為硬件平臺，以．Net Micro Framework作為網(wǎng)關(guān)嵌入式操作系統(tǒng)，并包含數(shù)據(jù)處理中間件，使各類數(shù)據(jù)感知終端能夠高效率、低成本、一致性地輕松接入物聯(lián)網(wǎng)；以便建立可支持多種接口通訊協(xié)議，具有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式輸出，數(shù)據(jù)配置策略靈活的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；網(wǎng)關(guān)；數(shù)據(jù)處理中間件；．Net Micro Framework

0 引言
    物聯(lián)網(wǎng)在2010年以來受到各方面的追捧，從國家政策到地方政府專項(xiàng)規(guī)劃，再到企業(yè)，都投入了極大的精力和極高的熱情。在物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的起步階段，由于缺乏統(tǒng)一規(guī)范和一致性的標(biāo)準(zhǔn)化引領(lǐng)，各行業(yè)在數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)和行業(yè)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中都遇到了障礙，也走了不少彎路。這主要存在以下幾個問題：
    (1)傳感器接口不統(tǒng)一造成設(shè)備入網(wǎng)的極大困難工業(yè)領(lǐng)域的一些行業(yè)安裝了大批的儀器儀表和傳感器探頭，多達(dá)上千類別和品種(品牌)，然而，這些種類繁多的設(shè)備都是由不同的制造商生產(chǎn)的，每一種設(shè)備的數(shù)據(jù)接口和數(shù)據(jù)輸出格式都是由制造商自行確定的，而且各不相同，從而造成數(shù)據(jù)不能被系統(tǒng)識別和辨認(rèn)，也無法將諸多設(shè)備一致性接入到統(tǒng)一的傳輸網(wǎng)絡(luò)中。
    (2)數(shù)據(jù)通信協(xié)議眾多且不規(guī)范，造成設(shè)備的二次安裝，成本巨大安裝在許多行業(yè)內(nèi)的儀器儀表和傳感器設(shè)備雖然數(shù)量眾多，但都沒有一個統(tǒng)一規(guī)范的數(shù)據(jù)通信模式，也沒有遵從規(guī)范的數(shù)據(jù)通信協(xié)議，因而引發(fā)了建網(wǎng)工程成本的大幅度上升，每次現(xiàn)場安裝都是一次小型集成，高額的成本代價使整個工程得不償失。
    (3)分割式、重復(fù)式建設(shè)造成了新的信息孤島地方各級管理在地域上都有自己的管理范圍，形成了各地管理都在著力搭建本地區(qū)的環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，出現(xiàn)了不同的省網(wǎng)、市網(wǎng)或縣網(wǎng)。這種分頭建網(wǎng)、重復(fù)建網(wǎng)的方式所產(chǎn)生的弊端是，一方面造成資源浪費(fèi)，另一方面由于網(wǎng)與網(wǎng)之間互不兼容，不能做到互通互聯(lián)和數(shù)據(jù)共享，進(jìn)而又產(chǎn)生許多新的封閉型的信息孤島；也不能實(shí)現(xiàn)資源利用的最大化。
    因此，本文提出面向物聯(lián)網(wǎng)感知層提供物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的一站式處理服務(wù)模式，使數(shù)以萬計的各類數(shù)據(jù)感知終端能夠高效率、低成本、一致性地輕松接入物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)；對海量數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)全面資源化、智能化管理；實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)傳感節(jié)點(diǎn)異構(gòu)數(shù)據(jù)的實(shí)時集成、支持多種接口通訊協(xié)議、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式輸出，對網(wǎng)關(guān)功能模塊進(jìn)行組件化處理，對數(shù)據(jù)配置策略進(jìn)行靈活性處理的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計
    為了提供物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)一站式處理服務(wù)，支持最廣泛的接入，使網(wǎng)關(guān)具備可管理和靈活的部署能力，本文把物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理網(wǎng)關(guān)設(shè)計分為傳感器接入網(wǎng)關(guān)設(shè)備、感知數(shù)據(jù)處理中間件、網(wǎng)關(guān)配置應(yīng)用軟件三部分。圖1所示是物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理網(wǎng)關(guān)的功能結(jié)構(gòu)圖。

    圖1中，傳感器接入網(wǎng)關(guān)設(shè)備負(fù)責(zé)處理各種傳感器設(shè)備的接入、驅(qū)動管理、設(shè)備管理：感知數(shù)據(jù)處理中間件負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備管理、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、規(guī)則管理和制定，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)安全策略等功能；網(wǎng)關(guān)配置應(yīng)用軟件負(fù)責(zé)網(wǎng)關(guān)現(xiàn)場管理配置工具、遠(yuǎn)程配置管理工具、傳感器數(shù)據(jù)智能分析報告界面，實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場的檢測狀態(tài)、配置數(shù)據(jù)、配置策略、配置設(shè)備的管理、數(shù)據(jù)錯誤處理策略配置、數(shù)據(jù)本地訪問配置以及傳感各項(xiàng)指標(biāo)狀態(tài)、傳感器狀態(tài)、警報與定位的數(shù)據(jù)報告等。
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2 傳感器接入網(wǎng)關(guān)的硬件設(shè)計
    物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)平臺的硬件實(shí)體是傳感器接入網(wǎng)關(guān)設(shè)備。該設(shè)備器件采用工業(yè)級，低功耗設(shè)計；具備USB、Uart、SPI、I2C等傳感器硬件接口，并具備WIFI、ZigBee、Internet、TD-SCDMA等通訊接口接入能力。表1所列是物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理網(wǎng)關(guān)的硬件組成及技術(shù)參數(shù)。

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    網(wǎng)關(guān)設(shè)備包含硬件接口、處理器、顯示設(shè)備、控制器、通訊模塊等，具體如圖2所示。

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3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
3．1 感知數(shù)據(jù)處理中間件
    該中間件主要涉及感知數(shù)據(jù)處理相關(guān)的程序開發(fā)，是運(yùn)行在網(wǎng)關(guān)設(shè)備上的程序；中間件包括設(shè)備管理、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、規(guī)則管理和制定，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)安全策略等功能。其具體的數(shù)據(jù)處理流程圖如圖3所示。
    本數(shù)據(jù)處理中間件的數(shù)據(jù)流程分為以下7步：
    步驟1：將傳感器產(chǎn)生的各種電氣信號經(jīng)接口驅(qū)動處理轉(zhuǎn)換為原始數(shù)據(jù)；
    步驟2：將原始數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)處理模塊中根據(jù)數(shù)據(jù)配置策略和錯誤處理策略，將正確的數(shù)據(jù)生成xml文件；
    步驟3：把原始數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)處理模塊中復(fù)制一份副本，并將副本數(shù)據(jù)壓縮備份存儲在指定的本地數(shù)據(jù)庫中；
    步驟4：對不符合配置策略的數(shù)據(jù)和錯誤數(shù)據(jù)經(jīng)過錯誤診斷分析，對不能修正的數(shù)據(jù)根據(jù)錯誤控制策略決定是否報警及采取相應(yīng)措施；
    步驟5：對生成的xml在安全模塊中根據(jù)加密策略及算法生成加密文件；
    步驟6：將加密文件在安全模塊中復(fù)制一份副本，并將副本數(shù)據(jù)壓縮備份存儲在指定的本地數(shù)據(jù)庫中；
    步驟7：把數(shù)據(jù)加密形成文件通過通信模塊發(fā)送到遠(yuǎn)程客戶端或者本地專用手持接收設(shè)備中供用戶使用。
3．2 網(wǎng)關(guān)配置應(yīng)用軟件
    網(wǎng)關(guān)配置應(yīng)用軟件包含網(wǎng)關(guān)現(xiàn)場管理配置工具、遠(yuǎn)程配置管理工具、傳感器數(shù)據(jù)智能分析報告界面，可實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場的檢測狀態(tài)、配置數(shù)據(jù)、配置策略、配置設(shè)備的管理、數(shù)據(jù)錯誤處理策略配置、數(shù)據(jù)本地訪問配置以及傳感各項(xiàng)指標(biāo)狀態(tài)、傳感器狀態(tài)、警報與定位的數(shù)據(jù)報告等。圖4所示是本系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)配置管理流程圖。

    進(jìn)入配置管理界面時，首先要進(jìn)行用戶身份驗(yàn)證。用戶身份驗(yàn)證是對訪問者訪問權(quán)限的認(rèn)定，不同訪問權(quán)限對應(yīng)不同的數(shù)據(jù)訪問量以及管理權(quán)限。完成用戶登錄后，進(jìn)入主菜單界面(即一級配置界面)。本界面主要分為5個主配置項(xiàng)，分別為接口驅(qū)動配置、數(shù)據(jù)處理策略配置、數(shù)據(jù)錯誤處理策略配置、設(shè)備控制管理配置和交互界面管理設(shè)置。
    接口驅(qū)動配置主要是為外界傳感器和硬件接口提供驅(qū)動的添加、卸載和配置參數(shù)等操作。“驅(qū)動參數(shù)設(shè)置”二級界面下又分為設(shè)備對象化參數(shù)設(shè)定和設(shè)備驅(qū)動基本參數(shù)的三級界面。在數(shù)據(jù)處理單元中可對數(shù)據(jù)進(jìn)行分類。“設(shè)備驅(qū)動基本參數(shù)”可根據(jù)不同設(shè)備和硬件接口類型進(jìn)行詳細(xì)的參數(shù)設(shè)定。
    數(shù)據(jù)處理策略配置主要是為用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選、甄別錯誤、整理數(shù)據(jù)和加密規(guī)則以及數(shù)據(jù)庫配置等操作提供參數(shù)配置。二級界面分為數(shù)據(jù)庫存儲配置、數(shù)據(jù)處理策略、數(shù)據(jù)串配置和安全配置策略。
    數(shù)據(jù)錯誤處理策略配置主要定義了處理錯誤數(shù)據(jù)的機(jī)制和策略。其二級界面包括錯誤診斷策略配置、數(shù)據(jù)修正策略配置和報警策略配置。錯誤診斷項(xiàng)會分析數(shù)據(jù)串中各字節(jié)數(shù)值，判斷其中出錯的部分，并在數(shù)據(jù)串中對錯誤標(biāo)識符位進(jìn)行標(biāo)注。錯誤修正項(xiàng)在錯誤診斷項(xiàng)完成后，可對錯誤字節(jié)根據(jù)規(guī)則進(jìn)行修正。報警選項(xiàng)可對不能修正的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如果符合報警策略，則發(fā)出警報。
    數(shù)據(jù)本地訪問配置主要針對人機(jī)交互界面的訪問方式配置和訪問安全設(shè)置。二級界面分為訪問界面參數(shù)設(shè)置、訪問數(shù)據(jù)參數(shù)設(shè)置和訪問安全設(shè)置。訪問界面參數(shù)主要包括界面的布局、瀏覽方式和顯示本地時間設(shè)置等。訪問數(shù)據(jù)參數(shù)設(shè)置主要包括可瀏覽數(shù)據(jù)項(xiàng)、數(shù)據(jù)顯示形式、數(shù)據(jù)排列形式和查詢數(shù)據(jù)條件等。訪問安全設(shè)置又分為三個三級界面，包括訪問權(quán)限設(shè)定，即登錄用戶訪問數(shù)據(jù)權(quán)限、登錄密碼設(shè)定和訪問權(quán)限對應(yīng)訪問數(shù)據(jù)項(xiàng)和控制項(xiàng)的配置；訪問設(shè)備ID的設(shè)定，即每個可連接到本設(shè)備的訪問設(shè)備的ID值；設(shè)備自身故障診斷就是通過此項(xiàng)使設(shè)備進(jìn)行一次本身硬件設(shè)備的故障自檢。

4 結(jié)語
    本文設(shè)計了一種物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)，介紹了該系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計方法，提出了物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的一站式處理服務(wù)模式。該模式可支持最廣泛的接入能力，而且網(wǎng)關(guān)具備可管理和靈活的部署能力。實(shí)踐證明，本系統(tǒng)可對數(shù)據(jù)標(biāo)識進(jìn)行全面資源化和智能化管理，有能力提供數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)商用的一切支撐服務(wù)，可支撐行業(yè)管理行為和行業(yè)決策行為，使管理能力和決策能力得到提高，從而有效提高工作效率和工作質(zhì)量，使物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)應(yīng)用集成水平上一個新臺階。