面向水產(chǎn)養(yǎng)殖應(yīng)用的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)研究與設(shè)計(jì)

楊 浩 古 雄 孟慶民

（1.南京郵電大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院 江蘇 南京 210003；2.南京郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院 江蘇 南京 210003）

0 引言

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)作為新一代信息技術(shù)的重要組成部分，它被稱為繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后世界信息產(chǎn)業(yè)的第三次浪潮[1]。作為正在不斷增加其內(nèi)涵與外延的新概念，國(guó)內(nèi)外對(duì)物聯(lián)網(wǎng)及相關(guān)物聯(lián)網(wǎng)工程的定義有多種，傳感、通信、網(wǎng)絡(luò)等各個(gè)領(lǐng)域的學(xué)者都從自身角度去闡述和放大物聯(lián)網(wǎng)定義。2005國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）發(fā)布了《ITU互聯(lián)網(wǎng)報(bào)告2005：物聯(lián)網(wǎng)》，正式提出“物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things,IoT）”的概念[2]。物聯(lián)網(wǎng)是通過(guò)安裝在物體上的射頻識(shí)別 （Radio Frequency Identification,RFID）裝置、紅外線感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)（Global Position System,GPS）、激光掃描儀以及各種傳感器，能夠在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)、任何物體之間進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)[3]。

物聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)化、互聯(lián)化、智能化的網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)⑿畔@取的觸角延伸至物理世界的每一個(gè)角落，并通過(guò)信息網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)更廣域的互聯(lián)互通。如果將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)充分運(yùn)用到各行各業(yè)，能夠?qū)崿F(xiàn)人類社會(huì)和物理系統(tǒng)的整合，從而以更加精細(xì)和動(dòng)態(tài)的方式管理生產(chǎn)，不僅能夠大幅度提高工作效率，而且給人們的工作和生活帶來(lái)便利，必將有力推動(dòng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展[4]。

1 物聯(lián)網(wǎng)研究概述

2005年國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）發(fā)布了《ITU互聯(lián)網(wǎng)報(bào)告2005：物聯(lián)網(wǎng)》，它對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的概念進(jìn)行了闡釋，并且基于網(wǎng)絡(luò)理論論述了物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)架構(gòu)。在我國(guó)，2009年溫總理在無(wú)錫視察時(shí)提出要大力發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展拉開(kāi)序幕。從此，政府、學(xué)界、企業(yè)界紛紛響應(yīng)，目前已經(jīng)在物聯(lián)網(wǎng)的概念、內(nèi)涵、相關(guān)技術(shù)研究、示范基地建設(shè)等方面取得很多進(jìn)展。

物聯(lián)網(wǎng)雖然不是互聯(lián)網(wǎng)，但是物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)是密不可分的。物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎(chǔ)仍然是互聯(lián)網(wǎng)，它是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的延伸和擴(kuò)展。然而，物聯(lián)網(wǎng)將網(wǎng)絡(luò)連接延伸到任何物體之間，物聯(lián)網(wǎng)比互聯(lián)網(wǎng)更為龐大。這些物體通過(guò)各種信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接在一起，進(jìn)行更為復(fù)雜的信息交換和通信[5]。因此，物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展目標(biāo)是：全面感知、可靠傳送及智能處理[4]。

物聯(lián)網(wǎng)的基本體系架構(gòu)主要由三層構(gòu)成：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層[6]，如圖1所示。

感知層是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展和應(yīng)用的基礎(chǔ)，本層由各種具有感知能力的設(shè)備組成，物聯(lián)網(wǎng)中由本層負(fù)責(zé)物體的識(shí)別和信息采集，實(shí)現(xiàn)全面感知的功能。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)基本體系架構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)層由各種通信網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)融合而成，本層負(fù)責(zé)將感知到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、匯聚、處理，并能夠可靠傳輸出去。

應(yīng)用層則將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與各種行業(yè)專業(yè)技術(shù)相結(jié)合，為不同的用戶提供各種應(yīng)用，例如智能交通、環(huán)境保護(hù)、公共安全、平安家居、工業(yè)監(jiān)測(cè)、個(gè)人健康、軍事偵察等。

2 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)

物聯(lián)網(wǎng)感知層存在大量的傳感器，這些傳感器組成許多傳感器網(wǎng)絡(luò)，而傳感器網(wǎng)絡(luò)感知的數(shù)據(jù)又需要傳遞到網(wǎng)絡(luò)層，由網(wǎng)絡(luò)層的廣域網(wǎng)絡(luò)傳送出去。因此，網(wǎng)關(guān)在物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代將扮演非常重要的角色，利用物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)可以實(shí)現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)與廣域網(wǎng)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)信息廣域互聯(lián)。網(wǎng)關(guān)在物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)中所處的位置如圖2所示。

在互聯(lián)網(wǎng)中，網(wǎng)關(guān)又稱網(wǎng)間連接器或協(xié)議轉(zhuǎn)換器，它工作于傳輸層，用于兩個(gè)高層協(xié)議不同的網(wǎng)絡(luò)互連[7]。在物聯(lián)網(wǎng)中，網(wǎng)關(guān)主要用于無(wú)線傳感網(wǎng)與現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)。作為連接傳感器網(wǎng)絡(luò)和傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的橋梁，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)應(yīng)具有如下功能[8]：

a.多種接入能力：從圖2中網(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)線局域網(wǎng)、有線網(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。

b.協(xié)議轉(zhuǎn)換能力：物聯(lián)網(wǎng)中傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和傳感器網(wǎng)絡(luò)需要相互交換信息，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)需要在它們之間提供協(xié)議轉(zhuǎn)換能力。這種能力不僅包括將不同的感知層協(xié)議通過(guò)協(xié)議適配后，轉(zhuǎn)換為格式統(tǒng)一的數(shù)據(jù)和控制信令，而且包括在感知層網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)之間進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，保證數(shù)據(jù)和控制指令穿透各種網(wǎng)絡(luò)可靠傳輸。

c.可管理能力：對(duì)于任何網(wǎng)絡(luò)而言，管理能力是必不可少的。特別對(duì)通常用于無(wú)人值守環(huán)境下的無(wú)線傳感網(wǎng)，管理能力尤為重要。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)需要對(duì)無(wú)線傳感網(wǎng)中的傳感節(jié)點(diǎn)、路由器等設(shè)備進(jìn)行管理，同時(shí)它也需要對(duì)網(wǎng)關(guān)設(shè)備進(jìn)行管理。前者負(fù)責(zé)獲取傳感器節(jié)點(diǎn)的標(biāo)識(shí)、狀態(tài)、屬性等，并且實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程啟動(dòng)、關(guān)閉、控制和分析等功能；后者負(fù)責(zé)網(wǎng)關(guān)設(shè)備的注冊(cè)管理、診斷管理、配置管理、升級(jí)維護(hù)等。

3 面向水產(chǎn)養(yǎng)殖應(yīng)用的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

3.1 水產(chǎn)養(yǎng)殖物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)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3所示。

圖3 水產(chǎn)養(yǎng)殖物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)利用ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)組成無(wú)線傳感器網(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)，用戶可以利用個(gè)人電腦或者手機(jī)登錄到服務(wù)器，查詢養(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。控制中心內(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、專家咨詢等生產(chǎn)過(guò)程的科學(xué)化、數(shù)字化。

3.2 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)。

a.網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)中的處理器采用ARM Cortex-A8，具體型號(hào)是TCC8801。該處理器的主頻可以達(dá)到1GHz以上，處理能力很強(qiáng)。網(wǎng)關(guān)配置512MB DDR3內(nèi)存以及4GB NAND Flash，運(yùn)行Adroid 2.3.4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。

b.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以太網(wǎng)接入、無(wú)線局域網(wǎng)接入、3G/GPRS無(wú)線接入。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。

4 結(jié)束語(yǔ)

物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)龐大而復(fù)雜的系統(tǒng)，它發(fā)展至今還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)各行各業(yè)由專用化、特殊化向標(biāo)準(zhǔn)化的過(guò)渡已經(jīng)成為必然趨勢(shì)。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)作為傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)與傳感網(wǎng)絡(luò)連接的橋梁，更是影響未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。本文所提出的面向水產(chǎn)養(yǎng)殖應(yīng)用的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)，將為農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)提供有力的技術(shù)支持。

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