Zigbee/GPRS物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的實現(xiàn)研究

摘 要：隨著信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)步，物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展越來越迅速，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于智能電網(wǎng)，電子商務(wù)、公共安防、物流運輸?shù)阮I(lǐng)域。在物聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展下，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)起著很重要的作用，它的應(yīng)用有利于各網(wǎng)絡(luò)間的無縫融合，同時也有利于傳感器網(wǎng)絡(luò)與感知節(jié)點的控制與管理。本文主要結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用，探討基于Zigbee/GPRS物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的實現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：Zigbee/GPRS；物聯(lián)網(wǎng)；網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)

中圖分類號：TP391.44；TN929.5

物聯(lián)網(wǎng)是智能化的技術(shù)基礎(chǔ)，它改變著人們的生活與生產(chǎn)方式，物聯(lián)網(wǎng)通過對具體事物的實時感知，對其進(jìn)行智能控制提高產(chǎn)品質(zhì)量。物聯(lián)網(wǎng)的接入方式也是多種多樣，比如廣域的PSTN、基于傳感器的Zigbee/GPRS技術(shù)等。可以通過多種手段把物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)結(jié)合起來，滿足局部區(qū)域的通信需求。以便完成轉(zhuǎn)發(fā)、控制、編碼等功能的實施，最終建立智能控制網(wǎng)絡(luò)。

1 物聯(lián)網(wǎng)概述

物聯(lián)網(wǎng)是信息技術(shù)發(fā)展下的產(chǎn)物，它是通過紅外線感應(yīng)器、激光掃描器、GPS等信息傳感設(shè)備，按照一定的協(xié)議，實現(xiàn)空間內(nèi)的信息交換與無阻礙通信，是實現(xiàn)智能化識別、定位、監(jiān)控以及管理的一種智能網(wǎng)絡(luò)。它具有全面感知、傳輸以及智能處理等功能，是當(dāng)今最為先進(jìn)的智能技術(shù)。

物聯(lián)網(wǎng)簡單地說就是物物相連的互聯(lián)網(wǎng)，它的本質(zhì)還是互聯(lián)網(wǎng)，是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上發(fā)展擴(kuò)充的網(wǎng)絡(luò)，它的用戶端延伸至任何領(lǐng)域，進(jìn)行信息的傳輸與通信。物聯(lián)網(wǎng)相對于互聯(lián)網(wǎng)有著明顯的優(yōu)勢特征，首先表現(xiàn)在它是各種感知技術(shù)的廣泛應(yīng)用，物聯(lián)網(wǎng)上有很多的類型的傳感器組成，每一個傳感器相當(dāng)于一個信息源，不同類型的傳感器，所傳遞的信息業(yè)不相同，從而形成海量信息的儲存。

2 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

一般情況下，物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用體系主要有3個層次組成：感知層、傳送層以及應(yīng)用層，而物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)處于中間的傳送層。其中感知層的主要功能是解決數(shù)據(jù)的獲取問題，它的關(guān)鍵技術(shù)是檢測技術(shù)和短距離無線通信技術(shù)；傳輸層主要解決感知層獲得的數(shù)據(jù)信息，然后對收集到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸操作，此操作的關(guān)鍵技術(shù)是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及通信技術(shù)等；物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)應(yīng)用層主要解決信息數(shù)據(jù)的處理與信息數(shù)據(jù)的服務(wù)等問題，它的關(guān)鍵技術(shù)是智能處理。

2.1 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)需求分析

物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)在網(wǎng)絡(luò)與無線傳感器之間，主要進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)、信息管理以及轉(zhuǎn)換的操作功能等等，網(wǎng)關(guān)支持2G/3G接入、DSL接入、光接入以及其他形式的接入方式，通過這些接入技術(shù)把互聯(lián)網(wǎng)與傳感器連接起來。網(wǎng)關(guān)的選擇應(yīng)該以其具體的應(yīng)用為指導(dǎo)原則，硬件處理器應(yīng)該選擇能耗低、處理功能強(qiáng)大、便于控制的處理器，而且必須具有一定的開放性功能，以便以后的升級和不同通信方式的接入。在軟件方面網(wǎng)關(guān)應(yīng)該能實現(xiàn)ZigBee通信和外網(wǎng)通信的功能，以便實現(xiàn)數(shù)據(jù)的外部輸出功能。

網(wǎng)關(guān)需求可以從數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、協(xié)議轉(zhuǎn)換、管理控制三個方面來分析，其中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)是互聯(lián)網(wǎng)與傳感網(wǎng)絡(luò)之間的橋梁，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)最基礎(chǔ)的功能郎數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)應(yīng)能夠正確接收傳感網(wǎng)終端、互聯(lián)網(wǎng)終端發(fā)送的收據(jù)。協(xié)議轉(zhuǎn)換是指物聯(lián)網(wǎng)剛關(guān)應(yīng)宴現(xiàn)在接收到傳感器數(shù)據(jù)后，對傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行梆議轉(zhuǎn)按.將重封裝后的傳感器數(shù)據(jù)上報。管理控制，物聯(lián)網(wǎng)能對傳感器聲點的進(jìn)行部分管理控制功能。

2.2 功能指標(biāo)

基于Zigbee/GPRS物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的角色定位是協(xié)調(diào)器，功能是新建網(wǎng)絡(luò)，分配網(wǎng)絡(luò)地址；具有外部網(wǎng)絡(luò)的接入功能，將采集的信息發(fā)送給外部的數(shù)據(jù)中心服務(wù)器，并接收外部網(wǎng)絡(luò)對傳感網(wǎng)的控制命令，對ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制和管理；無線通信功能，通過RF射頻模塊與終端節(jié)點通信，收發(fā)數(shù)據(jù)；另外還有串口通信功、存儲數(shù)據(jù)和參數(shù)的功能等等。

2.3 網(wǎng)關(guān)的硬件以及軟件的設(shè)計

2.3.1 硬件設(shè)計

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的硬件一般由Sink節(jié)點、ARM開發(fā)板、以及GPRS無線通信3部分組成，具體的設(shè)備包括嵌入式ARM微機(jī)理芯片、GPRS無線通信模址、Zlgbee通信模塊、電源、FIASH模塊等等。物聯(lián)網(wǎng)采用的是是ARM9架構(gòu)的32位RISC處理器，芯片是64M Flzshdeng，嵌人了基于Zigbee芯片的無線收發(fā)模塊，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)間的數(shù)據(jù)傳輸功能。GPRS無線通信模塊是傳感網(wǎng)絡(luò)與物體間的橋梁，主要其嫁接的作用。

2.3.2 軟件設(shè)計

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的軟件組成比較復(fù)雜，它主要負(fù)責(zé)管理平臺與感知節(jié)點的交互。感知節(jié)點通過數(shù)據(jù)處理模塊負(fù)責(zé)收集相關(guān)傳感數(shù)據(jù)。然后把傳感數(shù)據(jù)傳輸給物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，另外還要負(fù)責(zé)接收網(wǎng)關(guān)下達(dá)的指令。網(wǎng)關(guān)的管理平臺是系統(tǒng)的應(yīng)用管理層，此系統(tǒng)通過與網(wǎng)關(guān)的交互聯(lián)系，他一般是通過向物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)發(fā)送命令與收集信息來管理網(wǎng)關(guān)與傳感器的信息數(shù)據(jù)，然后把所得數(shù)據(jù)存儲在指定的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫中，便于用戶的使用。

2.4 網(wǎng)關(guān)工作流程

網(wǎng)關(guān)開始工作以后，首先進(jìn)行監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)工作，等到外部事件有中斷時，通過判斷響應(yīng)的類型轉(zhuǎn)發(fā)和接收數(shù)據(jù)，如果接收到以太網(wǎng)數(shù)據(jù)信息，需要對以太網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、判斷，確定此數(shù)據(jù)是從那發(fā)來的，如果是從管理平臺發(fā)來的，需要對它進(jìn)行進(jìn)一步的判斷；如果此數(shù)據(jù)是傳輸給傳感網(wǎng)的數(shù)據(jù)信息，需要對傳感器指令進(jìn)行協(xié)議解析，然后將此命令下達(dá)給匯聚節(jié)點。若通過匯聚節(jié)點獲取到了傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)，則對傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)議解析后，調(diào)用管理平臺交互模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給管理平臺.

3 網(wǎng)關(guān)性能測試

3.1 網(wǎng)關(guān)丟包測試

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)丟包的原因可能在數(shù)據(jù)傳輸過程中、串口讀取sink節(jié)點數(shù)據(jù)時或者是以太網(wǎng)交互、GPRS交互發(fā)送數(shù)據(jù)包時丟包發(fā)生丟包。我們以最后一種原因做性能測試，通過在物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)、現(xiàn)行的以太網(wǎng)交互模塊與傳感器交互模塊等的程序中，插入測試設(shè)備，做好測試準(zhǔn)備，即看字節(jié)數(shù)是否一致，如果字節(jié)數(shù)一致需要記入物聯(lián)網(wǎng)日志，然后開始運作物聯(lián)網(wǎng)，并統(tǒng)計物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)運行日志。對第2種可能性進(jìn)行測試，由于傳感結(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)包中有序列號字段，因此可以通過統(tǒng)計接收到的數(shù)據(jù)包的序列號來查看是否有丟包情況。

3.2 網(wǎng)關(guān)的時延測試分析

測試物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)時延時需要部署10個傳感節(jié)點，以5秒為數(shù)據(jù)發(fā)送周期，在實驗中，記錄好數(shù)據(jù)傳輸及發(fā)送的時延，網(wǎng)關(guān)沒接收或者發(fā)送1000個數(shù)據(jù)包，計算以及時延，最后得到一個統(tǒng)計結(jié)果，根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果分析平均時延的上限。

4 結(jié)束語

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)中的核心系統(tǒng)，它是傳感器與互聯(lián)網(wǎng)之間的橋梁。而基于Zigbee/GPRS物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，大大改變了人們的生活方式，提高了人們的生活質(zhì)量，有很好的發(fā)展前景，需要人們不斷的開發(fā)與設(shè)計以便滿足不斷發(fā)展的社會的需求。

參考文獻(xiàn)：

[1]梁錦雄.面向物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)及其網(wǎng)關(guān)設(shè)計[J].價值工程2011（22）：173-174.

[2]陳琦，韓冰，秦偉俊.基于Zigbee/GPRS物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機(jī)研究與發(fā)展，2011（11）：367-372.

[3]羅俊海，周應(yīng)賓，鄧霄博.物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)設(shè)計[J].電信科學(xué)2011（02）：109-110.

[4]張煒.試論云計算在電信網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)中的應(yīng)用與實踐[J].計算機(jī)光盤軟件與應(yīng)用，2013（15）.

[5]賈桂林，劉美岑，曾寶國.基于物聯(lián)網(wǎng)的水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2012（12）.

作者單位：河南機(jī)電職業(yè)學(xué)院，鄭州 451191