物聯(lián)網(wǎng)2.0時代的新一代網(wǎng)關技術探究

陳 勇

物聯(lián)網(wǎng)2.0時代的新一代網(wǎng)關技術探究

陳 勇

（南京龍淵微電子科技有限公司，南京211106）

目前的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關基本采取的是一種比較傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)轉發(fā)或協(xié)議轉換模式，硬件采用通用的ARM處理器，缺乏自主產(chǎn)權。為了大力發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)，本文利用自主產(chǎn)權的物聯(lián)網(wǎng)國產(chǎn)龍芯1B核心處理器，研究通識平臺的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關，融合了各種物聯(lián)網(wǎng)通信標準，跨越了物聯(lián)網(wǎng)信息壁壘，并深入研究了云平臺數(shù)據(jù)處理的高度智能化網(wǎng)關技術。

物聯(lián)網(wǎng)2.0；網(wǎng)關；龍芯1B處理器；通信模塊

引 言

通過龍芯公司自主研發(fā)的基于未來網(wǎng)絡特征的物聯(lián)網(wǎng)融合網(wǎng)關，在未來物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展過程中占據(jù)重要地位，使我國物聯(lián)網(wǎng)技術處于國際前沿領導位置。本文主要闡述物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關是新一代網(wǎng)絡和信息技術的深度應用，體現(xiàn)了信息化與工業(yè)化的深度融合，更通過云計算、物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)的集成應用，實現(xiàn)了智能設備的自我配置、自我維持、自我修復機制，以及完成相互之間的信息自主連接、自主交互。該網(wǎng)關的核心是如何將6LoWPAN、WIFI、GPRS［1］等無線通信模塊自適應地融合，將這些復雜的通信數(shù)據(jù)（比如HTTP、Telnet、FTP、TCP/IP、HTP等）打包成統(tǒng)一的格式連接到Internet網(wǎng)絡上，實現(xiàn)傳輸?shù)慕y(tǒng)一管理。

1　新一代物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關模塊介紹

1.1龍芯1B國產(chǎn)微處理器

龍芯1B國產(chǎn)微處理器是龍芯系列網(wǎng)關主芯片模塊，該模塊是整個系統(tǒng)的核心部分，CPU采用龍芯1B型號，主頻為266 M Hz，32位超標量處理器核，具有1 GB的DDR2或者SDRAM和8/16 MB的SPI Flash，支持各種SPI、I2C、UART、I2S等總線接口。該設備負責收集各個功能模塊的數(shù)據(jù)，然后打包為統(tǒng)一的格式，通過Internet傳輸?shù)椒掌魃?。網(wǎng)關的操作系統(tǒng)采用網(wǎng)絡化的嵌入式Linux，它是一種開源的嵌入式實時操作系統(tǒng)，特別適用于網(wǎng)絡應用，很容易在其基礎上開發(fā)自己的應用程序［2］。

1.2射頻發(fā)射模塊

采用CC2538射頻收發(fā)器來實現(xiàn)網(wǎng)絡節(jié)點通信模塊的功能。CC2538是TI公司推出的符合2.4 GHz IEEE 802.15.4標準的射頻收發(fā)器，只需極少外部元器件，性能穩(wěn)定且功耗極低。利用此芯片開發(fā)的無線通信設備支持的數(shù)據(jù)傳輸速率高達250 kbps，可以實現(xiàn)多點對多點的快速組網(wǎng)［3］。CC2538的主要性能參數(shù)如下：

①工作頻帶范圍為2.400～2.483 5 GHz；

②采用IEEE 802.15.4規(guī)范要求的直接序列擴頻方式，QPSK調制方式；

③超低電流消耗（Rx為19.7 m A，Tx為17.4 m A），高接收靈敏度（-94 dBm）；

④抗鄰頻道干擾能力強（39 dB）；

⑤IEEE 802.15.4 MAC層硬件可支持自動幀格式生成、16位CRC校驗、電源檢測、完全自動MAC層安全保護，其MAC層的幀格式為頭幀+數(shù)據(jù)幀+校驗幀，PHY層的幀格式為同步幀+PHY頭幀+MAC幀，幀頭序列的長度可以通過寄存器的設置來改變。

⑥與控制微處理器的接口配置容易（4總線SPI接口）。

2　新一代網(wǎng)關的工作原理

2.1新一代網(wǎng)關電路圖

新一代網(wǎng)關電路圖如圖1所示。

圖1　網(wǎng)關電路圖

2.2新一代物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關程序代碼

RF的軟件設計最主要的是CC2538數(shù)據(jù)收發(fā)的應用程序。CC2538的數(shù)據(jù)收發(fā)采用中斷方式處理：當CC2538收到節(jié)點的RF信號時，在主循環(huán)中進行軟件置位，接收中斷響應，啟動函數(shù)hal_RFReceivePacket接收數(shù)據(jù)，存入緩沖區(qū)，并發(fā)送給龍芯1B芯片，完成RF數(shù)據(jù)接收過程的通信；當CC2538接到龍芯1B芯片發(fā)送的數(shù)據(jù)或命令信息時，在主循環(huán)中啟動函數(shù)hal_RFSend Packet發(fā)送數(shù)據(jù)，從而完成數(shù)據(jù)發(fā)送任務。CC2538接收節(jié)點的RF信號的程序示例如下：

BYTE hal_RFReceiveP acket（BYTE*p Data，BYTE p Rssi，BYTE p Lqi，BYTEtimeOut）｛

BYTEi；

ISFLUSHRX； //確定接收緩沖區(qū)為0

ISFLUSHRX； //再次確認重置SFD位

RFIF&=-IRQ_FIFOP；//進入接收狀態(tài)

Length=（RFD&0x7F）；//存儲數(shù)據(jù)

for（i=0；i＜（1ength-2）；i++）｛

p Data［i］=RFD；

｝

p Rssi=RFD； //接收信號的強度指示值

p Lqi=RFD； //CRC校驗值

if（*p Lqi&0x80）｛//校驗值正確，則進入下一個數(shù)據(jù)的接收//不正確，則返回

｝

｝

2.3與GPRS模塊的對比優(yōu)勢

GPRS是通用分組無線業(yè)務（General Packet Radio Service）的英文簡稱，是在現(xiàn)有GSM系統(tǒng)上發(fā)展出來的一種新的承載業(yè)務，目的是為GSM用戶提供分組形式的數(shù)據(jù)業(yè)務。GPRS采用與GSM同樣的無線調制標準、同樣的頻帶、同樣的突發(fā)結構、同樣的跳頻規(guī)則以及同樣的TDMA幀結構，這種新的分組數(shù)據(jù)信道與當前電路交換的話音業(yè)務信道極其相似。因此，現(xiàn)有的基站子系統(tǒng)（BSS）從一開始就可提供全面的GPRS覆蓋［4］。GPRS允許用戶在端到端分組轉移模式下發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，而無需利用電路交換模式的網(wǎng)絡資源，從而提供了一種高效、低成本的無線分組數(shù)據(jù)業(yè)務，特別適用于間斷的、突發(fā)性的或頻繁的、少量的數(shù)據(jù)傳輸。GPRS理論帶寬可達171.2 kbps，實際應用帶寬大約在40～100 kbps，在此信道上提供TCP/IP連接，可以用于Internet連接、數(shù)據(jù)傳輸?shù)葢茫?］。

本文使用的是GPRS多點網(wǎng)絡傳輸，示意圖如圖2所示。

圖2 GPRS多點網(wǎng)絡傳輸

圖2未包括用戶鑒權等數(shù)據(jù)，參考《900/1800 M Hz TDMA數(shù)字蜂窩移動通信網(wǎng)通用分組無線業(yè)務（GPRS）設備技術要求：移動臺》。

本網(wǎng)關通過向ttyS1口發(fā)送AT指令與GPRS模塊通信，作為一種調制解調器語言，AT命令用于SIM900A模塊的主處理器與無線上網(wǎng)卡的數(shù)據(jù)交互。AT命令必須以AT或at作為前綴，以回車＜CR＞作為結尾。

TCP連接的操作步驟如下：

①發(fā)送指令：AT+CPIN？查詢模塊是否設置PIN碼，返回+CPIN：READY OK；

②發(fā)送指令：AT+CSQ，查詢天線信號質量，返回+CSQ：29，0 OK；

③發(fā)送指令：AT+CGREG？查看模塊是否注冊網(wǎng)絡，返回+CGREG：0，1 OK；

④發(fā)送指令：AT+CGATT？查看模塊是否附著GPRS網(wǎng)絡，返回+CGATT：1 OK；

⑤發(fā)送指令：AT+CSTT，設置APN，返回OK；

⑥發(fā)送指令：AT+CIICR激活移動場景，返回OK；

⑦發(fā)送指令：AT+CLPORT="TCP"，"2000"，設置本機的端口號為2000；

⑧發(fā)送指令：AT+CIFSR，獲取本地IP地址，返回激活的本地IP地址；

⑨發(fā)送指令：AT+CIPSTART="TCP"，"http：// www.baidu.com"，8086，表示連接百度網(wǎng)絡，建立TCP/ IP連接，端口是8086，返回CONNECT OK。這樣就與指定的網(wǎng)絡建立了連接，可以發(fā)送數(shù)據(jù)了，在每次發(fā)送數(shù)據(jù)的時候，首先發(fā)送AT+CIPSEND，此時模塊會返回＞，此后就是要發(fā)送的數(shù)據(jù)；

⑩發(fā)送指令：AT+CIPCLOSE=1，關閉當前TCP連接，再發(fā)送AT+CIPSHUT，關閉場景。

3　新一代物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關與lnternet的無縫融合

3.16LoWPAN與lnternet網(wǎng)絡

6LoWPAN是一種低功耗的無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡，其中每個節(jié)點都有自己的IPv6地址，允許其使用開放標準直接連接到互聯(lián)網(wǎng)。6LoWPAN技術是一種在IEEE 802.15.4標準基礎上傳輸IPv6數(shù)據(jù)包的網(wǎng)絡體系，可用于構建無線傳感器網(wǎng)絡［6］。6LoWPAN規(guī)定其物理層和MAC層采用IEEE 802.15.4標準，上層采用TCP/IPv6協(xié)議棧，其與TCP/IP對比的參考模型如圖3所示。

圖3　6LoWPAN與lnternet網(wǎng)絡對比

6LoWPAN協(xié)議棧參考模型與TCP/IP的參考模型大致相似，區(qū)別在于6LoWPAN底層使用的是IEEE 802.15.4標準，而且因低速無線個域網(wǎng)的特性，在6LoWPAN的傳輸層沒有使用TCP協(xié)議。本文中CC2538采用的是基于6LoWPAN的協(xié)議棧，最為重要的是6LoWPAN是基于IP層的應用。

本項目中使用了基于時空約束的組播路由算法?；跁r空約束的組播路由Mobicast（Just-in-Time multicast for sensor networksunder spatiotemporal constraints）認為信息具有時間和空間的約束，是一種基于時空約束（Spatiotemporal Constraints）條件下的組播算法，為了持續(xù)監(jiān)視移動的物體，無線傳感器網(wǎng)絡需要維持一個動態(tài)的傳感器組，該傳感器組和移動物體有相同的移動速率。Mobicast的主要思想是利用一種網(wǎng)絡拓撲感知（Topology-aware）技術，通過構造一個動態(tài)的前向區(qū)域（Forwarding Zone）來將實時信息（Just- in-Time information）發(fā)送到網(wǎng)絡中某個轉發(fā)區(qū)域（Delivery Zone）內的所有節(jié)點。只有靠近被監(jiān)測物體的傳感器才處于激活狀態(tài)，而如果保持整個網(wǎng)絡的傳感器處于激活狀態(tài)，則會造成網(wǎng)絡巨大的能量開銷。如戰(zhàn)場上敵軍的位置信息只在特定時間對特定威脅范圍內的友軍有效，超過這個范圍的友軍無須了解這一信息，因此，只將信息在此有效信息區(qū)域內洪泛［7］。

轉發(fā)區(qū)域（Deliverv Zone）由實際應用所規(guī)定，它是把信息轉發(fā)到應用發(fā)生的區(qū)域。前向區(qū)域限制FZC（Forward Zone Constrained）組播協(xié)議創(chuàng)建并運用了“前向區(qū)域”，處在轉發(fā)區(qū)域前一段距離移動，稱前向區(qū)域和其有關的轉發(fā)區(qū)域之間的距離為“間隔距離（Headway Distance）”。前向區(qū)域的形狀與轉發(fā)區(qū)域的形狀有關，也和網(wǎng)絡的拓撲結構有關。間隔距離的選擇和前向區(qū)域的大小必須保證進入轉發(fā)區(qū)域的所有節(jié)點將預先接收到Mobicast信息。前向區(qū)域限制FZC組播算法分為兩個階段：第一階段是初始化階段，節(jié)點試圖“追上”Mobicast的時間和空間要求，處在前向區(qū)域軌道上的節(jié)點第一次接收到信息就盡可能快速地轉播該信息，這一階段持續(xù)到在距離轉發(fā)區(qū)域前處的一個穩(wěn)定前向區(qū)域建立后停止；第二部分是巡游階段，前向區(qū)域和轉發(fā)區(qū)域以相同的速率移動，當轉發(fā)區(qū)域和前向區(qū)域的間隔距離穩(wěn)定時表示協(xié)議進入了這一階段。

3.2與lnternet網(wǎng)絡的融合協(xié)議

無論是ZigBee、GPRS還是6LoWPAN，最終都要通過Internet協(xié)議連接到互聯(lián)網(wǎng)上。本文采用通用的HTTP協(xié)議傳輸這些網(wǎng)絡數(shù)據(jù)信息。

HTTP協(xié)議即超文本傳送協(xié)議（Hypertext Transfer Protocol），是Web聯(lián)網(wǎng)的基礎，也是手機聯(lián)網(wǎng)常用的協(xié)議之一，HTTP協(xié)議是建立在TCP協(xié)議之上的一種應用［8］。

HTTP連接最顯著的特點是客戶端發(fā)送的每次請求都需要服務器回送響應，在請求結束后，會主動釋放連接。從建立連接到關閉連接的過程稱為“一次連接”。在HTTP 1.0中，客戶端的每次請求都要求建立一次單獨的連接，在處理完本次請求后，就自動釋放連接；在HTTP 1.1中，則可以在一次連接中處理多個請求，并且多個請求可以重疊進行，不需要等待一個請求結束后再發(fā)送下一個請求。

由于HTTP在每次請求結束后都會主動釋放連接，因此HTTP連接是一種“短連接”，要保持客戶端程序的在線狀態(tài)，需要不斷地向服務器發(fā)起連接請求。通常的做法是即使不需要獲得任何數(shù)據(jù)，客戶端也保持每隔一段固定的時間向服務器發(fā)送一次“保持連接”的請求，服務器在收到該請求后對客戶端進行回復，表明知道客戶端“在線”。若服務器長時間無法收到客戶端的請求，則認為客戶端“下線”；若客戶端長時間無法收到服務器的回復，則認為網(wǎng)絡已經(jīng)斷開。

下面是使用C語言實現(xiàn)的HTTP協(xié)議的部分代碼：

結 語

本文就未來網(wǎng)絡討論了ZigBee、6Low PAN、GPRS以及Internet中HTTP的通信方式。著重介紹了ZigBee、6LoWPAN、GPRS、HTTP多網(wǎng)融合的技術以及無線路由的協(xié)議算法。其路由協(xié)議設計的首要目標是有效節(jié)約能源，延長網(wǎng)絡生命周期。本文還研究了關于未來網(wǎng)絡的體系結構和路由協(xié)議的特點，分層路由提高了網(wǎng)絡的

New-generation Gateway Technology in the Era of loT2.0

Chen Yong
（Nanjing Longyuan Microelectronics Technology Co.，Ltd.，Nanjing 211106，China）

At present，the internet of things gateway basically takes the traditional data forwarding or protocol conversion mode，and the hardware adopts general ARM processor，which leds to the lack of independent property right.In order to develop the internet of things，the Loongson 1B processor is used to research the general platform of Io T gateway，which converges of the various internet of things communication standards，and acrosses the information barriers.The cloud data processing of highly intelligent gateway technology is researched.

Io T 2.0；gateway；Loongson 1B processor；communication module

TP393.1

A