基于物聯(lián)網(wǎng)智能家居網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

劉遠(yuǎn)聰

摘要：物聯(lián)網(wǎng)以“全面感知、無縫互聯(lián)、高度智能”的特性被視為第三次信息化浪潮。為了解決物聯(lián)網(wǎng)不能與以太網(wǎng)進(jìn)行直接通信的問題，提出了物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)技術(shù)，利用現(xiàn)代信息技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通過不同類型感知網(wǎng)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換和建立統(tǒng)一的指令與標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)與以太網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)信息傳送和控制。實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)證明該系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性和可控性。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng) 傳感網(wǎng) 以太網(wǎng) 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)

1 引言

物聯(lián)網(wǎng)是通過射頻識別（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，按協(xié)議與通信網(wǎng)絡(luò)相連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)信息交換和共享，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和測量、智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)[1]。實(shí)現(xiàn)自動智能處理物品的信息狀態(tài)，并進(jìn)行管理和控制，實(shí)現(xiàn)信息獲取和物品管理的互聯(lián)互通?，F(xiàn)代社會科學(xué)技術(shù)、通信設(shè)備的不斷開發(fā)和應(yīng)用，物聯(lián)網(wǎng)以“全面感知、無縫互聯(lián)、高度智能”的特性被視為第三次信息化浪潮[2]。隨著人們的生活水平不斷提高，居住條件不斷改善，生活品質(zhì)不斷提升，物聯(lián)網(wǎng)智能家居應(yīng)運(yùn)而生，作為家居智能的核心部分，物聯(lián)網(wǎng)智能家居網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的研究、開發(fā)和建設(shè)必將是國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新趨勢。

物聯(lián)網(wǎng)智能家居是采用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)布線技術(shù)、計(jì)算機(jī)接口技術(shù)將與家居生活有關(guān)的各個(gè)子系統(tǒng)如燈光、窗簾、煤氣、溫濕度、安防控制、信息家電、場景聯(lián)動等功能有機(jī)地融合在一起，應(yīng)用各種通訊網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，利用必要的安全機(jī)制，達(dá)到網(wǎng)絡(luò)化綜合智能控制和管理。

現(xiàn)有的通信網(wǎng)絡(luò)主要用于人與人之間的信息傳遞，感知網(wǎng)則實(shí)現(xiàn)了人與物、物與物之間的無線通信[4]。但不足的是，各種感知網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信協(xié)議都沒有形成相對統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，并且傳感網(wǎng)的數(shù)據(jù)信息不能進(jìn)行遠(yuǎn)距離的傳輸，導(dǎo)致傳感網(wǎng)與以太網(wǎng)之間無法進(jìn)行直接通信。為了解決這一矛盾，一種新型的網(wǎng)元設(shè)備——物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)應(yīng)運(yùn)而生。

2 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)簡介

在物聯(lián)網(wǎng)智能控制系統(tǒng)中，通信網(wǎng)絡(luò)和傳感網(wǎng)絡(luò)是通過物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)連接和設(shè)備管理的。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)屏蔽了感知網(wǎng)內(nèi)部的異構(gòu)性，并對感知網(wǎng)絡(luò)和終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理。轉(zhuǎn)換和標(biāo)準(zhǔn)是物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)，屏蔽感知網(wǎng)異構(gòu)性必須進(jìn)行協(xié)議的轉(zhuǎn)換，建立統(tǒng)一的指令及標(biāo)準(zhǔn)是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)管理功能的必要條件[5]。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)是物聯(lián)網(wǎng)智能家居的核心，主要進(jìn)行數(shù)據(jù)信息協(xié)議轉(zhuǎn)換、運(yùn)行狀態(tài)控制、數(shù)據(jù)信息匯聚以及尋址認(rèn)證等，這也是物聯(lián)網(wǎng)智能家居的數(shù)據(jù)信息匯聚中心和控制中心[6]。

3 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)基本功能

（1）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)能力。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)作為互聯(lián)網(wǎng)與傳感網(wǎng)絡(luò)之間的通信橋梁，必須支持傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部數(shù)據(jù)的協(xié)同與匯聚，并以多種方式橋接傳感器網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)是其最基礎(chǔ)的功能，能同時(shí)在傳感網(wǎng)終端、互聯(lián)網(wǎng)終端發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

（2）協(xié)議轉(zhuǎn)換能力。傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)信息常規(guī)多采用IEEE 802.15.4等通信協(xié)議，以太網(wǎng)多采用TCP/IP協(xié)議通信，網(wǎng)關(guān)必須進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)向下將下層不同標(biāo)準(zhǔn)格式的數(shù)據(jù)統(tǒng)一封裝，確保不同的感知網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議變成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)和信令，向上將上層下發(fā)的數(shù)據(jù)包信息轉(zhuǎn)換成感知層協(xié)議能夠識別的數(shù)據(jù)信令和控制指令[7]。

（3）管理控制能力。對于任何網(wǎng)絡(luò)來說，管理控制功能是不可缺失的。對網(wǎng)關(guān)進(jìn)行管理，如注冊、權(quán)限、狀態(tài)監(jiān)管等管理；對傳感器節(jié)點(diǎn)的管理，如器件標(biāo)識、運(yùn)行狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)屬性等管理；對智能家居的控制，如遠(yuǎn)程監(jiān)測、機(jī)械控制、系統(tǒng)診斷、智能維護(hù)等。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)接收應(yīng)用數(shù)據(jù)和信令，進(jìn)行識別后下達(dá)給傳感器節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)對下層傳感器節(jié)點(diǎn)的管理與控制。但由于協(xié)議和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不同，所以網(wǎng)關(guān)的管理能力也不盡相同。

4 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會（China Communications Standards Association，CCSA）將物聯(lián)網(wǎng)主要分為三層：第一層為感知層，第二層是傳送層，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)位于本層，第三層是應(yīng)用層。

（1）感知層。感知層的關(guān)鍵技術(shù)主要有檢測技術(shù)、近距離通信技術(shù)，它是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展和應(yīng)用的基礎(chǔ)[8]。感知層主要是由傳感網(wǎng)和采集數(shù)據(jù)信息設(shè)備搭建而成。數(shù)據(jù)采集通常利用各類傳感器、RFID、GPS、視頻攝像頭等設(shè)備來完成。傳感網(wǎng)絡(luò)是由多種數(shù)據(jù)采集設(shè)備和許多傳感器及其節(jié)點(diǎn)組建的。

（2）傳輸層。傳輸層的關(guān)鍵技術(shù)主要有遠(yuǎn)程通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以現(xiàn)有以太網(wǎng)為基礎(chǔ)，載入感知層獲取的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸，實(shí)現(xiàn)感知網(wǎng)與以太網(wǎng)的結(jié)合。

（3）應(yīng)用層。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層是以數(shù)據(jù)為中心的物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)，利用經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)信息，為用戶提供遠(yuǎn)程或近郊的控制和服務(wù)。各類信息通過各種設(shè)備在這一層進(jìn)行處理和控制，各層之間通過可控的信息分析和運(yùn)算為用戶提供各類服務(wù)。

4.1 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)由嵌入式ARM9架構(gòu)的32位RISC微處理芯片、GPRS/Zigbee通信模塊、FLASH模塊、ARM模塊、接口電路、電源等幾部分組成。感知層主要由MCS80C51處理器和CC2420無線射頻收發(fā)器通信模塊搭建而成，該模塊同時(shí)還搭載了嵌Zigbee通信模塊，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)子節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)傳輸[6]。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)硬件實(shí)物圖如圖1所示：

4.2 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)位于傳輸層，主要負(fù)責(zé)管理平臺與感知節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)信息交互[9]。感知節(jié)點(diǎn)屬于系統(tǒng)中的感知層，其上嵌入了數(shù)據(jù)處理模塊，其主要作用是解析命令和上報(bào)數(shù)據(jù)，收集傳感數(shù)據(jù)信息，并上報(bào)給網(wǎng)關(guān)，同時(shí)接收網(wǎng)關(guān)下發(fā)的信令。傳感網(wǎng)內(nèi)部的工作（如數(shù)據(jù)收集和時(shí)間同步等）則是通過數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議和基礎(chǔ)服務(wù)模塊共同協(xié)作完成。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示：

感知節(jié)點(diǎn)和管理平臺之間的通信是通過網(wǎng)關(guān)來完成的，網(wǎng)關(guān)在接收到節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)信息的同時(shí)，也向管理平臺接收和報(bào)送數(shù)據(jù)信息。管理平臺的信令是通過GPRS模塊和以太網(wǎng)模塊來接收和發(fā)送的。命令映射模塊進(jìn)行信令解譯，并將信息傳輸給節(jié)點(diǎn)或網(wǎng)關(guān)。協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)了傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)包解析，并進(jìn)行統(tǒng)一封裝[10]。日志管理和配置管理是網(wǎng)關(guān)的主要管理方式，用于記載重要事件和網(wǎng)關(guān)的配置信息，并進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳。數(shù)據(jù)信息發(fā)送和傳感網(wǎng)信令分發(fā)是由數(shù)據(jù)上報(bào)和命令代理模塊中sink節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)的。

綜上所述，系統(tǒng)的應(yīng)用管理層是通過管理平臺來控制和管理網(wǎng)關(guān)與傳感網(wǎng)絡(luò)的，管理平臺在數(shù)據(jù)庫中自動保存數(shù)據(jù)信息和維護(hù)子系統(tǒng)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和數(shù)據(jù)存儲，實(shí)現(xiàn)了服務(wù)端和客戶端與網(wǎng)關(guān)之間的數(shù)據(jù)信息傳輸，同時(shí)為用戶提供便捷的操作界面[8]。

5 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測試

5.1 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)信息丟包實(shí)驗(yàn)測試

（1）傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)信息傳輸過程中丟包。在物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)過程中，由于傳感器件的不穩(wěn)定性造成傳感網(wǎng)的不穩(wěn)定性，使得丟包現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，本網(wǎng)關(guān)的丟包實(shí)驗(yàn)未對其進(jìn)行測試。

（2）網(wǎng)關(guān)從串口讀取sink節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)信息時(shí)丟包。從串口讀取sink節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)信息丟包現(xiàn)象測試相對較為簡單，為每一個(gè)數(shù)據(jù)包信息設(shè)置序列號，將發(fā)送的數(shù)據(jù)包與接收的數(shù)據(jù)包序列號進(jìn)行比較。若相同，則說明沒有發(fā)生丟包現(xiàn)象，不相同則有丟包現(xiàn)象。

（3）網(wǎng)關(guān)與以太網(wǎng)等進(jìn)行數(shù)據(jù)信息傳輸時(shí)丟包。測試此種丟包現(xiàn)象是在物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)管理平臺程序設(shè)計(jì)過程中添加一段測試程序，使其能自動記錄發(fā)送的數(shù)據(jù)信息與未發(fā)送的數(shù)據(jù)信息，并記載與管理日志，在統(tǒng)計(jì)中發(fā)現(xiàn)此丟包情況較為少見。

本次實(shí)驗(yàn)測試中，設(shè)置了10個(gè)不同的傳感器節(jié)點(diǎn)，發(fā)送數(shù)據(jù)信息周期為6 s。管理平臺每收集到2000個(gè)數(shù)據(jù)包信息作為一次丟包記載測試實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)十次的測試結(jié)果如圖3所示：

在圖3中，橫坐標(biāo)的標(biāo)值表示實(shí)驗(yàn)次數(shù)，縱坐標(biāo)的標(biāo)值代表丟包數(shù)。可以看出，管理平臺在收集到1～2000個(gè)、2001～4000個(gè)、6001～8000個(gè)、12001～14000個(gè)、14001～16000個(gè)、16001～18000個(gè)數(shù)據(jù)包信息時(shí)，測試實(shí)驗(yàn)丟包數(shù)為1個(gè)，管理平臺在收集到4001～6000個(gè)、8001～10000個(gè)、10001～12000個(gè)、18001～20000個(gè)數(shù)據(jù)包信息時(shí)，測試實(shí)驗(yàn)丟包數(shù)為2個(gè)。10次實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果的平均丟包率為0.6‰，低于CCSA限定的最大丟包率1‰，通過測試實(shí)驗(yàn)可知此設(shè)計(jì)符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

5.2 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)信息時(shí)延實(shí)驗(yàn)測試

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)信息時(shí)延也是測試網(wǎng)關(guān)性能的一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)。網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)信息時(shí)延是指讀到一條完整的數(shù)據(jù)信息到完成發(fā)送這條數(shù)據(jù)信息之間的時(shí)間間隔[2]。本次實(shí)驗(yàn)測試中，也設(shè)置了10個(gè)不同的傳感器節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)信息發(fā)送周期為6 s。網(wǎng)關(guān)每接收并發(fā)送1000個(gè)數(shù)據(jù)包信息作為一次數(shù)據(jù)包信息的平均時(shí)延實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行10次實(shí)驗(yàn)的測試結(jié)果如圖4所示。

在圖4中，橫坐標(biāo)的標(biāo)值表示實(shí)驗(yàn)次數(shù)，縱坐標(biāo)的標(biāo)值代表平均時(shí)延，單位為ms?？梢钥闯觯?0次中管理平臺每接收并發(fā)送1000個(gè)數(shù)據(jù)包信息，數(shù)據(jù)包平均轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延依次為：8.728060822 ms、9.101037166 ms、8.798108656 ms、9.040832460 ms、8.709430585 ms、9.078904791 ms、8.729397024 ms、8.902405368 ms、8.789098456 ms。遠(yuǎn)低于CCSA規(guī)定的平均時(shí)延的上限（IPTD）100 ms。

6 結(jié)束語

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)是物聯(lián)網(wǎng)智能家居的關(guān)鍵技術(shù)部分。本文設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)智能家居網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)，利用現(xiàn)代信息技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通過不同類型感知網(wǎng)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換和建立統(tǒng)一的指令與標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)傳感網(wǎng)與以太網(wǎng)間的數(shù)據(jù)信息接收和發(fā)送以及對感知網(wǎng)絡(luò)的管理與控制。為感知網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)之間數(shù)據(jù)信息傳輸建立了空中隧道。此系統(tǒng)經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測試，具有良好的穩(wěn)定性和可控性。相信經(jīng)過不斷的改進(jìn)和創(chuàng)新研究，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)將被廣泛地應(yīng)用于智慧城市、智能電網(wǎng)、遠(yuǎn)程監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域。

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