基于嵌入式平臺(tái)的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)關(guān)鍵技術(shù)研究

劉玉蘭 王彥卿 宋健男

（哈爾濱石油學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150036）

基于嵌入式平臺(tái)的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)關(guān)鍵技術(shù)研究

劉玉蘭 王彥卿 宋健男

（哈爾濱石油學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150036）

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)是實(shí)現(xiàn)傳感網(wǎng)和通信網(wǎng)絡(luò)連接的重要橋梁，在當(dāng)前快速發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代被廣泛應(yīng)用。而在當(dāng)前基于嵌入式平臺(tái)建立的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)已經(jīng)逐漸成為當(dāng)前重要的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)發(fā)展與研究方向。本文簡(jiǎn)要分析了物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)，并以此為基礎(chǔ)探討了基于嵌入式平臺(tái)的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)，以期為廣大物聯(lián)網(wǎng)研究人員提供技術(shù)參考。

嵌入式；物聯(lián)網(wǎng)；網(wǎng)關(guān)；關(guān)鍵技術(shù)

1 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的不斷發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)已經(jīng)逐漸發(fā)揮出其巨大的作用，為多個(gè)行業(yè)提供了方便。其在實(shí)際應(yīng)用中能夠感知相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)與通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)多種感知網(wǎng)絡(luò)間協(xié)議的相互轉(zhuǎn)換，既能夠滿足廣域互聯(lián)要求，也能滿足局域互聯(lián)的要求。特別是在無(wú)線傳感網(wǎng)當(dāng)中，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)更是十分重要的核心設(shè)備之一。并且在這種情況下，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)不僅需要完成上述工作，還應(yīng)具備設(shè)備管理能力，針對(duì)底層多個(gè)感知節(jié)點(diǎn)展開(kāi)管理，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

2 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)分析

通常情況下，物聯(lián)網(wǎng)的主要結(jié)構(gòu)都涵蓋了三個(gè)主要部分，即由上至下分為應(yīng)用層、支撐數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)層以及數(shù)據(jù)感知層。其中，數(shù)據(jù)感知層在工作時(shí)需要借助多種傳感器、射頻識(shí)別以及智能終端等傳感裝置來(lái)就需要管理的信息進(jìn)行全面的采集并匯總。網(wǎng)絡(luò)層的主要工作職能為傳輸來(lái)自數(shù)據(jù)感知層的信息，其是以互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、通信技術(shù)作為實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)的，該結(jié)構(gòu)的設(shè)置改變了傳統(tǒng)網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)中難以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的長(zhǎng)距離輸送的問(wèn)題。應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)的核心結(jié)構(gòu)，其主要是接收網(wǎng)絡(luò)層傳遞的數(shù)據(jù)，并就相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理與分析，從而針對(duì)性地開(kāi)展相應(yīng)的服務(wù)工作。而本文所研究的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)也是物聯(lián)網(wǎng)中的一部分，其主要存在于物聯(lián)網(wǎng)的感知層與網(wǎng)絡(luò)層中間，其主要的工作職能是對(duì)物聯(lián)網(wǎng)中的傳感網(wǎng)與通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，同時(shí)還承擔(dān)著相應(yīng)的管理作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感網(wǎng)中的多個(gè)節(jié)點(diǎn)的科學(xué)管理。在物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展過(guò)程中，當(dāng)前已經(jīng)出現(xiàn)了多種類型的通信網(wǎng)絡(luò)，且不同通信網(wǎng)絡(luò)之間都有著明顯的區(qū)別，而物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)也針對(duì)這種現(xiàn)象在不斷改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了自身的接入能力的擴(kuò)充，可在實(shí)際應(yīng)用中將不同結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行有機(jī)整合。

3 基于嵌入式平臺(tái)的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)關(guān)鍵技術(shù)之嵌入式技術(shù)

嵌入式技術(shù)的應(yīng)用主要是指設(shè)計(jì)人員依靠嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)來(lái)完成特定的功能。通常情況下，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)中的嵌入式系統(tǒng)主要包括處理器、外圍設(shè)備、操作系統(tǒng)以及應(yīng)用輸出等部分。其中，處理器是該系統(tǒng)中最為主要的結(jié)構(gòu)，在系統(tǒng)工作中承擔(dān)程序運(yùn)行保證與系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的工作。系統(tǒng)的外圍設(shè)備數(shù)量較多，并不局限于某一特定的部分，其廣泛包括了系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)通訊、存儲(chǔ)以及調(diào)試等輔助作用的系統(tǒng)部分。操作系統(tǒng)則是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)終端處理、任務(wù)通信以及信息的存儲(chǔ)與分配工作的重要部件，能實(shí)現(xiàn)多任務(wù)的分配與處理，為系統(tǒng)的正常運(yùn)行提供保障與方便。應(yīng)用輸出部分則主要是指在系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析之后將任務(wù)命令傳輸至該平臺(tái)時(shí)，根據(jù)指示開(kāi)展與完成任務(wù)。

技術(shù)人員在進(jìn)行該技術(shù)應(yīng)用時(shí)應(yīng)當(dāng)注意以下幾方面：其一，將該技術(shù)運(yùn)用于系統(tǒng)的特定任務(wù)當(dāng)中，且相關(guān)任務(wù)通常表現(xiàn)為實(shí)時(shí)性的特征；其二，充分發(fā)揮嵌入式技術(shù)和網(wǎng)關(guān)軟硬件之間的關(guān)聯(lián)性，當(dāng)任意一方需要進(jìn)行升級(jí)換代時(shí)都需帶動(dòng)另一方進(jìn)行同時(shí)的升級(jí)換代；其三，技術(shù)人員在運(yùn)用該技術(shù)時(shí)還應(yīng)當(dāng)盡可能實(shí)現(xiàn)成本控制，但是這都應(yīng)當(dāng)建立在系統(tǒng)正常穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)上，將不重要的硬件資源進(jìn)行刪除或者進(jìn)行簡(jiǎn)化。其四，部分嵌入式系統(tǒng)的運(yùn)行能量獲得是通過(guò)電池供電來(lái)實(shí)現(xiàn)，所以，為保證該系統(tǒng)能得到長(zhǎng)時(shí)間不間斷的運(yùn)用，技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)注重系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)熱量的散發(fā)。

3.2 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)關(guān)鍵技術(shù)之多信號(hào)協(xié)議處理技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)在實(shí)際工作過(guò)程中需要承擔(dān)大量信號(hào)協(xié)議處理工作，并且還需要接受來(lái)自應(yīng)用層的訪問(wèn)以及控制感知層操作，所以其迫切需要信號(hào)處理器來(lái)幫助自身實(shí)現(xiàn)多種工作的同時(shí)處理。常見(jiàn)的信號(hào)處理器為信息轉(zhuǎn)換器，其可輔助網(wǎng)關(guān)直接在硬件上進(jìn)行相應(yīng)的信號(hào)轉(zhuǎn)換。而為實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)更加靈活地運(yùn)行，其還應(yīng)當(dāng)建立完善的多協(xié)議處理機(jī)制，該機(jī)制在運(yùn)用中能夠快速地對(duì)來(lái)自多種協(xié)議設(shè)備的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使其成為對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)格式并向外發(fā)送，確保網(wǎng)關(guān)能夠進(jìn)行異構(gòu)感知網(wǎng)絡(luò)的正常接入與通信實(shí)現(xiàn)。以下具體分析該處理機(jī)制的重要應(yīng)用價(jià)值。

(1)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)異構(gòu)感知網(wǎng)絡(luò)接入

物聯(lián)網(wǎng)的感知層在進(jìn)行數(shù)據(jù)收集與上傳的過(guò)程中需要經(jīng)過(guò)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，而網(wǎng)關(guān)則需要就相關(guān)數(shù)據(jù)協(xié)議進(jìn)行解析。但是系統(tǒng)所涵蓋的傳感設(shè)備數(shù)量龐大且存在一定差異，并且相關(guān)傳感設(shè)備在運(yùn)用中大都是通過(guò)短距離通信技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，且相關(guān)通信技術(shù)主要涵蓋了Zigbee、CAN、RS485等多種技術(shù)類型。其中，Zigbee技術(shù)的應(yīng)用成本較低、能量消耗較小且操作較為簡(jiǎn)單，所以該技術(shù)得以廣泛應(yīng)用，在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中可以同時(shí)與255個(gè)該設(shè)備進(jìn)行連接。而CAN技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中具有較為優(yōu)化的抗電磁干擾能力，且能在運(yùn)用中實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離的輸送，所以其常被應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)當(dāng)中。所以，為實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)匯聚感知能力與處理速度的提升，可與網(wǎng)關(guān)建立多個(gè)通信接口，提升自身協(xié)議的解析能力。

(2)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)異構(gòu)感知網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通信

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)在實(shí)際應(yīng)用中不僅能充當(dāng)感知設(shè)備來(lái)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)的精確檢測(cè)，同時(shí)還能在檢測(cè)結(jié)果分析之后做出相應(yīng)的處理決策。而其在做出相應(yīng)的決策時(shí)應(yīng)當(dāng)利用多種傳感設(shè)備來(lái)進(jìn)行多種數(shù)據(jù)的綜合分析，但是系統(tǒng)的各個(gè)傳感器的位置可能處于不同種類的感知網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，對(duì)數(shù)據(jù)綜合分析的實(shí)現(xiàn)造成阻礙。為解決這種問(wèn)題，就應(yīng)當(dāng)建立跨異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通信。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)是數(shù)據(jù)匯集以及數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，利用多協(xié)議接入技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)能切實(shí)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)的多接口特征的體現(xiàn)，并能同時(shí)完成多種協(xié)議解析工作，為異構(gòu)感知網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)造關(guān)系橋梁。這對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的通信成本控制有著重要意義，也在很大程度上推進(jìn)了物聯(lián)網(wǎng)信息智能化的建設(shè)。

3.3 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)關(guān)鍵技術(shù)之嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)

物理網(wǎng)網(wǎng)關(guān)在實(shí)際運(yùn)行中涉及到多個(gè)各方面的工作內(nèi)容，且對(duì)感知層收集到的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。設(shè)計(jì)人員有必要設(shè)置完善的信息管理模式，利用程序編寫(xiě)的方式來(lái)對(duì)多種文件信息進(jìn)行記錄，但是這樣也將會(huì)造成程序工作量的提升，當(dāng)工作量到達(dá)一定限度時(shí)就會(huì)對(duì)網(wǎng)關(guān)的正常工作造成影響。為避免這種情況的出現(xiàn)，引進(jìn)嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)進(jìn)行管理不僅能實(shí)現(xiàn)信息全面管理，還能保證網(wǎng)關(guān)的運(yùn)行效率不受到影響。

嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)相比普通數(shù)據(jù)庫(kù)而言存在著運(yùn)行模式上的差異，其在運(yùn)用過(guò)程中和系統(tǒng)整體應(yīng)用程序共用同一進(jìn)程。這樣將減少數(shù)據(jù)庫(kù)建立的成本投入，并且其在實(shí)際運(yùn)用中還具有靈活可靠的特性，針對(duì)嵌入式平臺(tái)下的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)十分適用。正由于該技術(shù)存在的多種應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，其已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于多種嵌入式產(chǎn)品當(dāng)中。常見(jiàn)的嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)涵蓋了Berkeley DB、MySQL、mSQL等多種。其中，Berkeley DB的碼源相對(duì)比較開(kāi)放，其在應(yīng)用中能就系統(tǒng)的所有鍵/值對(duì)型進(jìn)行保存，并能為系統(tǒng)工作提供C、C++等多種語(yǔ)言類編程接口，同時(shí)還可快速地進(jìn)行多個(gè)數(shù)據(jù)的保存，在多個(gè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)中都十分適用。而MySQL的源碼也相對(duì)開(kāi)放，是關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)的一種，該數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)在系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中表現(xiàn)出運(yùn)行速度較快、占據(jù)空間較小以及應(yīng)用成本投入較低等特征。所以，在進(jìn)行中小型的網(wǎng)站創(chuàng)建時(shí)，大多數(shù)的設(shè)計(jì)人員都會(huì)選擇該技術(shù)作為嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)。此外，mSQL數(shù)據(jù)庫(kù)在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)個(gè)人免費(fèi)，只在商業(yè)運(yùn)用中收取一定的費(fèi)用，也屬于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)的一種。該數(shù)據(jù)庫(kù)本身較為精小，相比上一種數(shù)據(jù)庫(kù)類型而言，編程語(yǔ)言運(yùn)用更加快速，但是性能方面稍弱。因此，該類型數(shù)據(jù)庫(kù)被常用到簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)管理當(dāng)中。

3.4 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)關(guān)鍵技術(shù)之Web交互

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層的重點(diǎn)對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)感知層設(shè)備的管理是十分必要的，而為方便管理工作的正常開(kāi)展，技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層上建立較為完善的交互接口，確保網(wǎng)關(guān)交互功能滿足管理工作需要。設(shè)計(jì)人員可通過(guò)運(yùn)用Web交互技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，其可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)頁(yè)和網(wǎng)關(guān)的交互關(guān)系建立，減去了客戶端軟件編寫(xiě)的步驟，更加快捷方便地進(jìn)行交互。為避免各終端平臺(tái)的異構(gòu)性所造成的影響，保證網(wǎng)關(guān)遠(yuǎn)程交互工作的順利開(kāi)展，技術(shù)人員還應(yīng)當(dāng)將交互方式設(shè)置成Web網(wǎng)頁(yè)。即在物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)中建立嵌入式Web服務(wù)器，依靠該服務(wù)器進(jìn)行遠(yuǎn)程交互命令的收集與處理。之后再就服務(wù)器的校本程序進(jìn)行調(diào)節(jié)，最終將得到的結(jié)果進(jìn)行傳輸，實(shí)現(xiàn)無(wú)障礙的平臺(tái)交互。但是在這過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員也應(yīng)當(dāng)建立相應(yīng)的安全服務(wù)機(jī)制，保證網(wǎng)關(guān)的安全運(yùn)行。

4 結(jié)束語(yǔ)

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)在應(yīng)用發(fā)展與研究的過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了與嵌入式平臺(tái)的融合，為實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的服務(wù)水平的進(jìn)一步提升，相關(guān)研究人員有必要不斷地就物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)展開(kāi)研究。掌握嵌入式技術(shù)、多信號(hào)協(xié)議處理技術(shù)、嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、Web交互技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)等多項(xiàng)關(guān)鍵性技術(shù)的應(yīng)用，并在物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)研究的過(guò)程中不斷進(jìn)行技術(shù)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)。引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù)，不斷實(shí)現(xiàn)自身的技術(shù)應(yīng)用水平提升，建立更加完善的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)。

[1]尹彥霖．基于物聯(lián)網(wǎng)的嵌入式智能網(wǎng)關(guān)的研究與實(shí)現(xiàn)[D]．北京：北京工業(yè)大學(xué)，2013．

[2]常英亮．基于嵌入式Linux的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)研究與實(shí)現(xiàn)[D]．北京：北京交通大學(xué)，2014．

[3]羨慧竹．基于物聯(lián)網(wǎng)的智能網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)[D]．北京：北京工業(yè)大學(xué)，2014．

[4]李曉丹．基于STM32的物聯(lián)網(wǎng)嵌入式網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)[J]．計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2015，51(04)：61-65．

Research on the Key Technologies of Internet of Things Gateway Based on Embedded Platform

Liu Yulan Wang Yanqing Song Jiannan
(Harbin Petroleum Institute,Harbin 150036,Heilongjiang)

The Internet of things gateway is an important bridge to connect the sensor network and communication network.It is widely used in the era of rapid development of Internet of things.At present,the Internet of things gateway based on embedded platform has become the important development and research direction of the Internet of things gateway.This paper briefly analyzes the gateway structure of Internet of things,and on this basis,discusses on its key technologies of the Internet of things gateway design based on embedded platform,in order to provide technical reference for the vast number of Internet of things researchers.

embedded;Internet of things;gateway;key technology

TP391.44；TN929.5

A

1008-6609(2017)08-0016-03

劉玉蘭（1974-），女，黑龍江訥河人，碩士，講師，研究方向?yàn)榍度胧?、物?lián)網(wǎng)。

黑龍江大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目：泳池水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)—201713299021。