一個(gè)高智能化的物聯(lián)網(wǎng)樞紐--物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)

　　互聯(lián)網(wǎng)的普及，使很多了解互聯(lián)網(wǎng)的人都知道網(wǎng)關(guān)這么一個(gè)名詞，網(wǎng)關(guān)(Gateway)就是一個(gè)網(wǎng)絡(luò )連接到另一個(gè)網(wǎng)絡(luò )的“關(guān)口”。在Internet中，網(wǎng)關(guān)是一種連接內部網(wǎng)與Internet上其它網(wǎng)的中間設備，也稱(chēng)“路由器”。

　　眾所皆知：物聯(lián)網(wǎng)概念在美國誕生，作為新一代信息技術(shù)的重要組成部分，物聯(lián)網(wǎng)系統是通過(guò)射頻識別(RFID)、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協(xié)議，把任何物品組成一個(gè)感知網(wǎng)絡(luò )與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進(jìn)行信息交換和通信的系統架構。

　　從物聯(lián)網(wǎng)的體系架構中，我們可以看到在感知層和網(wǎng)絡(luò )層兩個(gè)不同的網(wǎng)絡(luò )之間需要一個(gè)中間設備：物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)。

　　物聯(lián)網(wǎng)的接入方式是多種多樣的，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設備是最適合將多種接入手段整合起來(lái)，統一互聯(lián)到接入網(wǎng)絡(luò )的關(guān)鍵設備，網(wǎng)關(guān)可滿(mǎn)足局部區域短距離通信的接入需求，實(shí)現與公共網(wǎng)絡(luò )的連接，同時(shí)完成轉發(fā)、控制、信令交換和編解碼等功能，而終端管理、安全認證等功能保證了物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的質(zhì)量和安全。網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)可以實(shí)現感知延伸網(wǎng)絡(luò )與接入網(wǎng)絡(luò )，以及不同類(lèi)型感知延伸網(wǎng)絡(luò )之間的協(xié)議轉換，既可以實(shí)現廣域互聯(lián)，也可以實(shí)現局域互聯(lián)。

　　歸納起來(lái)高度智能化物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)應具備以下能力：

　　廣泛的接入能力

　　目前用于近程通信的技術(shù)標準很多，僅常見(jiàn)的WSNs技術(shù)就包括Lonworks、ZigBee、 6LowPAN、RUBEE等。從網(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(xiàn)局域網(wǎng)、有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )。因此，網(wǎng)關(guān)必須具備相應網(wǎng)絡(luò )的接口和軟硬件的接入能力?，F在國內、外已經(jīng)在展開(kāi)針對物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行標準化工作，如3GPP、傳感器工作組，實(shí)現各種通信技術(shù)標準的互聯(lián)互通。

　　強大的管理能力

　　管理對于任何大型網(wǎng)絡(luò )都是必不可少的。首先要對網(wǎng)關(guān)進(jìn)行管理，如注冊管理、權限管理、狀態(tài)監管等。網(wǎng)關(guān)實(shí)現子網(wǎng)內的節點(diǎn)的管理，如獲取節點(diǎn)的標識、狀態(tài)、屬性、能量等，以及遠程實(shí)現喚醒、控制、診斷、升級和維護等。由于子網(wǎng)的技術(shù)標準不同，協(xié)議的復雜性不同，所以網(wǎng)關(guān)具有的管理性能力不同。提出基于模塊化物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)方式來(lái)管理不同的感知網(wǎng)絡(luò )、不同的應用，保證能夠使用統一的管理接口技術(shù)對末梢網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)進(jìn)行統一管理。

　　協(xié)議轉換能力

　　從不同的感知網(wǎng)絡(luò )到接入網(wǎng)絡(luò )的協(xié)議轉換、將下層的標準格式的數據統一封裝、保證不同的感知網(wǎng)絡(luò )的協(xié)議能夠變成統一的數據和信令;將上層下發(fā)的數據包解析成感知層協(xié)議可以識別的信令和控制指令。

　　能處理如此繁多復雜不同類(lèi)型工作的高智能化設備，需要有很強的研發(fā)設計能力和針對不同行業(yè)應用的深厚實(shí)踐經(jīng)驗。

　　下面就水產(chǎn)養殖方面的具體例子，介紹物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的研發(fā)設計和功能。

　　水產(chǎn)養殖物聯(lián)網(wǎng)系統架構和功能

　　隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)迅速發(fā)展，基于物聯(lián)網(wǎng)的設施漁業(yè)信息化已經(jīng)成為設施漁業(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。設計中的水產(chǎn)養殖物聯(lián)網(wǎng)架構如圖所示。物聯(lián)網(wǎng)利用ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)組成無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )，感知養殖場(chǎng)的水質(zhì)情況，例如溫度、溶解氧濃度、PH值等，將這些數據實(shí)時(shí)發(fā)送至物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)將養殖場(chǎng)的環(huán)境數據利用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(zhuān)家系統依據水產(chǎn)品的生長(cháng)模型結合人工智能技術(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動(dòng)電機采取動(dòng)作調節養殖場(chǎng)的水產(chǎn)品的生長(cháng)環(huán)境，從而利于水產(chǎn)品生長(cháng)。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)留有攝像頭接口，能夠根據用戶(hù)需求將生產(chǎn)現場(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(hù)可以利用個(gè)人電腦或者手機登錄到服務(wù)器，查詢(xún)養殖水域內外環(huán)境數據、瀏覽生產(chǎn)現場(chǎng)圖片、觀(guān)看現場(chǎng)視頻，還可以遠程控制各種生產(chǎn)設備。當養殖場(chǎng)環(huán)境異常時(shí)，除了服務(wù)器中的專(zhuān)家系統發(fā)出指令驅動(dòng)電機調節環(huán)境(如增氧機增加溶解氧)，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?？刂浦行膬鹊娘@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、現場(chǎng)圖片等信息。因此，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠實(shí)現設施漁業(yè)養殖的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監管、數據統計分析、科學(xué)決策、預警及風(fēng)險控制、專(zhuān)家咨詢(xún)等生產(chǎn)過(guò)程的科學(xué)化、數字化。

　　水產(chǎn)養殖物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設計從水產(chǎn)養殖物聯(lián)網(wǎng)架構可以看出網(wǎng)關(guān)是物聯(lián)網(wǎng)核心設備。網(wǎng)關(guān)的設計包括兩部分：硬件設計和軟件設計。

　　網(wǎng)關(guān)硬件設計網(wǎng)關(guān)中的處理器采用ARM Cortex-A8。該處理器的主頻可以達到1GHz以上，處理能力很強。網(wǎng)關(guān)配置512MB DDR3內存以及4GB NAND Flash，運行Adroid2.3系統。根據物聯(lián)網(wǎng)的組網(wǎng)要求，網(wǎng)關(guān)具備10/100M以太網(wǎng)接口、內置無(wú)線(xiàn)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。

　　網(wǎng)關(guān)軟件設計根據網(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多種接入方式的配置和管理，這些接入方式包括有線(xiàn)以太網(wǎng)接入、無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)接入、3G/GPRS無(wú)線(xiàn)接入。ZigBee傳感網(wǎng)通信及控制模塊通過(guò)串行口與ZigBee協(xié)調器通信，獲取傳感網(wǎng)的數據，控制傳感網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò )運行。協(xié)議轉換模塊解決傳感網(wǎng)與后臺服務(wù)器之間的通信協(xié)議轉換，保證傳感網(wǎng)數據能夠正確發(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，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)設備本身的各種故障進(jìn)行記錄并發(fā)送告警信息。

　　除智慧農業(yè)外，高智能化物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)還將廣泛應用于智慧城市、智能電網(wǎng)、智慧醫療、智能交通等各行各業(yè)。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)在未來(lái)的物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代將會(huì )扮演著(zhù)非常重要的角色。