物聯網是指通過射頻識別（RFID）、紅外感應器、GPS、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協議，實現任何時間、任何地點、任何物體進行信息交換和通信，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。物聯網是具有全面感知、可靠傳輸、智能處理特征的連接物理世界的網絡。
物聯網用途廣泛，遍及智能交通、環境保護、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工業監測、老人護理、個人健康、*卉栽培、水系監測、食品溯源、敵情偵查和情報搜集等多個領域。
物聯網的接入方式是多種多樣的，如廣域的PSTN、短距離的Z-Wave等，物聯網網關設備是將多種接入手段整合起來，統一互聯到接入網絡的關鍵設備。它可滿足局部區域短距離通信的接入需求，實現與公共網絡的連接，同時完成轉發、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網業務的質量和安全。物聯網網關在未來的物聯網時代將會扮演著非常重要的角色，可以實現感知延伸網絡與接入網絡之間的協議轉換，既可以實現廣域互聯，也可以實現局域互聯，將廣泛應用于智能家居、智能社區、數字醫院、智能交通等各行各業。
物聯網組網采用分層的通信系統架構，包括感知延伸系統、傳輸系統、業務運營管理系統和各種應用，在不同的層次上支持不同的通信協議，如圖1所示。感知延伸系統包括感知和控制技術，由感知延伸層設備以及網關組成，支持包括Lonworks、UPnP、ZigBee等通信協議在內的多種感知延伸網絡。感知設備可以通過多種接入技術連接到核心網，實現數據的遠程傳輸。業務運營管理系統面向物聯網范圍內的耗能設施，包括了應用系統和業務管理支撐系統。應用系統為最終用戶提供計量統計、遠程測控、智能聯動以及其他的擴展類型業務。業務管理支撐系統實現用戶管理、安全、認證、授權、計費等功能。
2 物聯網網關功能
物聯網網關在未來的物聯網時代將會扮演非常重要的角色，它將成為連接感知網絡與傳統通信網絡的紐帶。物聯網網關可以實現感知網絡和基礎網絡以及不同類型的感知網絡之間的協議轉換，既可以實現廣域互聯，也可以實現局域互聯。物聯網網關具備如下幾個功能。
（1）廣泛的接入能力
目前用于近程通信的技術標準很多，僅常見的WSN技術就包括Lonworks、ZigBee、6LowPAN、RUBEE等。各類技術主要針對某一應用展開，缺乏兼容性和體系規劃，如Lonworks主要應用于樓宇自動化，RUBEE適用于惡意環境。如何實現協議的兼容性、接口和體系規劃，目前在國內外已經有多個組織在開展物聯網網關的標準化工作，如3GPP、傳感器工作組，以實現各種通信技術標準的互聯互通。
（2）協議轉換能力
從不同的感知網絡到接入網絡的協議轉換，將下層的標準格式的數據統一封裝，保證不同的感知網絡的協議能夠變成統一的數據和信令；將上層下發的數據包解析成感知層協議可以識別的信令和控制指令。
（3）可管理能力
強大的管理能力，對于任何大型網絡都是必不可少的。首先要對網關進行管理，如注冊管理、權限管理、狀態監管等。網關實現子網內節點的管理，如獲取節點的標識、狀態、屬性、能量等以及遠程喚醒、控制、診斷、升級和維護等。由于子網的技術標準不同，協議的復雜性不同，所以網關具有的管理能力不同。本文提出基于模塊化物聯網網關方式來管理不同的感知網絡、不同的應用，保證能夠使用統一的管理接口技術對末梢網絡節點進行統一管理。
3 物聯網網關系統設計
物聯網網關可以實現感知網絡和基礎網絡以及不同類型的感知網絡之間的協議轉換，既可以實現廣域互聯，也可以實現局域互聯。本物聯網網關設計面向感知網絡的異構數據感知環境，為有效屏蔽底層通信差異化進行有效網絡融合和數據通信，采用模塊化設計、統一數據表示、統一地址轉換等實現。下面從物聯網網關的層次結構、信息交互流程和系統實現3個方面來進行闡述。
3.1 層次結構
物聯網網關支持感知延伸設備之間的多種通信協議和數據類型，實現多種感知延伸設備之間數據通信格式的轉換，對上傳的數據格式進行統一，同時對下達到感知延伸網絡的采集或控制命令進行映射，產生符合具體設備通信協議的消息。物聯網網關對感知延伸設備進行統一控制與管理，向上層屏蔽底層感知延伸網絡的異構性，共分為4層，分別為業務服務層、標準消息構成層、協議適配層和感知延伸層，如圖2所示。
（1）業務服務層
業務服務層由消息接收模塊和消息發送模塊組成。消息接收模塊負責接收來自物聯網業務運營管理系統的標準消息，將消息傳遞給標準消息構成層。消息發送模塊負責向業務運營管理系統可靠地傳送感知延伸網絡所采集的數據信息。該層接收與發送的消息必須符合標準的消息格式。
（2）標準消息構成層
標準消息構成層由消息解析模塊和消息轉換模塊組成。消息解析模塊解析來自業務服務層的標準消息，調用消息轉換模塊將標準消息轉換為底層感知延伸設備能夠理解的依賴于具體設備通信協議的數據格式。當感知延伸層上傳數據時，該層的消息解析模塊則解析依賴于具體設備通信協議的消息，調用消息轉換模塊將其轉換為業務服務層能夠接收的標準格式的消息。消息構成層是物聯網網關的核心，完成對標準消息以及依賴于特定感知延伸網絡的消息的解析，并實現兩者之間的相互轉換，達到統一控制和管理底層感知延伸網絡，向上屏蔽底層網絡通信協議異構性的目的。
（3）協議適配層
協議適配層保證不同的感知延伸層協議能夠通過此層變成格式統一的數據和控制信令。
（4）感知延伸層
此層面向底層感知延伸設備，包含消息發送與消息接收兩個子模塊。消息發送模塊負責將經過消息構成層轉換后的可被特定感知延伸設備理解的消息發送給底層設備。
消息接收模塊則接收來自底層設備的消息，發送至標準消息構成層進行解析。
感知延伸網絡由感知設備組成，包括射RFID、GPS、視頻監控系統、各類型傳感器等。感知延伸設備之間支持多種通信協議，可以組成Lonworks和Zigbee以及其他多種感知延伸網絡。
3.2 信息交互流程
圖3展示了物聯網中信息交互流程，具體流程分析如下。
（1）最終用戶產生符合標準數據格式的消息，并將其發送至網關業務服務層的消息接收模塊。
（2）業務服務層消息接收模塊將標準消息發送至標準消息構成層的消息解析模塊。
（3）消息解析模塊調用相應的消息轉換功能，將標準信息轉換為依賴于具體設備通信協議的消息。
（4）消息解析模塊將轉換為依賴于具體設備通信協議的消息傳送至感知延伸服務層的消息發送模塊。
（5）感知延伸服務層的消息發送模塊選擇合適的傳輸方式，將依賴設備通信協議的特定消息發送至具體的底層設備。
（6）底層設備根據特定消息執行信息采集操作，并將結果返回給網關感知延伸服務層的消息接收模塊。
（7）網關的感知延伸服務層的消息接收模塊將依賴設備通信協議的特定消息傳送至標準消息構成層的消息解析模塊。
（8）消息解析模塊調用信息轉換模塊，將依賴于設備通信協議的特定消息轉換為標準消息。
從圖3可以看出，物聯網網關解決了物聯網網絡內不同設備無法統一控制和管理的問題，達到屏蔽底層通信差異的目的，并使得最終用戶無需知道底層設備的具體通信細節，實現對不同感知延伸層設備的統一訪問。
3.3 系統設計
基于物聯網的典型應用結構如圖4所示。無線傳感器節點采集相應數據信息，通過無線多跳自組織方式將數據發送到網關，固定式閱讀器讀取RFID標簽內容發送到網關；網關將這些數據通過WCDMA網絡發送到服務器；服務器對這些數據進行處理、存儲，并提供一個信息平臺，供用戶（包括PC用戶和手機用戶）使用。從圖4中可以看出物聯網網關是架起感知網絡和接入網絡的橋梁，扮演著重要的角色。
在物聯網網關設計時，采用模塊化思想，設計面向不同感知網絡和基礎網絡，實現通用低成本的網關。按照模塊化的思想，將物聯網網關系統分為數據匯集模塊、處理/存儲模塊、接入模塊和供電模塊，如圖5（a）所示。
數據匯聚模塊：實現物理世界數據的采集或者匯聚。
本網關系統采用傳感器網絡的匯聚節點和RFID網絡的閱讀器作為數據匯集設備。
處理/存儲模塊：是網關的核心模塊，它實現協議轉換、管理、安全等各個方面的數據處理及存儲。
接入模塊：將網關接入廣域網，可能采用的方式包括有線（以太、ADSL、FTTx等）、無線（WLAN、GPRS、3G和衛星等），本系統采用WCDMA的接入方式。
供電管理模塊：負責整套系統的電源供給，系統的穩定運行與電源模塊的穩定性能關系密切，此處設計的電源模塊兼有熱插拔和電壓轉換功能。可能的供電方式包括市電、太陽能、蓄電池等。
數據匯聚模塊和處理/存儲模塊之間的接口類型采用UART方式。接入模塊和處理/存儲模塊之間的接口類型采用PCIE方式。網關軟件設計時采用分層結構，最后在應用層實現協議數據的相互轉換。在進行物聯網網關硬件模塊化的同時，實現網關的軟件功能的模塊化，不同的硬件模塊對應不同的驅動模塊；采用動態可加載方式運行，分別提取出接入模塊和數據匯集模塊的公共驅動，根據接入的硬件模塊不同加載不同的驅動模塊，達到驅動硬件模塊的目的，如圖5（b）所示。
3.4 關鍵技術
物聯網網關系統設計中解決了以下幾個關鍵技術。
軟件交互協議的統一：物聯網網關系統的設計思路是以模塊化的方式實現軟硬件的各個部分，使得模塊之間的替換非常容易，以實現不同的感知延伸網絡和接入網絡互聯，屏蔽底層通信差異。其中硬件模塊采用UART總線形式進行連接，軟件則采用模塊化可加載的方式運行，并將共同部分抽象成公共模塊。因此，支持新的數據匯聚模塊和接入模塊則只需要開發相應的硬件模塊和驅動程序即可。另外，添加統一的協議適配層（如圖6所示），將應用數據統一提取出來，按照TLV（type，length，value）的方式進行組織，然后封裝數據包。使得在接入網絡中傳輸的都是標準的IP數據包，其中封裝了TLV格式的采集數據。
統一地址轉換：不同的數據采集網絡使用不同的編址方式，如ZigBee中有16位短地址，6LowPan中有64位地址。在應用中只需要能定位到具體的節點即可，不需要關心節點是采用IP地址還是16位短地址，也不關心節點間的組網是采用ZigBee還是6LowPan或者其他方式。將這些地址轉換為統一的表示方式，有利于應用的開發，因此在網關中實現一種地址映射機制，將IP或者16位短地址映射為統一的ID，在與應用交互過程中只需要關注這個ID即可。具體的映射方式可以采用從1累加的方式，當網關接收到第一個節點數據時，將該節點的地址映射為1，后續的依次加1，將這個映射表保存在網關中。同時還采用老化機制，在一定時間內沒有收到該節點的數據時，將此條映射關系刪除。
采集模塊數據接口的統一：采集模塊與網關之間定義AT指令集，節點通過ZigBee協議組網。在與網關的接口之間只關注一些對采集模塊的控制指令和數據交互指令，不關注具體的組網協議，實現組網協議無關性。
數據映射關系管理：如何管理網關連接的兩種或多種系統中的設備在通信數據中的映射關系，即通常意義上的尋址，是很重要的步驟。而這一部分針對網關所連接的不同，總線設備也有很大區別。本網關對所有可能下掛的模塊的輸入輸出數據格式進行分析，然后分別定義了各個模塊對應的通信接口配置字。
4 結束語
本文旨在研究一種能支持各種傳感器網絡及接入網絡的網關設備，它能支持不同類型的傳感器節點和接入方式，并能為中間件或者應用程序提供統一的數據格式，從而為應用屏蔽不同的傳感器網絡及接入網絡，使得應用程序只需要關注于應用環境的數據處理。