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

　　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)關這么一個名詞，網(wǎng)關(Gateway)就是一個網(wǎng)絡連接到另一個網(wǎng)絡的“關口”。在Internet中，網(wǎng)關是一種連接內(nèi)部網(wǎng)與Internet上其它網(wǎng)的中間設備，也稱“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的重要組成部分，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)是通過射頻識別(RFID)、紅外感應器、全球定位系統(tǒng)、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感知網(wǎng)絡與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進行信息交換和通信的系統(tǒng)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)絡層兩個不同的網(wǎng)絡之間需要一個中間設備：物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關。

　　物聯(lián)網(wǎng)的接入方式是多種多樣的，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關設備是最適合將多種接入手段整合起來，統(tǒng)一互聯(lián)到接入網(wǎng)絡的關鍵設備，網(wǎng)關可滿足局部區(qū)域短距離通信的接入需求，實現(xiàn)與公共網(wǎng)絡的連接，同時完成轉發(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)務的質量和安全。網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關可以實現(xiàn)感知延伸網(wǎng)絡與接入網(wǎng)絡，以及不同類型感知延伸網(wǎng)絡之間的協(xié)議轉換，既可以實現(xiàn)廣域互聯(lián)，也可以實現(xiàn)局域互聯(lián)。

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

　　廣泛的接入能力

　　目前用于近程通信的技術標準很多，僅常見的WSNs技術就包括Lonworks、ZigBee、 6LowPAN、RUBEE等。從網(wǎng)關所處的位置可以看出，網(wǎng)關需要具備接入多種現(xiàn)有通信網(wǎng)的能力，這些通信網(wǎng)包括：2G/3G/4G移動通信網(wǎng)絡、無線局域網(wǎng)、有線網(wǎng)絡。因此，網(wǎng)關必須具備相應網(wǎng)絡的接口和軟硬件的接入能力。現(xiàn)在國內(nèi)、外已經(jīng)在展開針對物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關進行標準化工作，如3GPP、傳感器工作組，實現(xiàn)各種通信技術標準的互聯(lián)互通。

　　強大的管理能力

　　管理對于任何大型網(wǎng)絡都是必不可少的。首先要對網(wǎng)關進行管理，如注冊管理、權限管理、狀態(tài)監(jiān)管等。網(wǎng)關實現(xiàn)子網(wǎng)內(nèi)的節(jié)點的管理，如獲取節(jié)點的標識、狀態(tài)、屬性、能量等，以及遠程實現(xiàn)喚醒、控制、診斷、升級和維護等。由于子網(wǎng)的技術標準不同，協(xié)議的復雜性不同，所以網(wǎng)關具有的管理性能力不同。提出基于模塊化物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關方式來管理不同的感知網(wǎng)絡、不同的應用，保證能夠使用統(tǒng)一的管理接口技術對末梢網(wǎng)絡節(jié)點進行統(tǒng)一管理。

　　協(xié)議轉換能力

　　從不同的感知網(wǎng)絡到接入網(wǎng)絡的協(xié)議轉換、將下層的標準格式的數(shù)據(jù)統(tǒng)一封裝、保證不同的感知網(wǎng)絡的協(xié)議能夠變成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)和信令;將上層下發(fā)的數(shù)據(jù)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)應用的深厚實踐經(jīng)驗。

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

　　水產(chǎn)養(yǎng)殖物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構和功能

　　隨著物聯(lián)網(wǎng)技術迅速發(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)質方向發(fā)展的重要推動力。設計中的水產(chǎn)養(yǎng)殖物聯(lián)網(wǎng)架構如圖所示。物聯(lián)網(wǎng)利用ZigBee無線網(wǎng)絡技術組成無線傳感器網(wǎng)絡，感知養(yǎng)殖場的水質情況，例如溫度、溶解氧濃度、PH值等，將這些數(shù)據(jù)實時發(fā)送至物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關。網(wǎng)關將養(yǎng)殖場的環(huán)境數(shù)據(jù)利用3G模塊(或GPRS模塊)發(fā)送至控制中心的服務器，服務器利用專家系統(tǒng)依據(jù)水產(chǎn)品的生長模型結合人工智能技術向網(wǎng)關發(fā)送控制指令，網(wǎng)關依控制指令利用控制箱驅動電機采取動作調(diào)節(jié)養(yǎng)殖場的水產(chǎn)品的生長環(huán)境，從而利于水產(chǎn)品生長。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關留有攝像頭接口，能夠根據(jù)用戶需求將生產(chǎn)現(xiàn)場的圖片或者視頻發(fā)至控制中心服務器，服務器上部署軟件并接入Internet網(wǎng)絡，用戶可以利用個人電腦或者手機登錄到服務器，查詢養(yǎng)殖水域內(nèi)外環(huán)境數(shù)據(jù)、瀏覽生產(chǎn)現(xiàn)場圖片、觀看現(xiàn)場視頻，還可以遠程控制各種生產(chǎn)設備。當養(yǎng)殖場環(huán)境異常時，除了服務器中的專家系統(tǒng)發(fā)出指令驅動電機調(diào)節(jié)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，服務器向相關人員發(fā)出告警短信。控制中心內(nèi)的顯示器(或者大屏幕)上能夠顯示各個傳感器的工作狀態(tài)、讀數(shù)、現(xiàn)場圖片等信息。因此，物聯(lián)網(wǎng)技術能夠實現(xiàn)設施漁業(yè)養(yǎng)殖的動態(tài)實時監(jiān)管、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、科學決策、預警及風險控制、專家咨詢等生產(chǎn)過程的科學化、數(shù)字化。

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

　　網(wǎng)關硬件設計網(wǎng)關中的處理器采用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)關配置512MB DDR3內(nèi)存以及4GB NAND Flash，運行Adroid2.3系統(tǒng)。根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的組網(wǎng)要求，網(wǎng)關具備10/100M以太網(wǎng)接口、內(nèi)置無線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(diào)器的串行口。為了獲取視頻或者圖像，網(wǎng)關具備模擬視頻接口。網(wǎng)關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)關軟件設計根據(jù)網(wǎng)關的功能，網(wǎng)關的軟件包括：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以太網(wǎng)接入、無線局域網(wǎng)接入、3G/GPRS無線接入。ZigBee傳感網(wǎng)通信及控制模塊通過串行口與ZigBee協(xié)調(diào)器通信，獲取傳感網(wǎng)的數(shù)據(jù)，控制傳感網(wǎng)的網(wǎng)絡運行。協(xié)議轉換模塊解決傳感網(wǎng)與后臺服務器之間的通信協(xié)議轉換，保證傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)能夠正確發(fā)往服務器，服務器發(fā)來的指令能夠能被正確發(fā)往傳感網(wǎng)并可靠執(zhí)行。圖像處理模塊能夠獲取攝像頭傳來的圖像，并壓縮編碼，一方面在本地進行存儲，另一方面發(fā)向服務器。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)關設備本身的各種故障進行記錄并發(fā)送告警信息。

　　除智慧農(nóng)業(yè)外，高智能化物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關還將廣泛應用于智慧城市、智能電網(wǎng)、智慧醫(yī)療、智能交通等各行各業(yè)。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關在未來的物聯(lián)網(wǎng)時代將會扮演著非常重要的角色。