強化物聯網“心臟”，智能網關設計詳解

　　一、物聯網網絡架構

　　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。

　　二、物聯網網關概念

　　作為連接感知層與網絡層的紐帶，物聯網網關可以實現感知網絡與通信網絡，以及不同類型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。在無線傳感網中，物聯網網關是不可或缺的核心設備。此外物聯網網關還需要具備設備管理功能，運營商通過物聯網網關設備可以管理底層的各感知節點，了解各節點的相關信息，并實現遠程控制。

　　從物聯網網關的定義來看，物聯網網關很難以某種相對固定的形態出現。總體說凡是可以起到將感知層采集到的信息通過此終端的協議轉換發送到互聯網的設備都可以算做物聯網網關。形態可以盒子狀也可以是平板電腦，可以有顯示屏幕的交互式形態，也可以是封閉或半封閉的非交互形態。

　　三、物聯網網關關鍵技術

　　1、多標準互通接入能力：目前用于近程通信的技術標準很多。常見的傳感網技術包括 ZigBee、Z-Wave 、 RUBEE 、 WirelessHART 、 IETF6IowPAN 、AM‘ /ANrr +、Wibree、］nSTeON 等。各類技術主要針對某一類應用展開，之間缺乏兼容性和體系規劃。如：Z.Wave主要應用于無線智能家庭網絡，RUBEE適用于惡劣環境，WirelessHART 主要集中在工業監控領域。實現各種通信技術標準的互聯互通，成為物聯網網關必須要解決的問題。是針對每種標準設計單獨的網關，再通過網關之間的統一接口實現。還是采用標準的適配層、不同技術標準開發相應的接口實現。

　　2、網關的可管理性：物聯網網關作為與網絡相連的網元，其本身要具備一定的管理功能，包括注冊登錄管理、權限管理、任務管理、數據管理、故障管理、狀態監測、遠程診斷、參數查詢和配置、事件處理、遠程控制、遠程升級等。如需要實現全網的可管理，不僅要實現網關設備本身的管理，還要進一步通過網關實現子網內各節點的管理，例如獲取節點的標識、狀態、屬性等信息，以及遠程喚醒、控制、診斷、升級維護等。盡管根據子網的技術標準不同。協議的復雜性不同，所能進行的管理內容有較大差異。

　　四、物聯網網關設計方法

　　在進行物聯網智能網關應用系統方案設計時，可以采用下述一般設計方法作為指導。

　　1. 確定系統功能與性能。由需求調查確定物聯網智能網關應用系統的設計目標，這一目標包括系統功能與性能。系統功能主要由數據采集、數據處理、輸出控制等。

　　2. 確定系統基本結構。物聯網智能網關應用系統結構一般是以單片機為核心外部擴展相關電路的形式。確定了系統中的單片機、存儲器分配以及輸入/輸出方式就可答題確定出物聯網智能網關應用系統的基本組成。

　　⑴單片機。在系統詳細方案設計時，先要確定單片機的型號。所選單片機的型號不同，組成的系統結構也就不同。

　　⑵存儲器分配。不同的單片機具有不同的存儲器組織。應根據應用系統的需要合理進行存儲器的分配。

　　⑶I/O方式。采用不同的輸入/輸出方式，對于單片機應用系統的軟、硬件結構有直接的影響。在單片機應用系統中，常用的I/O方式主要有：無條件傳送方式（同步傳送方式）、查詢方式、中斷方式。

　　⑷網絡控制器。性能穩定，結構簡單，編程易實現的網絡控制器對于優化物聯網智能網關應用系統起著關鍵性的作用。

　　物聯網智能網關應用系統的工作模式可以分為兩類，服務器端和客戶端。無論工作于何種模式，都需要對以太網控制器進行網絡參數配置，以實現最基本的物理連接（即能夠ping通）。

　　3. 硬件設計。物聯網智能網關應用系統硬件設計是圍繞著單片機及網絡控制器做外部功能擴展而展開的，其基本結構如圖所示。

　　⑴ 程序存儲器。傳統的單片機內無片內程序存儲器或存儲容量不夠大，需外部擴展程序存儲器。外部擴展的存儲器通常選用FLASH存儲器。現在的單片機一般都集成了較大容量的程序存儲器，使用時，不需要進行程序存儲器的擴展。

　　⑵ 數據存儲器。數據存儲器用于暫時保存程序運行中的中間結果，一般由RAM 構成。大多數單片機都提供了小容量的片內數據存儲器，只有當片內數據存儲器不夠用時才擴展外部數據存儲器。無論是程序存儲器還是數據存儲器，存儲器的設計原則是：在存儲容量能夠滿足要求的前提下，盡可能減少存儲芯片的數量。

　　⑶ I/O接口。由于外設多種多樣，使得單片機與外設之間的接口電路也各種不相同。因此，I/O接口常常是單片機應用系統中設計最復雜也是最困難的部分之一。

　　⑷ 譯碼電路。當需要外部擴展電路時，常常需要設計譯碼電路。譯碼電路要盡可能簡單，要求存儲器空間分配合理，譯碼方式選擇得當。

　　4. 軟件設計。軟件是物聯網智能網關應用系統中的一個重要組成部分，一般計算機應用系統的軟件包括系統軟件和用戶軟件，而物聯網智能網關應用系統中的軟件一般只有用戶軟件，即應用系統軟件。軟件設計的關鍵是確定軟件應完成的任務及選擇相應的軟件結構。

　　⑴任務確定。根據系統軟、硬件的功能分工，確定出軟件應完成什么功能。作為實現控制功能的軟件應明確控制對象、控制信號及控制時序;作為實現處理功能的軟件應明確輸入是什么、要做什么樣的處理（即處理算法）、產生何種輸出。

　　⑵ 軟件結構。軟件結構與程序設計技術密切相關。程序設計技術提供了程序設計的基本方法，最常用的程序設計方法是模塊化程序設計。模塊化程序設計具有結構清晰、功能明確、設計簡便、程序模塊可共享、便于功能擴展及便于程序維護等特點。為了編制模塊程序，先要將軟件功能劃分為若干子功能模塊，然后確定出各模塊的輸入、輸出及相互間的聯系。