强化物联网“心脏”，智能网关设计详解

　　一、物联网网络架构

　　物联网组网采用分层的通信系统架构，包括感知延伸系统、传输系统、业务运营管理系统和各种应用，在不同的层次上支持不同的通信协议，如图1所示。 感知延伸系统包括感知和控制技术，由感知延伸层设备以及网关组成，支持包括Lonworks、UPnP、Zigbee等通信协议在内的多种感知延伸网络。感知设备可以通过多种接入技术连接到核心网，实现数据的远程传输。业务运营管理系统面向物联网范围内的耗能设施，包括了应用系统和业务管理支撑系统。应用系统为最终用户提供计量统计、远程测控、智能联动以及其他的扩展类型业务。业务管理支撑系统实现用户管理、安全、认证、授权、计费等功能。

　　二、物联网网关概念

　　作为连接感知层与网络层的纽带，物联网网关可以实现感知网络与通信网络，以及不同类型感知网络之间的协议转换．既可以实现广域互联．也可以实现局域互联。在无线传感网中，物联网网关是不可或缺的核心设备。此外物联网网关还需要具备设备管理功能，运营商通过物联网网关设备可以管理底层的各感知节点，了解各节点的相关信息，并实现远程控制。

　　从物联网网关的定义来看，物联网网关很难以某种相对固定的形态出现。总体说凡是可以起到将感知层采集到的信息通过此终端的协议转换发送到互联网的设备都可以算做物联网网关。形态可以盒子状也可以是平板电脑，可以有显示屏幕的交互式形态，也可以是封闭或半封闭的非交互形态。

　　三、物联网网关关键技术

　　1、多标准互通接入能力 ：目前用于近程通信的技术标准很多。常见的传感网技术包括 ZigBee、Z-Wave 、 RUBEE 、 WirelessHART 、 IETF6IowPAN 、AM‘ /ANrr +、Wibree、］nSTeON 等。各类技术主要针对某一类应用展开，之间缺乏兼容性和体系规划。如：Z.Wave主要应用于无线智能家庭网络，RUBEE适用于恶劣环境，WirelessHART 主要集中在工业监控领域。实现各种通信技术标准的互联互通，成为物联网网关必须要解决的问题。是针对每种标准设计单独的网关，再通过网关之间的统一接口实现。还是采用标准的适配层、不同技术标准开发相应的接口实现。

　　2、网关的可管理性：物联网网关作为与网络相连的网元，其本身要具备一定的管理功能，包括注册登录管理、权限管理、任务管理、数据管理、故障管理、状态监测、远程诊断、参数查询和配置、事件处理、远程控制、远程升级等。如需要实现全网的可管理，不仅要实现网关设备本身的管理，还要进一步通过网关实现子网内各节点的管理，例如获取节点的标识、状态、属性等信息，以及远程唤醒、控制、诊断、升级维护等。尽管根据子网的技术标准不同。协议的复杂性不同，所能进行的管理内容有较大差异。

　　四、 物联网网关设计方法

　　在进行物联网智能网关应用系统方案设计时，可以采用下述一般设计方法作为指导。

　　1. 确定系统功能与性能。由需求调查确定物联网智能网关应用系统的设计目标，这一目标包括系统功能与性能。系统功能主要由数据采集、数据处理、输出控制等。

　　2. 确定系统基本结构。物联网智能网关应用系统结构一般是以单片机为核心外部扩展相关电路的形式。确定了系统中的单片机、存储器分配以及输入/输出方式就可答题确定出物联网智能网关应用系统的基本组成。

　　⑴单片机。在系统详细方案设计时，先要确定单片机的型号。所选单片机的型号不同，组成的系统结构也就不同。

　　⑵存储器分配。不同的单片机具有不同的存储器组织。应根据应用系统的需要合理进行存储器的分配。

　　⑶I/O方式。采用不同的输入/输出方式，对于单片机应用系统的软、硬件结构有直接的影响。在单片机应用系统中，常用的I/O方式主要有：无条件传送方式（同步传送方式）、查询方式、中断方式。

　　⑷网络控制器。性能稳定，结构简单，编程易实现的网络控制器对于优化物联网智能网关应用系统起着关键性的作用。

　　物联网智能网关应用系统的工作模式可以分为两类，服务器端和客户端。无论工作于何种模式，都需要对以太网控制器进行网络参数配置，以实现最基本的物理连接（即能够ping通）。

　　3. 硬件设计。物联网智能网关应用系统硬件设计是围绕着单片机及网络控制器做外部功能扩展而展开的，其基本结构如图所示。

　　⑴ 程序存储器。传统的单片机内无片内程序存储器或存储容量不够大，需外部扩展程序存储器。外部扩展的存储器通常选用FLASH存储器。现在的单片机一般都集成了较大容量的程序存储器，使用时，不需要进行程序存储器的扩展。

　　⑵ 数据存储器。数据存储器用于暂时保存程序运行中的中间结果，一般由RAM 构成。大多数单片机都提供了小容量的片内数据存储器，只有当片内数据存储器不够用时才扩展外部数据存储器。无论是程序存储器还是数据存储器，存储器的设计 原则是：在存储容量能够满足要求的前提下，尽可能减少存储芯片的数量。

　　⑶ I/O接口。由于外设多种多样，使得单片机与外设之间的接口电路也各种不相同。因此，I/O接口常常是单片机应用系统中设计最复杂也是最困难的部分之一。

　　⑷ 译码电路。当需要外部扩展电路时，常常需要设计译码电路。译码电路要尽可能简单，要求存储器空间分配合理，译码方式选择得当。

　　4. 软件设计。软件是物联网智能网关应用系统中的一个重要组成部分，一般计算机应用系统的软件包括系统软件和用户软件，而物联网智能网关应用系统中的软件一般只有用户软件，即应用系统软件。软件设计的关键是确定软件应完成的任务及选择相应的软件结构。

　　⑴任务确定。根据系统软、硬件的功能分工，确定出软件应完成什么功能。作为实现控制功能的软件应明确控制对象、控制信号及控制时序;作为实现处理功能的软件应明确输入是什么、要做什么样的处理（即处理算法）、产生何种输出。

　　⑵ 软件结构。软件结构与程序设计技术密切相关。程序设计技术提供了程序设计的基本方法，最常用的程序设计方法是模块化程序设计。模块化程序设计具有结构清晰、功 能明确、设计简便、程序模块可共享、便于功能扩展及便于程序维护等特点。为了编制模块程序，先要将软件功能划分为若干子功能模块，然后确定出各模块的输 入、输出及相互间的联系。

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