物联网数据处理网关的设计

摘要：提出了物联网数据的一站式处理服务模式，给出了支持最广泛的接入、使网关具备可管理和灵活部署能力的设计方法；同时以EP9315处理器及相关传感器为硬件平台，以．Net Micro Framework作为网关嵌入式操作系统，并包含数据处理中间件，使各类数据感知终端能够高效率、低成本、一致性地轻松接入物联网；以便建立可支持多种接口通讯协议，具有统一的标准数据格式输出，数据配置策略灵活的物联网数据处理网关系统。
关键词：物联网；网关；数据处理中间件；．Net Micro Framework

0 引言
    物联网在2010年以来受到各方面的追捧，从国家政策到地方政府专项规划，再到企业，都投入了极大的精力和极高的热情。在物联网产业发展的起步阶段，由于缺乏统一规范和一致性的标准化引领，各行业在数据信息系统和行业数据网络建设中都遇到了障碍，也走了不少弯路。这主要存在以下几个问题：
    (1)传感器接口不统一造成设备入网的极大困难工业领域的一些行业安装了大批的仪器仪表和传感器探头，多达上千类别和品种(品牌)，然而，这些种类繁多的设备都是由不同的制造商生产的，每一种设备的数据接口和数据输出格式都是由制造商自行确定的，而且各不相同，从而造成数据不能被系统识别和辨认，也无法将诸多设备一致性接入到统一的传输网络中。
    (2)数据通信协议众多且不规范，造成设备的二次安装，成本巨大安装在许多行业内的仪器仪表和传感器设备虽然数量众多，但都没有一个统一规范的数据通信模式，也没有遵从规范的数据通信协议，因而引发了建网工程成本的大幅度上升，每次现场安装都是一次小型集成，高额的成本代价使整个工程得不偿失。
    (3)分割式、重复式建设造成了新的信息孤岛地方各级管理在地域上都有自己的管理范围，形成了各地管理都在着力搭建本地区的环境监测网络，出现了不同的省网、市网或县网。这种分头建网、重复建网的方式所产生的弊端是，一方面造成资源浪费，另一方面由于网与网之间互不兼容，不能做到互通互联和数据共享，进而又产生许多新的封闭型的信息孤岛；也不能实现资源利用的最大化。
    因此，本文提出面向物联网感知层提供物联网数据的一站式处理服务模式，使数以万计的各类数据感知终端能够高效率、低成本、一致性地轻松接入物联网网络；对海量数据实现全面资源化、智能化管理；实现物联网传感节点异构数据的实时集成、支持多种接口通讯协议、统一标准数据格式输出，对网关功能模块进行组件化处理，对数据配置策略进行灵活性处理的物联网数据处理网关系统。

1 系统总体设计
    为了提供物联网数据一站式处理服务，支持最广泛的接入，使网关具备可管理和灵活的部署能力，本文把物联网数据处理网关设计分为传感器接入网关设备、感知数据处理中间件、网关配置应用软件三部分。图1所示是物联网数据处理网关的功能结构图。

    图1中，传感器接入网关设备负责处理各种传感器设备的接入、驱动管理、设备管理：感知数据处理中间件负责数据采集、设备管理、数据处理、数据存储、规则管理和制定，实现数据格式转换、通讯协议转换、数据安全策略等功能；网关配置应用软件负责网关现场管理配置工具、远程配置管理工具、传感器数据智能分析报告界面，实现工业现场的检测状态、配置数据、配置策略、配置设备的管理、数据错误处理策略配置、数据本地访问配置以及传感各项指标状态、传感器状态、警报与定位的数据报告等。
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2 传感器接入网关的硬件设计
    物联网数据处理系统平台的硬件实体是传感器接入网关设备。该设备器件采用工业级，低功耗设计；具备USB、Uart、SPI、I2C等传感器硬件接口，并具备WIFI、ZigBee、Internet、TD-SCDMA等通讯接口接入能力。表1所列是物联网数据处理网关的硬件组成及技术参数。

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    网关设备包含硬件接口、处理器、显示设备、控制器、通讯模块等，具体如图2所示。

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3 系统软件设计
3．1 感知数据处理中间件
    该中间件主要涉及感知数据处理相关的程序开发，是运行在网关设备上的程序；中间件包括设备管理、数据处理、数据存储、规则管理和制定，实现数据格式转换、通讯协议转换、数据安全策略等功能。其具体的数据处理流程图如图3所示。
    本数据处理中间件的数据流程分为以下7步：
    步骤1：将传感器产生的各种电气信号经接口驱动处理转换为原始数据；
    步骤2：将原始数据在数据处理模块中根据数据配置策略和错误处理策略，将正确的数据生成xml文件；
    步骤3：把原始数据在数据处理模块中复制一份副本，并将副本数据压缩备份存储在指定的本地数据库中；
    步骤4：对不符合配置策略的数据和错误数据经过错误诊断分析，对不能修正的数据根据错误控制策略决定是否报警及采取相应措施；
    步骤5：对生成的xml在安全模块中根据加密策略及算法生成加密文件；
    步骤6：将加密文件在安全模块中复制一份副本，并将副本数据压缩备份存储在指定的本地数据库中；
    步骤7：把数据加密形成文件通过通信模块发送到远程客户端或者本地专用手持接收设备中供用户使用。
3．2 网关配置应用软件
    网关配置应用软件包含网关现场管理配置工具、远程配置管理工具、传感器数据智能分析报告界面，可实现工业现场的检测状态、配置数据、配置策略、配置设备的管理、数据错误处理策略配置、数据本地访问配置以及传感各项指标状态、传感器状态、警报与定位的数据报告等。图4所示是本系统的网关配置管理流程图。

    进入配置管理界面时，首先要进行用户身份验证。用户身份验证是对访问者访问权限的认定，不同访问权限对应不同的数据访问量以及管理权限。完成用户登录后，进入主菜单界面(即一级配置界面)。本界面主要分为5个主配置项，分别为接口驱动配置、数据处理策略配置、数据错误处理策略配置、设备控制管理配置和交互界面管理设置。
    接口驱动配置主要是为外界传感器和硬件接口提供驱动的添加、卸载和配置参数等操作。“驱动参数设置”二级界面下又分为设备对象化参数设定和设备驱动基本参数的三级界面。在数据处理单元中可对数据进行分类。“设备驱动基本参数”可根据不同设备和硬件接口类型进行详细的参数设定。
    数据处理策略配置主要是为用户进行数据筛选、甄别错误、整理数据和加密规则以及数据库配置等操作提供参数配置。二级界面分为数据库存储配置、数据处理策略、数据串配置和安全配置策略。
    数据错误处理策略配置主要定义了处理错误数据的机制和策略。其二级界面包括错误诊断策略配置、数据修正策略配置和报警策略配置。错误诊断项会分析数据串中各字节数值，判断其中出错的部分，并在数据串中对错误标识符位进行标注。错误修正项在错误诊断项完成后，可对错误字节根据规则进行修正。报警选项可对不能修正的数据进行分析，如果符合报警策略，则发出警报。
    数据本地访问配置主要针对人机交互界面的访问方式配置和访问安全设置。二级界面分为访问界面参数设置、访问数据参数设置和访问安全设置。访问界面参数主要包括界面的布局、浏览方式和显示本地时间设置等。访问数据参数设置主要包括可浏览数据项、数据显示形式、数据排列形式和查询数据条件等。访问安全设置又分为三个三级界面，包括访问权限设定，即登录用户访问数据权限、登录密码设定和访问权限对应访问数据项和控制项的配置；访问设备ID的设定，即每个可连接到本设备的访问设备的ID值；设备自身故障诊断就是通过此项使设备进行一次本身硬件设备的故障自检。

4 结语
    本文设计了一种物联网数据处理网关系统，介绍了该系统的软硬件设计方法，提出了物联网数据的一站式处理服务模式。该模式可支持最广泛的接入能力，而且网关具备可管理和灵活的部署能力。实践证明，本系统可对数据标识进行全面资源化和智能化管理，有能力提供数据交换和数据商用的一切支撑服务，可支撑行业管理行为和行业决策行为，使管理能力和决策能力得到提高，从而有效提高工作效率和工作质量，使物联网行业应用集成水平上一个新台阶。