西北民族大学电气工程学院730124
摘要：物联网网关发挥着连接传统信息网络与感知网络的重要作用，针对目前人们研究的物联网网关功能单一和应用场景固定的不足，本设计提出了一种嵌入式智能网关的实现方案。该网关硬件上集成了多种协议的数据收发模块，在软件的控制下能够实现不同类型感知网络的同时接入，可应用于多种场合；另外网关设计了Web网页服务功能，远程终端通过互联网能够查询出感知网络里各节点设备的状态，也可以对这些设备发出控制信令实现远程控制等功能。此外，设计中就物联网网关的安全问题提出了用户登录和密匙验证的机制，保障物联网网关的安全通信。
关键词：物联网；网关；嵌入式；多协议通信；远程控制；安全通信
前言
物联网（IOT）是一种通过感应器、全球定位系统等传感设备，把世界上任何物品联入到互联网中，使人与物，物与物之间能进行无障碍的信息通信，从而实现智能化的控制、查询、定位、配置等功能的网络。物联网的出现，为现代化的工业生产，农业生产，环境监测，日常住行提供了新的模式，有效降低劳动成本，提高经济效益，方便人们的生活。物联网网络架构可分为三层，分别是应用层、传输层和感知层。处于感知层中的感知对象，一般都从属于某个传感网络之中，物理位置上会存在于各个地方。同时互联网即传输层通信网络与传感网的传输协议并不相同，不同的传感网之间的协议也会有较大的差别，这些差异使传感网的各感知对象不能直接联入互联网，他们需要一个能够屏蔽这些差异的设备，而这正是物联网网关。物联网的广泛应用也使得物联网网关将会存在于各行各业之中，可将它用于工业生产中作为工业控制网关，用于环境监测中作为环境监测网关，用于房屋居室中作为智能家居网关。物联网网关是物联网中连接传输层通信网络和感知层传感网的核心设备，实现把传感网节点采集到的数据进行汇聚存储、数据格式转换、数据加密传输等多种功能。
1物联网网关概述
目前，物联网的结构有三种分类：感知层、网络层以及应用层。
1.1感知层
同人体的感知一样，物联网也有感知层。该结构主要是借助传感器去感知，同人们一样去识别相关信息，这赋予了物联网以智能感知的功能。
1.2网络层
网络层的功能就像是人体神经系统对信息进行处理一样，与感知层相比，其功能更加强大，也更加复杂。
1.3应用层
应用层是第三层结构，也是物联网结构的顶层，能够实现物联网技术和其他技术的结合，实现物联网的多领域、多行业应用。并且，这三种结构缺一不可。
2.物联网系统
感知层能够起到感知信息的作用，其主要是借助传感器来实现的，如果没有太多的传感器，还可以借助网络与设备的连接实现传感器的功能，但这样会造成资源浪费。为了节省资源，顺利实现数据传送，最好能够将所有的设备与网络层相连，实现数据的统一传送。为了避免传感器设备不足造成的资源浪费问题，最好能够在感知层和网络层之间设置一个汇聚层，通过该汇聚层衔接这两个结构，就不会出现资源浪费的问题，并且能够实现数据的传送。
2.1物联网系统的分析
物联网网关需要高度重视，其功能先进，全面，不仅可以感知，还能够实现远程监控，并且可以接入不同的网络。物联网网关的感知功能主要是以网络形式来体现的，并且配合多功能传感器获取不同的信息进行感知。这些传感器的接入形式不同，从目前来看，主要可分为有线和无线两种接入模式。有线接入的速度较慢，不具备无线接入的某些功能，因此，无线网络的应用越来越频繁。目前，常见的移动设备都具备无线网络的接入功能，并能够实现快速传送，这样就可以大大提高无线网络的使用范围。随着无线网络的不断发展，其必定会成为主要的接入方式。不同结构进行网络互通所采用的传感器不同，对信息的感知也会不同，为了实现不同结构的网络互通，需要设置一个协议网络。因为，协议网络可以实现不同结构的网络互通，如果没有协议网络的支持，数据的交流就会变得十分困难。目前常见的协议网络主为Modbus，在许多领域都有其身影。在物联网系统中，检测控制管理是一个重要的功能，其主要目的是对数据进行监控，实现科学的管理。首先，在网关中有许多不同的功能，对这些功能进行合理控制，就能够实现物联网技术的突破，为人们的生产和生活带来方便。其次，对网络连接进行集中管理，也是检测控制管理的常见功能。检测控制管理主要是对系统和外界的网络进行内外监控与管理，其功能更加全面。
2.2物联网系统的整体设计策略
物联网网关之所以很重要，主要是由于人们对于物联网系统的要求越来越高，因此，物联网网关的形式设计就受到了人们的高度重视。目前，物联网的运行平台主要有PC机和嵌入式。由于嵌入式系统内核小、专用性强，在许多领域占据主导地位。因此，嵌入式系统的优势更大，其应用范围也越来越广泛。物联网网关的设计有许多方式，借助嵌入式系统进行设计是可行的，并且大大推动了物联网网关的发展。
3.网关功能需求分析和总体设计
目前部分智能传感器设计在一定程度上借助互联网或无线蜂窝网，把小范围内的传感网信息通过汇聚节点接入互联网，这实际上完成的就是物联网网关的基本功能。作为感知层与传输层的纽带，物联网网关需要满足以下功能需求：（1）数据汇聚功能：物联网网关能够作为汇聚节点，接收传感网各子节点传来的数据。（2）数据存储功能：物联网网关对接收到的数据能够临时或永久性的存储。（3）数据传输功能：物联网网关不仅向下能作为汇聚节点与传感网节点通信，还需要有通过传输层网络与远程数据应用平台交互的能力。（4）协议适配功能：物联网网关是一个多协议的转换装置，能够处理各类传感网的数据协议。通过物联网网关，远程应用平台有效的屏蔽各传感网的异构性，与传感网节点实现互联互通。（5）设备管理功能：传感网的节点数量众多，分布广泛，不便于直接对节点终端进行管理，因此需要通过物联网网关实现节点设备的状态查询、监控、配置等的功能。（6）安全防护功能：通过网络远程与物联网网关建立通信需要先对用户身份进行验证和授权；支持数据加密等安全措施。各类协议的传感网节点与物联网网关间有专门的数据通道，网关可以接收传感网节点的上报数据，同时可以向这些节点传输控制终端发送来的状态查询和控制命令。网关内部分为两部分，一部分是传感网服务器，负责接收、处理和存储传感网传来的数据，向传感网节点设备发送控制信令，同时接收WEB服务器或客户端软件平台发出的数据请求或其他命令，提供请求数据等；网关另一部分是WEB服务器部分，为互联网远程终端或应用平台对物联网网关的访问提供良好的交互界面，该界面用WEB网页实现，避免了远程智能终端下载安装客户端软件的繁琐步骤。通过互联网访问网关WEB界面，可对物联网的传感网节点进行状态查询和控制等操作。
4.物联网网关硬件的设计
进行物联网网关硬件设计的时候，必须要考虑到网关所运行的环境，以及网关自身对硬件的要求。总体来看，网关硬件设计需要遵循成本低、降低能源消耗、实现高效率处理的原则，因此，常见的硬件设计就是采用AT9LSAM9260。该平台具有极好的兼容性，存储空间大，能够高效处理信息，在苛刻的环境下也不影响网关的正常运行。对于接入方式的选择，主要以无线接入为主。物联网的硬件是物联网网关中非常重要的一部分，以其内部的主控制器电路为例，其关系到系统的数据转换和网关功能的实现，因此要注意其严谨性。目前，网络接口电路主要通过对应硬件引脚配置来达到所需目的。对于物联网中串行接口电路设计，一般会选择RS232和RS485。在进行串口设计的时候，应用这两种方式，一方面可以起到节能降耗的效果，另一方面能够优化物联网系统，实现不同结构网络的互通。进行串口设计之后，还要增加一些模块，这样才能真正实现物联网网关硬件的功能。
5.物联网网关软件的设计
在进行物联网网关软件的设计的时候，需要对通信接口的数据进行采集和处理，因此要对整个框架进行分层。分层之后，对不同的层要进行处理，底层要搜集数据，中间层要处理数据，实现数据的传送，并设置相应的监控模块进行监控。为了确保物联网系统的灵活性，一方面要保证不同模块之间的有机联系，另一方面要实现系统整体功能和谐统一。在本次研究中，物联网网关的设计与实现的平台主要是嵌入式系统，而不是传统的PC平台。但是，由于要优化物联网网关软件设计，还需要借助PC平台进行代码的开发与调试。
6结束语
综上所述，物联网网关的开发与设计主要采取嵌入式系统，能够满足人们生产和生活的需要。随着社会的进步和科学水平的不断提升，相信在不久的将来，物联网系统会更加完善。
参考文献：
[1]刘江豪.基于物联网的开放实验室智能感知系统与嵌入式网关设计[D].五邑大学，2014.
[2]尹彦霖.基于物联网的嵌入式智能网关的研究与实现[D].北京工业大学，2013.