物联网网关技术体系架构

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1、物联网网关技术体系架构本文主要详细介绍了物联网网关技术的发展趋势和系统体系结构，以及其典型的行业应用！随着信息通信技术（ICT ）的不断进步，通信网络作为信息通信技术的重要 基础，已经从人到人的通信发展到人与物以及物与物（M2M ），并逐渐趋向于从纵向的局部物物相连过渡到横向的跨应用、跨地域的物联网（In ternetofthings , IOT）。而如何利用现有的网络资源构建合理的物联网，达到可运营、可管理，使各种网络资源相互配合、相互融合。实现效能最大化，是摆在运营商 面前的一个重要难题。1传统通信网与新兴近程通信网的比较物联网的概念是在1999年提出的。它的定义很简单，即把所有物品通 过

2、射频识别（RnD）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备 与互联网连接起来，进行信息交换和通信，实现智能化识别、定位、跟踪、监控 和管理。物联网是继计算机、互联网之后的世界信息产业第三次浪潮。前两次浪 潮分别以PC机和信息处理为代表，而本次浪潮将在前两次科技浪潮技术成果积 累的基础上，进一步将信息获取的触角延伸至感知层，实现更广域的互联互通。目前。随着通信技术的发展。人与人之间信息的交流传递变得越来越简 单、快捷。但是，现有的电信网络主要应用于人与人之间的信息传递，很少应用 于物与物、人与物之间。这是由多方面原因造成的：大量感知类节点间通信如果 都采用电信网络传输的话。成本会非常

3、昂贵，并且电信网络从技术上也很难保障 区域范围内海量节点的同时在线通信： 很多感知节点工作环境非常严酷，且一般 都要求长时间不更换 电池工作。这些也是现有电信网络技术很难保障的；此外。 大量物体间的通信并不是所有节点都需要具备电信网络所具备的远距离通信能 力。在这种情况下。无线 传感器网络（WSN ）、RFID等近程通信技术应 运而生。并在很短的时间内获得了广泛的应用。 无线传感器网络具有低功耗、大 规模、自组织网络、多跳路由、动态组网、以数据为中心、应用相关等特点，有 效弥补了电信网络在感知层面的缺陷。 因此，大量感知类节点间的通信一般采用 无线 传感器网络 、RFID 等近程通信技术。通过

4、构建一个节点间自组织的无线网 络。以一种低成本、高效率的方式，实现人与物、物与物间的通信。但是。由于 信息感知领域内常用技术应用场景的特殊性， 其技术优势从另一角度看也可以认 为是其先天的不足。 这些感知类网络技术一般都应用在局部区域内， 网与网之间 无法通信。 这样就构成了一个个信息的孤岛， 离真正实现全面互联互通、 协同感 知还有一定距离。 比如现有的传感器网络技术。 由于节点一般采用电池供电， 导 致功耗必须非常低。计算及存储资源必须受限，通信带宽、传输距离、覆盖范围 都必须减小等一系列特性。 此外， 各类感知技术种类繁多。 且采用不同的通信协 议。根本无法实现互联互通。利用如今各大运营

5、商已建成的覆盖全国的有线、 无线通信网络， 能够满 足高带宽、数据远距离传输的要求。通过传统通信网络与传感器网络、 RFID 等 感知技术的有力结合，可以有效解决感知节点远距离互联互通的问题。当然，在物联网时代。 传统通信运营商必须对现有的网络架构与运营模 式进行一定的改造。 才能满足新的应用需求。 一方面需要在网络架构上使现有的 通信网络与毛细感知网络实现无缝融合。 另一方面需要加强对感知网络、 终端节 点的运营管理。提升增值服务能力。 这样就应运而生了一种新的网元设备 物 联网网关（ iOTCW ），其较好地解决了这些问题。2 物联网网关目前的很多传感器网络为了实现信息的远距离传输。 都不

6、同程度地借助蜂窝通信网或有线网络， 把小范围内的传感器网各节 点的信息通过 sink 节点连入互联网，这种跨传感器网和传统通信网的节点实际 上就是物联网网关的雏形。物联网网关。 作为一个新的名词， 在未来的物联网时代将会扮演非常重 要的角色。它将成为连接感知网络与传统通信网络的纽带。 作为网关设备， 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。 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。图 1 示意性地给出了以物联网网关构建的物联

7、网 典型拓扑。Wi-Fi rsi WSNiWSN2WSNjRHU对运营商而言，这种网关设备意味着运营商网络向网络末梢的延伸，从 而构建起从电信骨干网、接入网、移动通信网到近程通信的感知网络的整体性网 络，不同地域、不同应用的感知网络通过电信网络连接在一起。实现不同子网的 信息交换和通信，从而实现了以运营商网络为核心的物联网。而要满足这种物联网的可运营、可管理并达到电信级的安全性、 稳定性，作为桥梁的物联网网关必 须满足以下几个要求。(1 )广泛的接入能力目前用于近程通信的技术标准很多。仅常见的传感网技术就包括ZigBee、Z-Wave、RUBEE、WirelessHART 、IETF6lowP

8、AN 、AM / ANrr 十、Wibree、n STeON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：乙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。如何实现各种通信技术标准的 互联互通。就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，是需要我们思考的。(2)可管理性强大的管理能力，对于任何大型网络都是必不可少的，而电信网络能在 广阔的互联网中居于核心位置，其分层分权的管理特性是一个重要原因。 如

9、何将 电信网络的可管理性扩展到感知网络， 是构建物联网的关键点。运营商目前已不 同程度地建有各种网络管理平台。通过各种标准的或专用的管理协议对连接在固 定网、移动网中的各种网元设备进行远程管理。 物联网网关作为与电信网络相连 的网元，容易按照运营商管理平台的协议实现对网关本身的管理，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。但要想实现全网的可管理。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

10、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，但通过电信运营的物联 网管理平台。不同的感知网络、不同的应用 能够使用统一的管理接口对末梢网络节点进行统一管理。接入层ZigBeeZ-WaveRFIDBluetooth图2物联网翱空典型结椅电信运营的物联网网关的基本组成结构如图 2所示1窗11谕1I r2000 IV接入层 evdoADSLI PSTN数据通遇:管理通道协i文转换远程修理 控制层模块:博议转换 模块标准幡式数峪J标鹿信令协议适配层1协故解新主要包括以下层次。（ 1 ）广域接入层提供各种北向连入电信网络的通道接口。如 CDMA 、Wi.Fi 、 ADSL 等，

11、 既可以是单一接入方式。 适用于特定网络环境的组网。 也可以同时提供多种接入 方式。适用于非固定环境或者移动环境的组网。（ 2 ）协议转换和控制层 这一层的模块提供从感知网络到电信网络的协议转换，将协议适配层上 传的标准格式的数据统一封装。将广域接入层下发的数据解包成标准格式数据： 同时内建管理协议（例如中国电信的 MDMP ），实现与管理平台的协议对接， 实现管理协议的解析并转换为感知层协议可以识别的信号和控制指令。（ 3 ）协议适配层协议适配层定义标准的感知层接入标准接 13 ，保证不同的感知层协议能 够通过适配层变成格式统一的数据和信令。（ 4 ）感知接入层 实现不同感知网络的协议接入和

12、解析，按照应用的场景既可以是某种特 定的协议。 也可以是某几种协议的组合， 甚至可以通过外插模块实现多协议的扩 展。达到融合接入的能力，这一点在公共服务应用领域尤为重要。按照上述结构实现的物联网网关设备很好地满足了前面描述的基本要 求。（ 1 ）在广泛的接入能力方面 通过协议适配层为不同的近程通信协议提供了统一的数据和信令接口， 不同的协议通过在感知接入层实现各自的协议解析： 通过协议适配层实现不同近 程网络的互联，并能以统一的数据格式和控制方式与电信网络相连。（ 2 ）在可管理性方面 通过在协议转换和控制层实现的管理协议。一方面完成对网关本身的远 程管理，另一方面通过协议适配层提供的标准信令

13、接口与近程通信网络节点进行 控制信息交互。从而实现对各节点的状态、 属性等信息的获取和对节点的远程唤醒、 控 制、诊断、升级维护等。对于复杂程度各异的近程通信协议。其管理能力可以不 同。而不同的应用场景可以根据其应用特点和管理要求选择适合的近程通信技术 组网。3典型应用方式图3是一个传感网与物联网网关的连接结构示意连捲到忆、局城网诡打一联阿Jrtsatt |皿处as网艾实际应用中。传感网通过传感器接收数据。然后通过 WSN协议发送数 据到网关。再由网关将数据发送到应用平台。应用平台将数据处理后将控制指令 发送到网关，由网关发送到各个节点的 处理器。对相应的传感器进行控制。图3 传感网与物联网网

14、关的连接。3.1应用示例1 :电力行业以电力应用为例。物联网网关在电力系统的应用包括电力传输线路监控 和抄表系统。无线传感器网络产品可用于监测大跨距输 电线路的应力、温度和震动等 参数。每个传感器节点部署在高压输电线上，而网关固定在高压输电塔上，这样 就克服了超高压大电流环境中在线监测装置的电磁屏蔽、工作频率干扰、电晕干扰、在线监测装置的长期供电等技术难题， 解决了导地线微风振动传感技术、 无 线数据传输、多参数信息监测与集成等关键技术问题。无线传感器网络的优良特 性能为电力系统提供更加广泛和完善的解决方案，同时灵活、开放、可配置的无 线传感器网络技术平台能够满足电力行业开发与应用的特殊需求，

15、使及时、准确、低成本的电力系统监测控制成为可能。用于监控的传感器节点包含多个传感器， 如应力、温度、震动传感器，如果按照传统方式，每个传感器配置一个远距离移 动通信模块。不仅功耗大，增加了人力维护检修的成本。而且需要占用大量的网 络资源，降低了网络使用的效率。采用物联网网关设备，将数个相邻的传感器节 点通过同一个网关传输数据，这样大幅度减少传感器占用的网络空号和资源数， 也使节点可以使用耗电更小的短距传输的 WSN协议。延长了人工更换电池的周 期，同时通过物联网网关的远程管理能力， 监控节点的能源消耗， 提供故障预警、 远程诊断等管理功能，帮助电力系统节省大量的人力维护成本。在电力大量应用的远程无人抄表系统中， 传统做法是为每个 电表 配备一 个 GSMGPRs 或 CDMA 数据模块， 这样不仅设备部署的成本高， 而且需要大量 的运输商的号码资源。 但是每个号码资源又都是短时小数据流量的应用， 无形中 增加了网络运营的负担。 有可能对正常的语音和数据服务造成影响。 对电力系统 而言，这些号码资源的使用也是不小的成本支出。 使用物联网网关后， 可以一幢 大楼甚至几幢大楼部署一个网关。 电表信息汇聚到网关后由网关通过运营商网络 传送到电力系统的管理平台， 这样大大减少了电力系统的成本支出， 同时也减轻 了运营商网络的运营压力， 提高了效率。 除了抄表功能本身， 通过物联网网关强 大