蔡红红
【摘 要】随着网络技术和传感技术的发展，物联网在生活中的应用越来越广泛。物联网网关中，使用较为广泛的协议ZigBee协议，和传统的TCP/IP协议存在着不兼容的现象。在物联网网关设计中，如何实现ZigBee协议和TCP/Ip协议的融合非常关键。文章分析了物联网应用体系架构，探讨了物联网网关系统的需求，并对物联网网关作出了设计。
【关键词】物联网网关；ZigBee协议；TCP/IP协议；设计
中图分类号： TN929.5；TP391.44 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）24-0028-002
DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.24.014
【Abstract】with the development of network technology and sensing technology， the application of the Internet of Things in life is more and more extensive. The Internet of Things network Guanzhong，using the more extensive protocol ZigBee protocol， is incompatible with the traditional TCP/IP protocol. In the design of the Internet of Things gateway， how to achieve the fusion of the ZigBee protocol and the TCP/Ip protocol is very critical.This paper analyzes the architecture of the Internet of Things application system， discusses the requirements of the Internet of Things gateway system， and makes a design of the Internet of Things gateway.
【Key words】Internet of Things gateway；ZigBee protocol；TCP/IP protocol；Design
近些年来，无线传感器网络的发展非常迅速，多种传感设备在生活中的应用变得越来越广泛。和以往的无线传输技术相比，传感器的节点有着结构简单、成本低的特征。但是，物联网中的ZigBee协议和互联网中的TCP/IP协议不兼容。现阶段，物联网领域正研究如何将ZigBee协议接入到TCP/IP协议中去，以便能通过互联网监控环境，管理好接入点。物联网网关是连接异构的重要设备，加强对网关技术的研究非常重要。
1 物联网网关实现技术
现阶段，物联网网关实现技术有多种。第一，是通过通道机制实现。接收到无线传感器数据时，不经解封就作为以太网载荷，加上TCP/IP的包头传输到IP网络主机上去。主机收到数据后，对其进行解析。这种通道机制实现技术有着一定的不足之处，因为数据中的一些内容并不是必要的，带来了带宽上的浪费。第二种方式是远程过程调用RPC方式[1]。使用REST或SOAP将待发送数据转换成XML格式发送。同样的，这种方式也会带来带宽的浪费。另外，物联网实现技术还有协议转换机制等方式。
2 物联网应用体系架构系统需求分析
2.1 体系架构
物联网具有三个特征，一是全面感知功能，能使用RFID、传感器等获取到物体的信息。二是能实现电信网络融合互联网，将物体的信息准确及时的传送出去。三是能用大量的数据和信息作出处理，其中用到了大数据等多种先进技术。通常情况下，物联网被分成三个层次。由上到下分别是应用层、网络层、感知层。物联网感知层中有传感器、传感器网络等。感知层是物联网的基础部分，其中涉及到了RFID技术、控制技术和传感技术等[2]。感知层中主要采集数据的设备包括传感器、摄像头等。物联网中的网络层是建立在互联网基础上，通过接入多种设备实现和通讯网和互联网的连接。网络层的功能非常多，如信息存储查询，实施网络管理等。物联网是以数据为中心网络层中心，网络层中的感知数据处理技术是物理网中的核心技术，包括了对数据的查询、分析、理解等。物联网网络层中有记忆存储数据的云计算平台，同时也为应用层应用存储奠定了基础。应用层是物联网发展的目的，利用分析处理过的数据，为用户提供相应的服务。物联网应用非常广泛，分为很多种类型，可用于监控，如对物流、污染状况作出监控；也可用于查询，如进行智能的检索等；也能用于控制智能家居、智能路灯等；还能用在扫描方面，如高速公路不停车收费等。物联网的网关位于中间的网络层中，连接着传感器以及传统的通信网络，有着协议转换、数据收发等多种功能。
2.2 网关需求分析
2.2.1 协议转换
實现不同协议之间的转换是物联网网关最基础的功能。当网关受到来自ZigBee节点数据后。网关会按照ZigBee协议的规范去掉PHY层、网络层包头、MAC层，并对应用层的数据作出处理，之后物联网网关会根据TCP/IP协议的标准重新封装数据，并通过以太网发送出去。所以，网关功能的实现，要同时具有ZigBee和TCP/IP协议栈[3]。如下图1所示，是协议转换的过程。
2.2.2 数据收发
物联网网关起到沟通传感网和通信网络的重要作用。ZigBee网络上传数据经过网关处理后到IP网络主机中。IP网络中的数据和命令能通过网关到达ZigBee节点中去。物联网网关既要实现接受互联网终端和传感器终端发送数据的功能，也要能向两者发送数据，实现数据转发[4]。
2.2.3 管理控制
物聯网网关还要具有管理控制的功能，对象是传感器的节点。物联网网关对来自应用层的命令作出处理，并下达到传感器节点上，完成对网关下层传感器网络的管理。
3 物联网网关系统的设计
3.1 硬件系统
物联网网关硬件系统部分包括了ARM开发板、GPRS无线通信和Sink节点，这三个部分是组成物联网网关系统的三大模板。本次设计中使用到了ARM9架构的处理器，用CC2420作为感知节点的无线通信模块。无线收发模块中，用ZigBee芯片作为基础。GPRS的无线通信模块中使用EM310，完成物理世界和传感器之间的网络联系。使用到sink，将节点收到的数据发送，网关和sink节点用网关进行连接，形成上传数据和下达命令的通道[5]。
3.2 软件设计
物联网网关软件架构有BootLoader程序、LINUX内核、根文件系统和应用程序四个部分。BootLoader程序是系统的初始化程序，功能是加载软件环境和操作系统内核的数据。SD-Boot是网关启动BootLoader程序时首要任务，使用SD卡烧写方式，对引导程序进行移植和编译。物联网网关的应用程序设计方面，分为三个部分，ZigBee部分、TCP部分和web应用程序部分[6]。
3.2.1 ZigBee应用程序的设计
物联网网关的主要功能是对感知层的数据作出采集分析和处理。软件模块也相应的分成主动上报、查询和控制三个方面。主动上报方面，数据格式以无线通讯协议的16进制为主，实现上调用接收程序nodedataproe.e，监听程序listenfile.e以及节点状态程序nodestatus.c。节点接收程序调用函数组能满足内存间交互，通过调用/exc/gateway/map.txt文件能将内存表初始化，对串口打开和设置时，调用串口函数int serial_init，创建fork进程。数据采集功能的实现，需用到3个系统函数，它们分别是wait、wifexited和wtermsig。监听程序的作用是监听一些较为重要的文件，通过调用组函数inotify_能将监听功能初始化，inotify_add_watch能添加监听事件，设置相应的属性。网关正常情况下，inotify_rm_watch（fd，wd）不会被调用，节点状态程序用来完成采集节点状态信息。关于传感器上报时间，设计中采集间隔为10s，系统函数有signal、alarm和pause（）。
3.2.2 WEB应用程序设计
用户应用程序和物联网网关进行交互时，通讯方式使用TCP/IP方式。在对WEB应用程序进行设计时，会使用CGI的方式，融合HTML以及C语言，使得应用层能顺利访问，组网程序主要有zigbee.cgi程序实现，能对频点和ID参数进行设置。获取新节点数据时，使用到newnode_list.cgi，且调用fprintf函数。使用Map.cgi程序对节点编号、额定掉线时间等作出配置。
综上所述，物联网是互联网和通讯行业后新的信息产业方向，有着很大的发展潜力。ZigBee网络和TCP/IP网络的有效融合，能极大的促进物联网的发展。文章基于ZigBee和TCP技术，对物联网网关作出了设计，实现了多种功能。设计的重点在于软件的BootLoader和Linux系统以及应用程序等方面，完成了各个分模块之间的协议转换。
【参考文献】
[1]许杰.物联网无线通信技术应用探讨[J].无线互联科技，2018，15（14）：19-20.
[2]张于峰.ZigBee和TCP/IP通信网关的研究[J].轻工科技，2017，33（05）：75-76.
[3]申利民.基于嵌入式系统ZigBee网与互联网网关设计[J].信息通信，2016（11）：132-134.
[4]Kuang-Yow Lian，Sung-Jung Hsiao，Wen-Tsai Sung. Intelligent multi-sensor control system based on innovative technology integration via ZigBee and Wi-Fi networks[J]. Journal of Network and Computer Applications，2013，36（2）.
