一、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

　　物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)采用分層的通信系統(tǒng)架構(gòu)，包括感知延伸系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)、業(yè)務(wù)運(yùn)營管理系統(tǒng)和各種應(yīng)用，在不同的層次上支持不同的通信協(xié)議，如圖1所示。 感知延伸系統(tǒng)包括感知和控制技術(shù)，由感知延伸層設(shè)備以及網(wǎng)關(guān)組成，支持包括Lonworks、UPnP、Zigbee等通信協(xié)議在內(nèi)的多種感知延伸網(wǎng)絡(luò)。感知設(shè)備可以通過多種接入技術(shù)連接到核心網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。業(yè)務(wù)運(yùn)營管理系統(tǒng)面向物聯(lián)網(wǎng)范圍內(nèi)的耗能設(shè)施，包括了應(yīng)用系統(tǒng)和業(yè)務(wù)管理支撐系統(tǒng)。應(yīng)用系統(tǒng)為最終用戶提供計(jì)量統(tǒng)計(jì)、遠(yuǎn)程測控、智能聯(lián)動以及其他的擴(kuò)展類型業(yè)務(wù)。業(yè)務(wù)管理支撐系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)用戶管理、安全、認(rèn)證、授權(quán)、計(jì)費(fèi)等功能。

　　二、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)概念

　　作為連接感知層與網(wǎng)絡(luò)層的紐帶，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)可以實(shí)現(xiàn)感知網(wǎng)絡(luò)與通信網(wǎng)絡(luò)，以及不同類型感知網(wǎng)絡(luò)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換．既可以實(shí)現(xiàn)廣域互聯(lián)．也可以實(shí)現(xiàn)局域互聯(lián)。在無線傳感網(wǎng)中，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)是不可或缺的核心設(shè)備。此外物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)還需要具備設(shè)備管理功能，運(yùn)營商通過物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)備可以管理底層的各感知節(jié)點(diǎn)，了解各節(jié)點(diǎn)的相關(guān)信息，并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

　　從物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的定義來看，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)很難以某種相對固定的形態(tài)出現(xiàn)。總體說凡是可以起到將感知層采集到的信息通過此終端的協(xié)議轉(zhuǎn)換發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備都可以算做物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)。形態(tài)可以盒子狀也可以是平板電腦，可以有顯示屏幕的交互式形態(tài)，也可以是封閉或半封閉的非交互形態(tài)。

　　三、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)關(guān)鍵技術(shù)

　　1、多標(biāo)準(zhǔn)互通接入能力 ：目前用于近程通信的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)很多。常見的傳感網(wǎng)技術(shù)包括 ZigBee、Z-Wave 、 RUBEE 、 WirelessHART 、 IETF6IowPAN 、AM‘ /ANrr +、Wibree、］nSTeON 等。各類技術(shù)主要針對某一類應(yīng)用展開，之間缺乏兼容性和體系規(guī)劃。如：Z.Wave主要應(yīng)用于無線智能家庭網(wǎng)絡(luò)，RUBEE適用于惡劣環(huán)境，WirelessHART 主要集中在工業(yè)監(jiān)控領(lǐng)域。實(shí)現(xiàn)各種通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的互聯(lián)互通，成為物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)必須要解決的問題。是針對每種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)單獨(dú)的網(wǎng)關(guān)，再通過網(wǎng)關(guān)之間的統(tǒng)一接口實(shí)現(xiàn)。還是采用標(biāo)準(zhǔn)的適配層、不同技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)相應(yīng)的接口實(shí)現(xiàn)。

　　2、網(wǎng)關(guān)的可管理性：物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)作為與網(wǎng)絡(luò)相連的網(wǎng)元，其本身要具備一定的管理功能，包括注冊登錄管理、權(quán)限管理、任務(wù)管理、數(shù)據(jù)管理、故障管理、狀態(tài)監(jiān)測、遠(yuǎn)程診斷、參數(shù)查詢和配置、事件處理、遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程升級等。如需要實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)的可管理，不僅要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)設(shè)備本身的管理，還要進(jìn)一步通過網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)子網(wǎng)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)的管理，例如獲取節(jié)點(diǎn)的標(biāo)識、狀態(tài)、屬性等信息，以及遠(yuǎn)程喚醒、控制、診斷、升級維護(hù)等。盡管根據(jù)子網(wǎng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不同。協(xié)議的復(fù)雜性不同，所能進(jìn)行的管理內(nèi)容有較大差異。

　　四、 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)方法

　　在進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)時，可以采用下述一般設(shè)計(jì)方法作為指導(dǎo)。

　　1. 確定系統(tǒng)功能與性能。由需求調(diào)查確定物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，這一目標(biāo)包括系統(tǒng)功能與性能。系統(tǒng)功能主要由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、輸出控制等。

　　2. 確定系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)。物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一般是以單片機(jī)為核心外部擴(kuò)展相關(guān)電路的形式。確定了系統(tǒng)中的單片機(jī)、存儲器分配以及輸入/輸出方式就可答題確定出物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)的基本組成。

　　⑴單片機(jī)。在系統(tǒng)詳細(xì)方案設(shè)計(jì)時，先要確定單片機(jī)的型號。所選單片機(jī)的型號不同，組成的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也就不同。

　　⑵存儲器分配。不同的單片機(jī)具有不同的存儲器組織。應(yīng)根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)的需要合理進(jìn)行存儲器的分配。

　　⑶I/O方式。采用不同的輸入/輸出方式，對于單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的軟、硬件結(jié)構(gòu)有直接的影響。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，常用的I/O方式主要有：無條件傳送方式（同步傳送方式）、查詢方式、中斷方式。

　　⑷網(wǎng)絡(luò)控制器。性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，編程易實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)控制器對于優(yōu)化物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)起著關(guān)鍵性的作用。

　　物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)的工作模式可以分為兩類，服務(wù)器端和客戶端。無論工作于何種模式，都需要對以太網(wǎng)控制器進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置，以實(shí)現(xiàn)最基本的物理連接（即能夠ping通）。

　　3. 硬件設(shè)計(jì)。物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)是圍繞著單片機(jī)及網(wǎng)絡(luò)控制器做外部功能擴(kuò)展而展開的，其基本結(jié)構(gòu)如圖所示。

　　⑴ 程序存儲器。傳統(tǒng)的單片機(jī)內(nèi)無片內(nèi)程序存儲器或存儲容量不夠大，需外部擴(kuò)展程序存儲器。外部擴(kuò)展的存儲器通常選用FLASH存儲器。現(xiàn)在的單片機(jī)一般都集成了較大容量的程序存儲器，使用時，不需要進(jìn)行程序存儲器的擴(kuò)展。

　　⑵ 數(shù)據(jù)存儲器。數(shù)據(jù)存儲器用于暫時保存程序運(yùn)行中的中間結(jié)果，一般由RAM 構(gòu)成。大多數(shù)單片機(jī)都提供了小容量的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器，只有當(dāng)片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器不夠用時才擴(kuò)展外部數(shù)據(jù)存儲器。無論是程序存儲器還是數(shù)據(jù)存儲器，存儲器的設(shè)計(jì) 原則是：在存儲容量能夠滿足要求的前提下，盡可能減少存儲芯片的數(shù)量。

　　⑶ I/O接口。由于外設(shè)多種多樣，使得單片機(jī)與外設(shè)之間的接口電路也各種不相同。因此，I/O接口常常是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中設(shè)計(jì)最復(fù)雜也是最困難的部分之一。

　　⑷ 譯碼電路。當(dāng)需要外部擴(kuò)展電路時，常常需要設(shè)計(jì)譯碼電路。譯碼電路要盡可能簡單，要求存儲器空間分配合理，譯碼方式選擇得當(dāng)。

　　4. 軟件設(shè)計(jì)。軟件是物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)中的一個重要組成部分，一般計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的軟件包括系統(tǒng)軟件和用戶軟件，而物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)中的軟件一般只有用戶軟件，即應(yīng)用系統(tǒng)軟件。軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是確定軟件應(yīng)完成的任務(wù)及選擇相應(yīng)的軟件結(jié)構(gòu)。

　　⑴任務(wù)確定。根據(jù)系統(tǒng)軟、硬件的功能分工，確定出軟件應(yīng)完成什么功能。作為實(shí)現(xiàn)控制功能的軟件應(yīng)明確控制對象、控制信號及控制時序;作為實(shí)現(xiàn)處理功能的軟件應(yīng)明確輸入是什么、要做什么樣的處理（即處理算法）、產(chǎn)生何種輸出。

　　⑵ 軟件結(jié)構(gòu)。軟件結(jié)構(gòu)與程序設(shè)計(jì)技術(shù)密切相關(guān)。程序設(shè)計(jì)技術(shù)提供了程序設(shè)計(jì)的基本方法，最常用的程序設(shè)計(jì)方法是模塊化程序設(shè)計(jì)。模塊化程序設(shè)計(jì)具有結(jié)構(gòu)清晰、功 能明確、設(shè)計(jì)簡便、程序模塊可共享、便于功能擴(kuò)展及便于程序維護(hù)等特點(diǎn)。為了編制模塊程序，先要將軟件功能劃分為若干子功能模塊，然后確定出各模塊的輸 入、輸出及相互間的聯(lián)系。

想要了解更多物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)設(shè)計(jì)資料，請關(guān)注《物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)之通信》專題

　　五、廠商設(shè)計(jì)方案

　　1、TI用于 IoT 應(yīng)用的住宅智能家居網(wǎng)關(guān)參考設(shè)計(jì)

　　描述

　　此設(shè)計(jì)可為家庭自動化應(yīng)用提供 ZigBee? 家庭自動化 （HA 1.2） 認(rèn)證的參考網(wǎng)關(guān)。由 Sitara? AM335x 處理器提供支持的功能豐富且基于 Linux 的網(wǎng)絡(luò)和 GUI 示例應(yīng)用可以使用基于 SimpleLink? ZigBee CC2531 無線 MCU 的軟件狗控制和監(jiān)控 ZigBee 節(jié)點(diǎn)。此設(shè)計(jì)包含幾十個可簡化 Linux 系統(tǒng)中的 ZigBee 集成和應(yīng)用開發(fā)的 API。

　　特性

　　用于家庭自動化的簡單 API，將 TCP/IP 集成到 ZigBee 網(wǎng)橋，有助于加快應(yīng)用的開發(fā)速度和簡化低功耗連接解決方案的集成

　　基于 CC2531 的運(yùn)行 ZigBee 家庭自動化 （HA 1.2） 認(rèn)證協(xié)議堆棧的 USB 軟件狗、MAC 和 PHY，針對互操作性進(jìn)行了全面測試

　　基于 Sitara AM335x BeagleBone Black 社區(qū)支持的低成本開源開發(fā)平臺和基于小型 USB 軟件狗的 SimpleLink? ZigBee CC2531 無線 MCU

　　可從 TI 網(wǎng)上商店或通過授權(quán)經(jīng)銷商獲取所有系統(tǒng)硬件組件。還可獲取基于 Wiki 的用戶指南以生成和編譯 Linux 開源組件

　　基于 Linux 的現(xiàn)成系統(tǒng)軟件和硬件實(shí)現(xiàn)，用于通過以太網(wǎng)將 ZigBee 傳感器連接到 TCP/IP 應(yīng)用，包括所有應(yīng)用程序、Linux 中間件、ZigBee 堆棧和硬件組件

　　用于 BeagleBone Black 的 Z-Stack? Linux 網(wǎng)關(guān)安裝程序軟件包和用于 SimpleLink CC2531 軟件狗的 ZigBee 家庭自動化堆棧是免費(fèi)的，可從 TI 的 Z-Stack? 軟件頁面進(jìn)行下載。

　　硬件設(shè)計(jì)框圖

　　詳細(xì)資料：AM335x ARM Cortex-A8 微處理器(MPU)詳細(xì)介紹

　　軟件設(shè)計(jì)框圖

　　相關(guān)軟件與工具：CC2531 USB 評估模塊套件

　　應(yīng)用 家庭網(wǎng)關(guān)

　　2、TI智能家居和能源網(wǎng)關(guān)參考設(shè)計(jì)

　　智能家居與能源網(wǎng)關(guān)參考設(shè)計(jì)為智能家居和建筑物的能源系統(tǒng)的測量、管理和通信提供了完整的系統(tǒng)解決方案。此設(shè)計(jì)是 WiFi、以太網(wǎng)、ZigBee 或藍(lán)牙等不同通信接口（通常在住宅建筑物和商業(yè)建筑物中出現(xiàn)）之間的橋梁。由于房屋和建筑物中的物體越來越多地聯(lián)系在一起，因此網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)需要靈活以符合不同的 RF 標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)闆]有單個 RF 標(biāo)準(zhǔn)主宰市場。此網(wǎng)關(guān)通過支持現(xiàn)有傳統(tǒng) RF 標(biāo)準(zhǔn)（WiFi、藍(lán)牙）和較新的 RF 標(biāo)準(zhǔn) （ZigBee， BLE） 來解決此問題。

　　特性

　　不同通信接口基線驗(yàn)證的堅(jiān)實(shí)軟件基礎(chǔ)

　　ZigBee、WiFi、藍(lán)牙和 NFC（近場通信）的共存允許不同通信配置文件同步運(yùn)行

　　實(shí)現(xiàn)智能能源、照明和樓宇自動化的無縫配置文件集成

　　實(shí)現(xiàn) HAN（家庭區(qū)域網(wǎng)）和 LAN（局域網(wǎng)）/WAN（廣域網(wǎng)）之間的橋梁

　　原理圖/方框圖

　　詳細(xì)資料：AM335x ARM Cortex-A8 微處理器(MPU)

　　軟件框圖

　　核心器件

　　詳細(xì)資料：德州儀器 CC2530?

　　設(shè)計(jì)Demo 演示板：

　　詳細(xì)資料：設(shè)計(jì)文件

想要了解更多物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)設(shè)計(jì)資料，請關(guān)注《物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)之通信》專題

3、NXP 智能網(wǎng)關(guān)參考設(shè)計(jì)

　　NXP互聯(lián)網(wǎng)（IOT）網(wǎng)關(guān)是連接日常無線功能的設(shè)備的有線網(wǎng)絡(luò)的一個重要組成部分，它們可以控制和監(jiān)視。基于主機(jī)控制器運(yùn)行OpenWrt ARM9 Linux操作系統(tǒng)，提供了一個易于使用的平臺系統(tǒng)開發(fā)。它的軟件設(shè)計(jì)是模塊化的，允許輕松定制的，包括應(yīng)用程序的變化軟件。無線接口可以參與 ZigBee或 JenNetIP網(wǎng)絡(luò)。隨著無線USB的適配器的加入，網(wǎng)關(guān)可以參與的混合網(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)加密在有線接口使用標(biāo)準(zhǔn)的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和128位AES加密的無線通信技術(shù)。這個物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)是一個以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)有著密切聯(lián)系，專為低功耗無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的，基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，能兼容ZigBee和JenNet-IP的智能網(wǎng)關(guān)。

　　1. 功能框圖

　　2. 重要特征

　　2.1 ARM926EJ-S處理器，CPU時鐘運(yùn)行速率可高達(dá)266MHz

　　LPC3240的CPU工作頻率最高可達(dá)266 MHz。恩智浦實(shí)施采用了一個ARM926EJ-S CPU，具備Harvard架構(gòu)，5級流水線和完整的存儲器管理單元（MMU）。 LPC3240還包含256 kB片內(nèi)靜態(tài)RAM，一個NAND閃存接口，一個以太網(wǎng)MAC，一個支持SDR和DDR SDRAM的外部總線接口，以及其它靜態(tài)設(shè)備。另外，LPC3240包含一個USB 2.0全速接口，7個UART，2個I2C總線接口，2個SPI/SSP端口，2個I2S總線接口，2個單輸出PWM，一個電機(jī)控制PWM，6個帶捕獲輸入和比較輸出的通用定時器，一個SD接口，以及一個帶觸摸屏檢測選項(xiàng)的10位模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）。

　　詳細(xì)資料：NXP LPC3240

　　2.2 無線Zigbee 通訊采用 NXP JN5168 芯片

　　JN5168是超低功耗的高性能無線微控制器，支持JenNet-IP、ZigBee Smart Energy、ZigBee Light Link、RF4CE和IEEE802.15.4網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，適合開發(fā)Smart Energy、Home Automation、Smart Lighting、遙控或無線傳感器應(yīng)用。該器件具有一個增強(qiáng)型32位RISC處理器，帶256 kB嵌入式閃存、32 kB RAM和4 kB EEPROM存儲器，通過可變寬度指令提供高編碼效率；一條多級指令流水線，通過可編程時鐘速率實(shí)現(xiàn)低功耗運(yùn)行。該器件還集成了2.4 GHz IEEE802.15.4兼容型收發(fā)器和各種模擬和數(shù)字外設(shè)。憑借一流的15 mA工作電流特性和0.6 μA睡眠定時器模式實(shí)現(xiàn)出色的電池壽命，支持用一枚鈕扣電池直接供電。

　　詳細(xì)資料：NXP JN5168無線微控制器

　　2.3 采用TI DP83848K 10/100M以太網(wǎng)收發(fā)器

　　DP83848 10/100 Mb/s單路物理層器件提供了低功耗性能，其包含一個智能電源關(guān)閉狀態(tài)－能量檢測模式。

　　詳細(xì)資料：TI DP83848

　　3. 應(yīng)用領(lǐng)域

　　ZigBee網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)控制

　　JenNet- IP網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)控制

　　連通以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)/協(xié)議

　　智能樓宇的通信與控制

4、Intel 智能網(wǎng)關(guān)參考設(shè)計(jì)

　　Intel智能網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)為傳統(tǒng)工業(yè)設(shè)備和下一代智能基礎(chǔ)設(shè)施物聯(lián)網(wǎng)連通性提供了解決方案。其提供的開發(fā)平臺集成了網(wǎng)絡(luò)協(xié)議技術(shù)、嵌入式控制、企業(yè)級的安全性，還具有特定軟件環(huán)境中易管理可操作的特性。

　　1. 功能框圖

　　2. 重要特征

　　Quark SOC x1000 處理器，400MHz 主頻；

　　配置 x 8 256MB DDR3，一片 8MB SPI Flash;

　　支持 1 個 SD 卡；

　　2 個 RJ45 接口，支持 10/100Mbps 的傳輸速度；

　　2 個 USB 2.0 Host 和 1 個 USB 2.0 Client 接口；

　　2 個 Mini-PCIE 接口 ，并提供 USB2.0 Host 支持；

　　1 個 RS232 DR9 接口和 1 個 RS485 DR9 接口；

　　1 個 10-pin JTAG 接口；

　　Linux Firmware Pre-Install;

　　Quark Soc X1000 Software Stack

　　詳細(xì)資料：Quark X1000低功耗物聯(lián)網(wǎng)控制SOC

　　3.軟件框圖

　　4.應(yīng)用

　　交通運(yùn)輸物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，能源、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)。

　　5.相關(guān)開發(fā)套件

　　DK50 用于物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)開發(fā)設(shè)計(jì)

　　DK100 用于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)開發(fā)設(shè)計(jì)

　　DK200 用于交通運(yùn)輸物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)開發(fā)設(shè)計(jì)

想要了解更多物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)設(shè)計(jì)資料，請關(guān)注《物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)之通信》專題

?

?

?