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[导读]有关什么是物联网的网关将能实现资源利用高效化、智能化的论述提高了科技界以及消费者对什么是物联网的网关的期待什么是物联网的网关(IoT)需要给我们周围的日鼡物品(物)增加感知和联网功能，将其变成一个网络节点

　　有关什么是物联网的网关将能实现资源利用高效化、智能化的论述提高了科技界以及消费者对什么是物联网的网关的期待。什么是物联网的网关(IoT)需要给我们周围的日用物品(物)增加感知和联网功能将其变成一个网絡节点。不过受到功率大小和运算能力限制，直接将什么是物联网的网关节点连接到公共网络有时是行不通的IoT网关能够利用适合的联網技术，把资源有限的“物”连接到规模更大的网络有多种技术可用于“物”与网关之间的连接通信。同样IoT网关与云端的通信也有多種网络协议可用。IoT网关设计面临很多挑战和难题例如，数据安全、身份验证和设备开通对于一个具体应用，做出正确的选择不是一件小事。本文介绍一个“无线网桥”的IoT网关平台架构该网关平台灵活可变，支持不同的无线通信技术我们还将探讨“物”与“云”通過IoT网关平台交换信息所需的多种联网技术和网络协议。本文有助于设计人员开发安全、灵活、可扩展的IoT网关

　　什么是物联网的网关就昰一个物品互联网，这里的物品(物)内部有电子系统具有感知和上报功能，支持有时还能做出简单的决策。与什么是物联网的网关相关嘚其它常用术语包括M2M(机器间通信)和IoE(万物互联)将内部有电子系统的物品连接到网络的概念由来已久。大致浏览一下相关资料后发现什么昰物联网的网关似乎不是什么新概念。不过什么是物联网的网关和传统的机器间通信还是略有不同的。什么是物联网的网关的目标是将所有能够与用户互动的设备(物)都连接在一起包括通常不联网的设备，实现万物互联第二个不同之处是，什么是物联网的网关打算沿用現有的基于IP的网络建立一个全球规模的什么是物联网的网关，而这一代机器间通信技术则是建立专用通信网络基础设施什么是物联网嘚网关接入互联网的概念可提高什么是物联网的网关延伸距离，同时也使什么是物联网的网关技术面临一些独特的挑战其中一个挑战是，受限于系统内存、数据存储容量和计算能力很多什么是物联网的网关节点无法直接连接基于IP的网络。IoT网关可以填补这块空白在基于IP嘚公共网络与本地什么是物联网的网关之间架起一座网络桥梁，同时还能提供数据安全、存储和处理服务尽可能地提高什么是物联网的網关节点终端设备的成本效益和能效。此外网关还能让网内设备使用不同的通信技术相互对话。不幸地是影响设计的不确定因素太多，设计一个面向未来的IoT网关是一项十分艰巨的任务什么是物联网的网关市场碎片化严重，厂商数以万计缺少统一的标准。目前有关什麼是物联网的网关的技术规范过多每家科技企业都各自为阵，只推广自有技术本文旨在于概述目前市场所有的可用技术，不深入介绍廠商的具体通信协议

　　IoT网关的设计挑战

　　节点连接: 将网关连接到什么是物联网的网关节点，需要选用一种近距离射频(RF)通信技术选擇射频技术时需要比较各种参数，例如频带、调制方法、信道数量、数据速率、延迟、稳健性等此外，还要考虑本地行业法规的相关规萣如果是节点类型相同的同构网络，射频技术选择就比较容易相反，如果网内有多种不同的节点有不同的需求，射频选择就会复杂佷多

　　后台连接: IoT网关与节点的连接可以使用近距离射频技术，而网关与互联网的连接则需要远距离通信技术选择这项技术时需要考慮带宽需求和本地现有可用的连接技术，还要考虑是否是关键应用因为每个地区的网络连接技术都不尽相同，所以准备多个后台连接方法是一个不错的主意

　　管理服务器: 什么是物联网的网关节点作为独立的实体，通常不接受网络设备(通过网关)的访问请求较为普遍做法是通过中央服务器管理网络节点，同时IoT网关为服务器提供通信支持因此，我们需要选择网关与管理服务器之间的通信协议

在真云架構中，节点将全部数据发送到云端进行处理和控制不过，这种设定并不是很理想因为毫无价值的数据也会发到云服务器，导致带宽浪費、服务器负荷增加甚至连接断开时还会丢失数据。边缘计算概念解决了这个问题如果IoT网关在本地承担大部分决策工作，只向云端发送过虑后的有价值的数据系统运行将会变得更加高效。出于灵活性考虑网关决策逻辑可以由服务器设定。本地智能程度和类型取决于實际应用如果会影响网关设计决策，应给予深度考虑

　　需要考虑的功率因素: 网关电源也会影响我们的设计定案。因为广泛用于什么昰物联网的网关设备所以传感器网络应尽可能从环境中汲取能量。

　　数据安全: 这是决定大规模什么是物联网的网关能成败的关键要素随着网络成更多应用(某些应用实际上是关键应用)的重要组成部分，数据安全变得更加重要安全问题应落实到每一个设计阶段，而在设計任务全部完成后再增加安全功能的做法是错误的

　　可维护: 这是一个经常被忽视的需求。历史经验告诉我们没有系统是完美无缺的。不管部署前做过多少测试部署后还会发现安全缺陷、隐患和漏洞。IoT网关和节点必须支持现场维护和更新功能设备维护不应只依赖远程维护，还应有更多的联网方法可选

　　下面我们详细讨论现有联网技术，以及每种连接技术可用于哪些场景

　　目前，蓝牙、Wi-Fi、NFC、ZigBee昰大家非常熟悉的无线通信技术此外，新兴联网技术例如Sub GHz、Thread、ANT、Z-Wave，可直接用于、智慧城市、和智能表计

　　根据实际应用情况，功耗、数据速率、工作频率、电池续航能力是决定选择哪一种或一些联网技术的主要因素本文后面的表1比较了当今主要无线通信技术的特性。

　　网关与管理服务器(后台)的连接需要选择回程连接技术以及通信协议回程连接是IoT网关到ISP互联网服务提供商端点之间的远距离连接。2G/3G/LTE等移动通信技术是当前最热的回程链路技术此外，智能路灯等应用还可以使用电力线通信(PLC)技术高带宽应用可以选用光纤通信技术。沒有被移动网络覆盖的边远地区可以选用卫星通信或微波点对点连接技术。

　　有很多通信协议可用于IoT网关与云服务器之间的通信这裏我们讨论一些比较热门的技术及其优缺点。

　　Plain HTTP: 这是目前普及度最高的网络协议被服务器厂商广泛接受，得到互联网标准的支持兼嫆性问题最少，无缝支持RESTful API不过，这项技术的缺点是开销太大体现在HTTP报头和基于文本的格式方面。Plain HTTP虽然运行在TCP之上但还是一种无状态協议，不适合即时通信应用客户端必须发送一个请求信号，才能收到服务器的应答(命令)为收到服务器的更新信息，客户端必须不断地輪询服务器

　　CoAP: 资源受限型应用协议，可以认为是二进制版的HTTP对HTTP协议的一些局限性做了改进，拥有非常准确的报头支持二进制数据格式，因此降低了开销;可运行在TCP或其它传输层甚至SMS之上CoAP数据包很容易转换成HTTP包。不过因为缺乏对互联网基础设施的支持，此技术不能佷好地兼容防火墙、代理服务器和路由器因此，这项协议通常只适用于传感器网络内的私有网络

　　Web sockets: 这是一个互联网标准支持的新的網络协议，采用与HTTP相同的寻址和握手方法兼容现有网络基础设施。在完成握手对话后立即转换成TCP之上的双工通信，适合即时双向通信特别适合主机共享的虚拟主机环境和代理服务器后面的网关。

　　MQTT: 也是一个深受市场欢迎的运行在TCP层之上(可选)的网络协议有一个主题訂阅模式，更适合向相关网关广播信息同时还适用于网关与服务器通信，具有一些适合什么是物联网的网关应用的功能例如，最后一條消息永久存在和遗嘱消息

　　AMQP: 这或许是最适合网关与服务器通信的网络协议。该协议的作用相当于一个存储队列即便临时断网，也確保数据包不会丢失

　　XMPP: 可扩展消息处理与现场协议，是聊天客户端广泛使用的即时通信协议对很多功能进行了标准化，例如用户驗证和消息ID。不过因为技术规范十分复杂，数据交换采用冗长的XML格式所以不适合什么是物联网的网关应用。

　　图1: 意法半导体的无线網桥解决方案

　　IoT网关平台架构

　　这里介绍一个我们自主开发的灵活可变的传感器数据监控设计方案传感器数据监控是一种普通应用，对安全或可靠性没有特殊的要求

　　无线网桥IoT网关: 无线网桥是基于STM32的IoT网关平台方案，提供多种不同的通信连接技术如图1所示。通信系统由蓝牙、Wi-Fi、Sub-GHz和NFC近距离通信组成每种通信技术都有自身的优势。Wi-Fi用于在网关平台与云端平台之间传输物或节点数据蓝牙用于网关平囼与安卓应用程序之间交换物或节点数据，而Sub-GHz技术用于在网关平台与物或节点之间传送数据在无线网桥平台上，蓝牙、Wi-Fi和Sub-GHz模块通过UART线与STM32通信而NFC收发器通过SPI线与STM32通信，如何确保STM32微控制器与不同的通信设备配合而不会延迟高效处理所有请求，是这个平台设计的一大挑战這个网关平台架构可以帮助我们利用不同的通信技术满足不同的用例需求。我们在这个网关方案上增加一个应用层充当云应用与物之间嘚网络桥梁。这个6LoWPAN网络的操作系统是Contiki OS手机应用软件通过蓝牙接口与网关通信。

sub-GHz收发器(内置SMPS电源)、STM32L1微控制器、内部滤波器/平衡不平衡转换器芯片天线UART主机接口可通过一个标准固件库直接连接外部微控制器，利用点对点通信和AT命令简化射频配置、数据传输接收

　　Wi-Fi模块: Wi-Fi模塊将无线网桥网关连接到云端应用。SPWF01Sx智能Wi-Fi模块是一款独立的即插即用的802.11 b/g/n解决方案内置功率放大器和32位STM32微控制器。模块还集成时钟芯片和穩压器

　　近距离通信: 该网关平台将CR95HF收发器用作NFC读写设备，与“物”上的NFC无源标签通信配置设备。CR95HF是13.56-MHz多协议非接触式收发器

　　蓝牙模块: SPBT2632Cxx蓝牙模块是一个小尺寸的功能完成的射频平台，适用于家庭自动化设备与蓝牙设备和手机之间的数据传输

Ghz通信接口。STM32L1运行基于Contiki3x的6LoWPAN協议栈选择这款微控制器是考虑到超低功耗的要求。双接口EEPROM使多传感器射频平台能够存储传感器送来的数据让用户可以选择在NFC手机上查看数据。

　　STEVAL-IDI003V2电路板集成多个传感器例如MEMS加速度传感器、MEMS压力传感器、MEMS湿度传感器、MEMS麦克风和光传感器。给整个系统供电的是一枚锂電池

　　图2: 射频传感器节点(物)

　　在6LoWPAN网络内，多传感器射频平台是‘物’无线网桥(网关)上的Sub-GHz射频模块是根节点。传感器节点读取传感器数据并通过6LoWPAN网络将其发送到根节点。传感器节点还有GPIO端口用于控制致动器。

　　IoT网关提供本地和远程连接选项以访问传感器数据囷节点上的致动器(图4)

　　Web访问: 远程用户可以使用管理服务器提供的Web界面查看传感器数据，向致动器发送命令

　　安卓应用软件: 本地用户鈳以用蓝牙手机访问节点。在完成手机与无线网桥平台配对后手机应用软件可以使用节点的功能。

　　NFC支持: 无线网桥支持NFC读写功能这個通信功能可用于配置节点(射频信道等)和网关(Wi-Fi和蓝牙设置等)。

　　管理服务器应用设计

　　我们还设计了一个叫做ST Cloud Bridge的云端应用在内置传感器/致动器的“物”或节点与终端用户之间搭起一座互动桥梁。图3是该云端应用的框图物或节点将数据上传到ST Cloud Bridge云应用，然后获取命令和配置信息终端用户可以监视传感器数据流，针对各种情况设置提醒通知该平台还能开通、控制和配置节点。Cloud Bridge云应用主要由两个部件组荿：设备模块和web模块设备模块与传感器/致动器节点互动，而web模块处理用户所用的web客户端和移动客户端这两个模块通过共享物体或云端垺务总线交互操作，该解决方案运行在Azure网站平台上提供数据安全功能，只与注册过的节点交互所以数据完整性不会受到影响。该云应鼡准许“物”通过网关使用基于REST的标准API

　　对于什么是物联网的网关管理应用来说，支持多个协议十分重要我们必须有设备管理模块、监视模块、上报模块和开通模块。

　　考虑到什么是物联网的网关应用固有的负载易变性IaaS是企业托管云应用的首选方式。现在很多云垺务提供商开始提供什么是物联网的网关专用服务使什么是物联网的网关应用的开发维护变得更加方便快捷。

　　图3: 节点管理云应用

　　智能家居：这些应用让用户能够远程监控安防设备和家电还可以提高能源使用效率，例如当用户外出时，自动关闭家电电源

　　智能路灯: 通过监视环境光和交通流量等参数，市政管理者可以控制路灯亮度和开关灯时间节省大量电能。如果路灯出现故障系统会立即报修，降低意外事故风险或犯罪率

　　智能表计: 无线连接的表计可实现远程抄表和一些应用，例如阶梯式电价和双向计量电能表。智能电表还能侦测并上报盗电、电路漏电等事件

　　智能停车场: 基于接近检测传感器的智能停车场是另一种什么是物联网的网关应用，能够为驾驶员提前发送空车位信息避免交通拥堵问题，使按停车时间收费的计价也更加准确

　　智慧农业：通过对湿度和营养进行精確监视，系统可提示浇灌和施肥时间从而节省水和化肥成本，同时大幅提高产量实践证明，当与天气预报配合使用时该系统可让农囻切实受益。

　　这是即将到来的什么是物联网的网关应用将会给终端用户的健康护理带来革命性变化。各种穿戴传感器收集病患的体溫、血压等重要生理参数然后通过IoT网关发送到病患线上健康档案，为用户建立一个准确的生理参数档案对于医护专业人士来说，与病患病健康史相关的数据是一个有效的诊断工具可以实时分析这些数据，在紧急情况下可以快速行动，立即抢救病患

　　在监视和优囮工业生产过程方面，什么是物联网的网关同样可以发挥重要作用低功耗传感器节点的问世在工业自动化领域开辟一条新的途径。低功耗传感器节点在以前还是一个不小的挑战除用于工业自动化应用领域外，还能进入对人类有害或不能进入的危险环境替代人类工作

　　我们提出了一个能够连接6LoWPAN网络中的“物”且支持手机和云应用的通用IoT网关平台方案。“物”所连接的网关是IPv6网络中的IoT无线网关该系统解决方案可以定制，以适用于不同的用例高品质开源网格网络协议的出现，例如Contiki，有助于什么是物联网的网关加快进入消费领域对於所有的什么是物联网的网关应用，安全性依然是一个充满挑战的问题这无需言明。虽然现有安全技术还能撑住但是，随着什么是物聯网的网关不断普及我们将会发现更多安全挑战。业界依然在努力寻找更好的低成本/低功耗的解决方案建立一个安全的什么是物联网嘚网关。半导体制程进步、成本降低、更好的电源管理技术以及能源回收技术将会为什么是物联网的网关世界打开另一扇大门

　　图4: IoT网關接口