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摘 要：物联网网关设备是最适合将多种接入手段整合起来，统一互联到接入网络的关键设备，可满足局部区域短距离通信的接入需求，实现与公共网络的连接，同时完成转发、控制、信令交换和编解码等功能。文中分析了智能化物联网网关应具备的能力，同时介绍了水产养殖物联网系统的架构和功能。
关键词：物联网；网关；智能化；水产养殖
1 物联网网关
互联网的普及，使很多了解互联网的人都知道网关这么一个名词，网关（Gateway）就是一个网络连接到另一个网络的“关口”。在Internet网中，网关是一种连接内部网与Internet上其他网的中间设备，也称路由器。
众所皆知，物联网概念在美国诞生，作为新一代信息技术的重要组成部分，物联网系统是通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品组成一个感知网络与互联网相连接，进行信息交换和通信的系统架构。图1所示为物联网体系架构。
图1 物联网体系架构
从物联网的体系架构中，我们可以看到在感知层和网络层两个不同的网络之间需要一个中间设备：物联网网关。
物联网的接入方式是多种多样的，物联网网关设备是最适合将多种接入手段整合起来，统一互联到接入网络的关键设备，网关可满足局部区域短距离通信的接入需求，实现与公共网络的连接，同时完成转发、控制、信令交换和编解码等功能，而终端管理、安全认证等功能保证了物联网业务的质量和安全。网联网网关可以实现感知延伸网络与接入网络，以及不同类型感知延伸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。
2 智能化物联网网关应具备的能力
归纳起来高度智能化物联网网关应具备以下能力：
2.1 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WSNs技术就包括Lonworks、ZigBee、 6LowPAN、RUBEE等。从网关所处的位置可以看出，网关需要具备接入多种现有通信网的能力，这些通信网包括2G/3G/4G移动通信网络、无线局域网、有线网络。因此，网关必须具备相应网络的接口和软硬件的接入能力。现在国内外已经在展开针对物联网网关进行标准化工作，如3GPP、传感器工作组，实现各种通信技术标准的互联互通。
2.2 强大的管理能力
管理对于任何大型网络都是必不可少的。首先要对网关进行管理，如注册管理、权限管理、状态监管等。网关实现子网内的节点的管理，如获取节点的标识、状态、属性、能量等，以及远程实现唤醒、控制、诊断、升级和维护等。由于子网的技术标准不同，协议的复杂性不同，所以网关具有的管理性能力不同。提出基于模块化物联网网关方式来管理不同的感知网络、不同的应用，保证能够使用统一的管理接口技术对末梢网络节点进行统一管理。
2.3 协议转换能力
从不同的感知网络到接入网络的协议转换，将下层的标准格式的数据统一封装，保证不同的感知网络的协议能够变成统一的数据和信令；将上层下发的数据包解析成感知层协议可以识别的信令和控制指令。
能处理如此繁多复杂的不同类型工作的高智能化设备，需要有很强的研发设计能力和针对不同行业应用的深厚实践经验。
3 水产养殖物联网系统架构和功能
下面就上海辰汉电子在水产养殖方面的具体例子，介绍物联网网关的研发设计和功能。
随着物联网技术迅速发展，基于物联网的设施渔业信息化已经成为设施渔业生产向集约、高产、高效、优质方向发展的重要推动力。设计中的水产养殖物联网架构如图2所示。
图2 水产养殖物联网架构
物联网利用ZigBee无线网络技术组成无线传感器网络，感知养殖场的水质情况，例如温度、溶解氧浓度、PH值等，将这些数据实时发送至物联网网关。网关将养殖场的环境数据利用3G模块（或GPRS模块）发送至控制中心的服务器，服务器利用专家系统依据水产品的生长模型结合人工智能技术向网关发送控制指令，网关依控制指令利用控制箱驱动电机采取动作，调节养殖场的水产品的生长环境，从而利于水产品生长。物联网网关留有摄像头接口，能够根据用户需求将生产现场的图片或者视频发至控制中心服务器，服务器上部署软件并接入Internet网络，用户可以利用个人电脑或者手机登录到服务器，查询养殖水域内外环境数据、浏览生产现场图片、观看现场视频，还可以远程控制各种生产设备。当养殖场环境异常时，除了服务器中的专家系统发出指令驱动电机调节环境（如增氧机增加溶解氧），控制中心的告警箱也能够发出声光告警，服务器向相关人员发出告警短信。控制中心内的显示器（或者大屏幕）上能够显示各个传感器的工作状态、读数、现场图片等信息。因此，物联网技术能够实现设施渔业养殖的动态实时监管、数据统计分析、科学决策、预警及风险控制、专家咨询等生产过程的科学化、数字化。
水产养殖物联网网关设计从水产养殖物联网架构可以看出网关是物联网核心设备。网关的设计包括两部分：硬件设计和软件设计。
（1）网关硬件设计。网关中的处理器采用ARM Cortex-A8。该处理器的主频可以达到1 GHz以上，处理能力很强。网关配置512 MB DDR3内存以及4 GB NANDFlash，运行Adroid2.3系统。根据物联网的组网要求，网关具备10/100M以太网接口、内置无线WiFi模块、用于连接3G/GPRS模块的USB接口以及用于连接传感网协调器的串行口。为了获取视频或者图像，网关具备模拟视频接口。网关还带有液晶显示屏以及HDMI接口，HDMI接口可以接高清大屏幕。
（2）网关软件设计。根据网关的功能，网关的软件包括接入配置管理模块、ZigBee传感网通信及控制模块、协议转换模块、图像处理模块、显示模块、故障处理模块。接入配置管理模块用于对多种接入方式的配置和管理，这些接入方式包括有线以太网接入、无线局域网接入、3G/GPRS无线接入。ZigBee传感网通信及控制模块通过串行口与ZigBee协调器通信，获取传感网的数据，控制传感网的网络运行。协议转换模块解决传感网与后台服务器之间的通信协议转换，保证传感网数据能够正确发往服务器，服务器发来的指令能够能被正确发往传感网并可靠执行。图像处理模块能够获取摄像头传来的图像，并压缩编码，一方面在本地进行存储，另一方面发向服务器。显示模块将各种信息送向液晶屏和HDMI高清大屏幕。故障处理模块则将传感网以及网关设备本身的各种故障进行记录并发送告警信息。
除智慧农业外，高智能化物联网网关还将广泛应用于智慧城市、智能电网、智慧医疗、智能交通等各行各业。物联网网关在未来的物联网时代将会扮演着非常重要的角色。
关键词：物联网；网关；智能化；水产养殖
1 物联网网关
互联网的普及，使很多了解互联网的人都知道网关这么一个名词，网关（Gateway）就是一个网络连接到另一个网络的“关口”。在Internet网中，网关是一种连接内部网与Internet上其他网的中间设备，也称路由器。
众所皆知，物联网概念在美国诞生，作为新一代信息技术的重要组成部分，物联网系统是通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品组成一个感知网络与互联网相连接，进行信息交换和通信的系统架构。图1所示为物联网体系架构。
图1 物联网体系架构
从物联网的体系架构中，我们可以看到在感知层和网络层两个不同的网络之间需要一个中间设备：物联网网关。
物联网的接入方式是多种多样的，物联网网关设备是最适合将多种接入手段整合起来，统一互联到接入网络的关键设备，网关可满足局部区域短距离通信的接入需求，实现与公共网络的连接，同时完成转发、控制、信令交换和编解码等功能，而终端管理、安全认证等功能保证了物联网业务的质量和安全。网联网网关可以实现感知延伸网络与接入网络，以及不同类型感知延伸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。
2 智能化物联网网关应具备的能力
归纳起来高度智能化物联网网关应具备以下能力：
2.1 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WSNs技术就包括Lonworks、ZigBee、 6LowPAN、RUBEE等。从网关所处的位置可以看出，网关需要具备接入多种现有通信网的能力，这些通信网包括2G/3G/4G移动通信网络、无线局域网、有线网络。因此，网关必须具备相应网络的接口和软硬件的接入能力。现在国内外已经在展开针对物联网网关进行标准化工作，如3GPP、传感器工作组，实现各种通信技术标准的互联互通。
2.2 强大的管理能力
管理对于任何大型网络都是必不可少的。首先要对网关进行管理，如注册管理、权限管理、状态监管等。网关实现子网内的节点的管理，如获取节点的标识、状态、属性、能量等，以及远程实现唤醒、控制、诊断、升级和维护等。由于子网的技术标准不同，协议的复杂性不同，所以网关具有的管理性能力不同。提出基于模块化物联网网关方式来管理不同的感知网络、不同的应用，保证能够使用统一的管理接口技术对末梢网络节点进行统一管理。
2.3 协议转换能力
从不同的感知网络到接入网络的协议转换，将下层的标准格式的数据统一封装，保证不同的感知网络的协议能够变成统一的数据和信令；将上层下发的数据包解析成感知层协议可以识别的信令和控制指令。
能处理如此繁多复杂的不同类型工作的高智能化设备，需要有很强的研发设计能力和针对不同行业应用的深厚实践经验。
3 水产养殖物联网系统架构和功能
下面就上海辰汉电子在水产养殖方面的具体例子，介绍物联网网关的研发设计和功能。
随着物联网技术迅速发展，基于物联网的设施渔业信息化已经成为设施渔业生产向集约、高产、高效、优质方向发展的重要推动力。设计中的水产养殖物联网架构如图2所示。
图2 水产养殖物联网架构
物联网利用ZigBee无线网络技术组成无线传感器网络，感知养殖场的水质情况，例如温度、溶解氧浓度、PH值等，将这些数据实时发送至物联网网关。网关将养殖场的环境数据利用3G模块（或GPRS模块）发送至控制中心的服务器，服务器利用专家系统依据水产品的生长模型结合人工智能技术向网关发送控制指令，网关依控制指令利用控制箱驱动电机采取动作，调节养殖场的水产品的生长环境，从而利于水产品生长。物联网网关留有摄像头接口，能够根据用户需求将生产现场的图片或者视频发至控制中心服务器，服务器上部署软件并接入Internet网络，用户可以利用个人电脑或者手机登录到服务器，查询养殖水域内外环境数据、浏览生产现场图片、观看现场视频，还可以远程控制各种生产设备。当养殖场环境异常时，除了服务器中的专家系统发出指令驱动电机调节环境（如增氧机增加溶解氧），控制中心的告警箱也能够发出声光告警，服务器向相关人员发出告警短信。控制中心内的显示器（或者大屏幕）上能够显示各个传感器的工作状态、读数、现场图片等信息。因此，物联网技术能够实现设施渔业养殖的动态实时监管、数据统计分析、科学决策、预警及风险控制、专家咨询等生产过程的科学化、数字化。
水产养殖物联网网关设计从水产养殖物联网架构可以看出网关是物联网核心设备。网关的设计包括两部分：硬件设计和软件设计。
（1）网关硬件设计。网关中的处理器采用ARM Cortex-A8。该处理器的主频可以达到1 GHz以上，处理能力很强。网关配置512 MB DDR3内存以及4 GB NANDFlash，运行Adroid2.3系统。根据物联网的组网要求，网关具备10/100M以太网接口、内置无线WiFi模块、用于连接3G/GPRS模块的USB接口以及用于连接传感网协调器的串行口。为了获取视频或者图像，网关具备模拟视频接口。网关还带有液晶显示屏以及HDMI接口，HDMI接口可以接高清大屏幕。
（2）网关软件设计。根据网关的功能，网关的软件包括接入配置管理模块、ZigBee传感网通信及控制模块、协议转换模块、图像处理模块、显示模块、故障处理模块。接入配置管理模块用于对多种接入方式的配置和管理，这些接入方式包括有线以太网接入、无线局域网接入、3G/GPRS无线接入。ZigBee传感网通信及控制模块通过串行口与ZigBee协调器通信，获取传感网的数据，控制传感网的网络运行。协议转换模块解决传感网与后台服务器之间的通信协议转换，保证传感网数据能够正确发往服务器，服务器发来的指令能够能被正确发往传感网并可靠执行。图像处理模块能够获取摄像头传来的图像，并压缩编码，一方面在本地进行存储，另一方面发向服务器。显示模块将各种信息送向液晶屏和HDMI高清大屏幕。故障处理模块则将传感网以及网关设备本身的各种故障进行记录并发送告警信息。
除智慧农业外，高智能化物联网网关还将广泛应用于智慧城市、智能电网、智慧医疗、智能交通等各行各业。物联网网关在未来的物联网时代将会扮演着非常重要的角色。