面向水產養殖應用的物聯網網關研究與設計

楊 浩 古 雄 孟慶民

（1.南京郵電大學電子科學與工程學院 江蘇 南京 210003；2.南京郵電大學通信與信息工程學院 江蘇 南京 210003）

0 引言

隨著信息技術的不斷發展，物聯網作為新一代信息技術的重要組成部分，它被稱為繼計算機、互聯網之后世界信息產業的第三次浪潮[1]。作為正在不斷增加其內涵與外延的新概念，國內外對物聯網及相關物聯網工程的定義有多種，傳感、通信、網絡等各個領域的學者都從自身角度去闡述和放大物聯網定義。2005國際電信聯盟（ITU）發布了《ITU互聯網報告2005：物聯網》，正式提出“物聯網（Internet of Things,IoT）”的概念[2]。物聯網是通過安裝在物體上的射頻識別 （Radio Frequency Identification,RFID）裝置、紅外線感應器、全球定位系統（Global Position System,GPS）、激光掃描儀以及各種傳感器，能夠在任何時間、任何地點、任何物體之間進行信息交換和通信，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡[3]。

物聯網是物聯化、互聯化、智能化的網絡，能夠將信息獲取的觸角延伸至物理世界的每一個角落，并通過信息網絡實現更廣域的互聯互通。如果將物聯網技術充分運用到各行各業，能夠實現人類社會和物理系統的整合，從而以更加精細和動態的方式管理生產，不僅能夠大幅度提高工作效率，而且給人們的工作和生活帶來便利，必將有力推動國民經濟的發展[4]。

1 物聯網研究概述

2005年國際電信聯盟（ITU）發布了《ITU互聯網報告2005：物聯網》，它對物聯網的概念進行了闡釋，并且基于網絡理論論述了物聯網的技術架構。在我國，2009年溫總理在無錫視察時提出要大力發展物聯網技術，物聯網發展拉開序幕。從此，政府、學界、企業界紛紛響應，目前已經在物聯網的概念、內涵、相關技術研究、示范基地建設等方面取得很多進展。

物聯網雖然不是互聯網，但是物聯網與互聯網是密不可分的。物聯網的核心和基礎仍然是互聯網，它是在互聯網基礎上的延伸和擴展。然而，物聯網將網絡連接延伸到任何物體之間，物聯網比互聯網更為龐大。這些物體通過各種信息傳感設備與互聯網連接在一起，進行更為復雜的信息交換和通信[5]。因此，物聯網的發展目標是：全面感知、可靠傳送及智能處理[4]。

物聯網的基本體系架構主要由三層構成：感知層、網絡層和應用層[6]，如圖1所示。

感知層是物聯網發展和應用的基礎，本層由各種具有感知能力的設備組成，物聯網中由本層負責物體的識別和信息采集，實現全面感知的功能。

圖1 物聯網基本體系架構

網絡層由各種通信網絡和互聯網融合而成，本層負責將感知到的數據進行分類、匯聚、處理，并能夠可靠傳輸出去。

應用層則將物聯網技術與各種行業專業技術相結合，為不同的用戶提供各種應用，例如智能交通、環境保護、公共安全、平安家居、工業監測、個人健康、軍事偵察等。

2 物聯網網關

物聯網感知層存在大量的傳感器，這些傳感器組成許多傳感器網絡，而傳感器網絡感知的數據又需要傳遞到網絡層，由網絡層的廣域網絡傳送出去。因此，網關在物聯網時代將扮演非常重要的角色，利用物聯網網關可以實現傳感器網絡與廣域網之間的協議轉換，從而實現信息廣域互聯。網關在物聯網架構中所處的位置如圖2所示。

在互聯網中，網關又稱網間連接器或協議轉換器，它工作于傳輸層，用于兩個高層協議不同的網絡互連[7]。在物聯網中，網關主要用于無線傳感網與現有通信網絡的互聯。作為連接傳感器網絡和傳統通信網絡的橋梁，物聯網網關應具有如下功能[8]：

a.多種接入能力：從圖2中網關所處的位置可以看出，網關需要具備接入多種現有通信網的能力，這些通信網包括：2G/3G/4G移動通信網絡、無線局域網、有線網絡。因此，網關必須具備相應網絡的接口和軟硬件的接入能力。

b.協議轉換能力：物聯網中傳統網絡和傳感器網絡需要相互交換信息，物聯網網關需要在它們之間提供協議轉換能力。這種能力不僅包括將不同的感知層協議通過協議適配后，轉換為格式統一的數據和控制信令，而且包括在感知層網絡和互聯網之間進行協議轉換，保證數據和控制指令穿透各種網絡可靠傳輸。

c.可管理能力：對于任何網絡而言，管理能力是必不可少的。特別對通常用于無人值守環境下的無線傳感網，管理能力尤為重要。物聯網網關需要對無線傳感網中的傳感節點、路由器等設備進行管理，同時它也需要對網關設備進行管理。前者負責獲取傳感器節點的標識、狀態、屬性等，并且實現遠程啟動、關閉、控制和分析等功能；后者負責網關設備的注冊管理、診斷管理、配置管理、升級維護等。

3 面向水產養殖應用的物聯網網關設計

3.1 水產養殖物聯網系統架構和功能

隨著物聯網技術迅速發展，基于物聯網的設施漁業信息化已經成為設施漁業生產向集約、高產、高效、優質方向發展的重要推動力。設計中的水產養殖物聯網架構如圖3所示。

圖3 水產養殖物聯網

物聯網利用ZigBee無線網絡技術組成無線傳感器網絡，感知養殖場的水質情況，例如溫度、溶解氧濃度、PH值等，將這些數據實時發送至物聯網網關。網關將養殖場的環境數據利用3G模塊（或GPRS模塊）發送至控制中心的服務器，服務器利用專家系統依據水產品的生長模型結合人工智能技術向網關發送控制指令，網關依控制指令利用控制箱驅動電機采取動作調節養殖場的水產品的生長環境，從而利于水產品生長。

物聯網網關留有攝像頭接口，能夠根據用戶需求將生產現場的圖片或者視頻發至控制中心服務器，服務器上部署軟件并接入Internet網絡，用戶可以利用個人電腦或者手機登錄到服務器，查詢養殖水域內外環境數據、瀏覽生產現場圖片、觀看現場視頻，還可以遠程控制各種生產設備。當養殖場環境異常時，除了服務器中的專家系統發出指令驅動電機調節環境（如增氧機增加溶解氧），控制中心的告警箱也能夠發出聲光告警，服務器向相關人員發出告警短信。控制中心內的顯示器（或者大屏幕）上能夠顯示各個傳感器的工作狀態、讀數、現場圖片等信息。因此，物聯網技術能夠實現設施漁業養殖的動態實時監管、數據統計分析、科學決策、預警及風險控制、專家咨詢等生產過程的科學化、數字化。

3.2 水產養殖物聯網網關設計

從水產養殖物聯網架構可以看出網關是物聯網核心設備。網關的設計包括兩部分：硬件設計和軟件設計。

a.網關硬件設計

網關中的處理器采用ARM Cortex-A8，具體型號是TCC8801。該處理器的主頻可以達到1GHz以上，處理能力很強。網關配置512MB DDR3內存以及4GB NAND Flash，運行Adroid 2.3.4系統。

根據物聯網的組網要求，網關具備10/100M以太網接口、內置無線WiFi模塊、用于連接3G/GPRS模塊的USB接口以及用于連接傳感網協調器的串行口。為了獲取視頻或者圖像，網關具備模擬視頻接口。網關還帶有液晶顯示屏以及HDMI接口，HDMI接口可以接高清大屏幕。

b.網關軟件設計

根據網關的功能，網關的軟件包括：接入配置管理模塊、ZigBee傳感網通信及控制模塊、協議轉換模塊、圖像處理模塊、顯示模塊、故障處理模塊。

接入配置管理模塊用于對多種接入方式的配置和管理，這些接入方式包括有線以太網接入、無線局域網接入、3G/GPRS無線接入。ZigBee傳感網通信及控制模塊通過串行口與ZigBee協調器通信，獲取傳感網的數據，控制傳感網的網絡運行。協議轉換模塊解決傳感網與后臺服務器之間的通信協議轉換，保證傳感網數據能夠正確發往服務器，服務器發來的指令能夠能被正確發往傳感網并可靠執行。圖像處理模塊能夠獲取攝像頭傳來的圖像，并壓縮編碼，一方面在本地進行存儲，另一方面發向服務器。顯示模塊將各種信息送向液晶屏和HDMI高清大屏幕。故障處理模塊則將傳感網以及網關設備本身的各種故障進行記錄并發送告警信息。

4 結束語

物聯網是一個龐大而復雜的系統，它發展至今還沒有一個統一的建設標準和規范。隨著物聯網技術的發展，物聯網各行各業由專用化、特殊化向標準化的過渡已經成為必然趨勢。物聯網網關作為傳統通信網絡與傳感網絡連接的橋梁，更是影響未來物聯網發展的關鍵技術。本文所提出的面向水產養殖應用的物聯網網關設計，將為農業物聯網網關設計和開發提供有力的技術支持。

[1]金永生,應江勇.基于電信運營商視角的物聯網定義及技術發展趨勢分析[J].移動通信,2012(11):14-19.

[2]ITU.ITU Internet Reports 2005:The Internet of Things[R].2005.

[3]何立民.物聯網概述第1篇：什么是物聯網[J].單片機與嵌入式系統應用,2011(10):79-81.

[4]李遵白,吳貴生.基于技術路線圖的物聯網產業布局研究[J].企業經濟,2011(6):10-14.

[5]陳程.傳感器網絡在物聯網家庭網關中的接入和數據聚合[D].重慶大學,2011.

[6]李真,宋朝陽.物聯網技術發展及應用研究[J].軟件,2012,33(6):125-127.

[7]Tim Parker,Mark Sportack.TCP/IP 技術大全[M].前導工作室,譯.北京:機械工業出版社，2001.

[8]羅俊海,周應賓,鄧宵博.物聯網網關系統設計[J].電信科學,2011(2):105-110.