物聯網2.0時代的新一代網關技術探究

陳 勇

物聯網2.0時代的新一代網關技術探究

陳 勇

（南京龍淵微電子科技有限公司，南京211106）

目前的物聯網網關基本采取的是一種比較傳統的數據轉發或協議轉換模式，硬件采用通用的ARM處理器，缺乏自主產權。為了大力發展物聯網，本文利用自主產權的物聯網國產龍芯1B核心處理器，研究通識平臺的物聯網網關，融合了各種物聯網通信標準，跨越了物聯網信息壁壘，并深入研究了云平臺數據處理的高度智能化網關技術。

物聯網2.0；網關；龍芯1B處理器；通信模塊

引 言

通過龍芯公司自主研發的基于未來網絡特征的物聯網融合網關，在未來物聯網發展過程中占據重要地位，使我國物聯網技術處于國際前沿領導位置。本文主要闡述物聯網網關是新一代網絡和信息技術的深度應用，體現了信息化與工業化的深度融合，更通過云計算、物聯網、互聯網的集成應用，實現了智能設備的自我配置、自我維持、自我修復機制，以及完成相互之間的信息自主連接、自主交互。該網關的核心是如何將6LoWPAN、WIFI、GPRS［1］等無線通信模塊自適應地融合，將這些復雜的通信數據（比如HTTP、Telnet、FTP、TCP/IP、HTP等）打包成統一的格式連接到Internet網絡上，實現傳輸的統一管理。

1　新一代物聯網網關模塊介紹

1.1龍芯1B國產微處理器

龍芯1B國產微處理器是龍芯系列網關主芯片模塊，該模塊是整個系統的核心部分，CPU采用龍芯1B型號，主頻為266 M Hz，32位超標量處理器核，具有1 GB的DDR2或者SDRAM和8/16 MB的SPI Flash，支持各種SPI、I2C、UART、I2S等總線接口。該設備負責收集各個功能模塊的數據，然后打包為統一的格式，通過Internet傳輸到服務器上。網關的操作系統采用網絡化的嵌入式Linux，它是一種開源的嵌入式實時操作系統，特別適用于網絡應用，很容易在其基礎上開發自己的應用程序［2］。

1.2射頻發射模塊

采用CC2538射頻收發器來實現網絡節點通信模塊的功能。CC2538是TI公司推出的符合2.4 GHz IEEE 802.15.4標準的射頻收發器，只需極少外部元器件，性能穩定且功耗極低。利用此芯片開發的無線通信設備支持的數據傳輸速率高達250 kbps，可以實現多點對多點的快速組網［3］。CC2538的主要性能參數如下：

①工作頻帶范圍為2.400～2.483 5 GHz；

②采用IEEE 802.15.4規范要求的直接序列擴頻方式，QPSK調制方式；

③超低電流消耗（Rx為19.7 m A，Tx為17.4 m A），高接收靈敏度（-94 dBm）；

④抗鄰頻道干擾能力強（39 dB）；

⑤IEEE 802.15.4 MAC層硬件可支持自動幀格式生成、16位CRC校驗、電源檢測、完全自動MAC層安全保護，其MAC層的幀格式為頭幀+數據幀+校驗幀，PHY層的幀格式為同步幀+PHY頭幀+MAC幀，幀頭序列的長度可以通過寄存器的設置來改變。

⑥與控制微處理器的接口配置容易（4總線SPI接口）。

2　新一代網關的工作原理

2.1新一代網關電路圖

新一代網關電路圖如圖1所示。

圖1　網關電路圖

2.2新一代物聯網網關程序代碼

RF的軟件設計最主要的是CC2538數據收發的應用程序。CC2538的數據收發采用中斷方式處理：當CC2538收到節點的RF信號時，在主循環中進行軟件置位，接收中斷響應，啟動函數hal_RFReceivePacket接收數據，存入緩沖區，并發送給龍芯1B芯片，完成RF數據接收過程的通信；當CC2538接到龍芯1B芯片發送的數據或命令信息時，在主循環中啟動函數hal_RFSend Packet發送數據，從而完成數據發送任務。CC2538接收節點的RF信號的程序示例如下：

BYTE hal_RFReceiveP acket（BYTE*p Data，BYTE p Rssi，BYTE p Lqi，BYTEtimeOut）｛

BYTEi；

ISFLUSHRX； //確定接收緩沖區為0

ISFLUSHRX； //再次確認重置SFD位

RFIF&=-IRQ_FIFOP；//進入接收狀態

Length=（RFD&0x7F）；//存儲數據

for（i=0；i＜（1ength-2）；i++）｛

p Data［i］=RFD；

｝

p Rssi=RFD； //接收信號的強度指示值

p Lqi=RFD； //CRC校驗值

if（*p Lqi&0x80）｛//校驗值正確，則進入下一個數據的接收//不正確，則返回

｝

｝

2.3與GPRS模塊的對比優勢

GPRS是通用分組無線業務（General Packet Radio Service）的英文簡稱，是在現有GSM系統上發展出來的一種新的承載業務，目的是為GSM用戶提供分組形式的數據業務。GPRS采用與GSM同樣的無線調制標準、同樣的頻帶、同樣的突發結構、同樣的跳頻規則以及同樣的TDMA幀結構，這種新的分組數據信道與當前電路交換的話音業務信道極其相似。因此，現有的基站子系統（BSS）從一開始就可提供全面的GPRS覆蓋［4］。GPRS允許用戶在端到端分組轉移模式下發送和接收數據，而無需利用電路交換模式的網絡資源，從而提供了一種高效、低成本的無線分組數據業務，特別適用于間斷的、突發性的或頻繁的、少量的數據傳輸。GPRS理論帶寬可達171.2 kbps，實際應用帶寬大約在40～100 kbps，在此信道上提供TCP/IP連接，可以用于Internet連接、數據傳輸等應用［5］。

本文使用的是GPRS多點網絡傳輸，示意圖如圖2所示。

圖2 GPRS多點網絡傳輸

圖2未包括用戶鑒權等數據，參考《900/1800 M Hz TDMA數字蜂窩移動通信網通用分組無線業務（GPRS）設備技術要求：移動臺》。

本網關通過向ttyS1口發送AT指令與GPRS模塊通信，作為一種調制解調器語言，AT命令用于SIM900A模塊的主處理器與無線上網卡的數據交互。AT命令必須以AT或at作為前綴，以回車＜CR＞作為結尾。

TCP連接的操作步驟如下：

①發送指令：AT+CPIN？查詢模塊是否設置PIN碼，返回+CPIN：READY OK；

②發送指令：AT+CSQ，查詢天線信號質量，返回+CSQ：29，0 OK；

③發送指令：AT+CGREG？查看模塊是否注冊網絡，返回+CGREG：0，1 OK；

④發送指令：AT+CGATT？查看模塊是否附著GPRS網絡，返回+CGATT：1 OK；

⑤發送指令：AT+CSTT，設置APN，返回OK；

⑥發送指令：AT+CIICR激活移動場景，返回OK；

⑦發送指令：AT+CLPORT="TCP"，"2000"，設置本機的端口號為2000；

⑧發送指令：AT+CIFSR，獲取本地IP地址，返回激活的本地IP地址；

⑨發送指令：AT+CIPSTART="TCP"，"http：// www.baidu.com"，8086，表示連接百度網絡，建立TCP/ IP連接，端口是8086，返回CONNECT OK。這樣就與指定的網絡建立了連接，可以發送數據了，在每次發送數據的時候，首先發送AT+CIPSEND，此時模塊會返回＞，此后就是要發送的數據；

⑩發送指令：AT+CIPCLOSE=1，關閉當前TCP連接，再發送AT+CIPSHUT，關閉場景。

3　新一代物聯網網關與lnternet的無縫融合

3.16LoWPAN與lnternet網絡

6LoWPAN是一種低功耗的無線網狀網絡，其中每個節點都有自己的IPv6地址，允許其使用開放標準直接連接到互聯網。6LoWPAN技術是一種在IEEE 802.15.4標準基礎上傳輸IPv6數據包的網絡體系，可用于構建無線傳感器網絡［6］。6LoWPAN規定其物理層和MAC層采用IEEE 802.15.4標準，上層采用TCP/IPv6協議棧，其與TCP/IP對比的參考模型如圖3所示。

圖3　6LoWPAN與lnternet網絡對比

6LoWPAN協議棧參考模型與TCP/IP的參考模型大致相似，區別在于6LoWPAN底層使用的是IEEE 802.15.4標準，而且因低速無線個域網的特性，在6LoWPAN的傳輸層沒有使用TCP協議。本文中CC2538采用的是基于6LoWPAN的協議棧，最為重要的是6LoWPAN是基于IP層的應用。

本項目中使用了基于時空約束的組播路由算法。基于時空約束的組播路由Mobicast（Just-in-Time multicast for sensor networksunder spatiotemporal constraints）認為信息具有時間和空間的約束，是一種基于時空約束（Spatiotemporal Constraints）條件下的組播算法，為了持續監視移動的物體，無線傳感器網絡需要維持一個動態的傳感器組，該傳感器組和移動物體有相同的移動速率。Mobicast的主要思想是利用一種網絡拓撲感知（Topology-aware）技術，通過構造一個動態的前向區域（Forwarding Zone）來將實時信息（Just- in-Time information）發送到網絡中某個轉發區域（Delivery Zone）內的所有節點。只有靠近被監測物體的傳感器才處于激活狀態，而如果保持整個網絡的傳感器處于激活狀態，則會造成網絡巨大的能量開銷。如戰場上敵軍的位置信息只在特定時間對特定威脅范圍內的友軍有效，超過這個范圍的友軍無須了解這一信息，因此，只將信息在此有效信息區域內洪泛［7］。

轉發區域（Deliverv Zone）由實際應用所規定，它是把信息轉發到應用發生的區域。前向區域限制FZC（Forward Zone Constrained）組播協議創建并運用了“前向區域”，處在轉發區域前一段距離移動，稱前向區域和其有關的轉發區域之間的距離為“間隔距離（Headway Distance）”。前向區域的形狀與轉發區域的形狀有關，也和網絡的拓撲結構有關。間隔距離的選擇和前向區域的大小必須保證進入轉發區域的所有節點將預先接收到Mobicast信息。前向區域限制FZC組播算法分為兩個階段：第一階段是初始化階段，節點試圖“追上”Mobicast的時間和空間要求，處在前向區域軌道上的節點第一次接收到信息就盡可能快速地轉播該信息，這一階段持續到在距離轉發區域前處的一個穩定前向區域建立后停止；第二部分是巡游階段，前向區域和轉發區域以相同的速率移動，當轉發區域和前向區域的間隔距離穩定時表示協議進入了這一階段。

3.2與lnternet網絡的融合協議

無論是ZigBee、GPRS還是6LoWPAN，最終都要通過Internet協議連接到互聯網上。本文采用通用的HTTP協議傳輸這些網絡數據信息。

HTTP協議即超文本傳送協議（Hypertext Transfer Protocol），是Web聯網的基礎，也是手機聯網常用的協議之一，HTTP協議是建立在TCP協議之上的一種應用［8］。

HTTP連接最顯著的特點是客戶端發送的每次請求都需要服務器回送響應，在請求結束后，會主動釋放連接。從建立連接到關閉連接的過程稱為“一次連接”。在HTTP 1.0中，客戶端的每次請求都要求建立一次單獨的連接，在處理完本次請求后，就自動釋放連接；在HTTP 1.1中，則可以在一次連接中處理多個請求，并且多個請求可以重疊進行，不需要等待一個請求結束后再發送下一個請求。

由于HTTP在每次請求結束后都會主動釋放連接，因此HTTP連接是一種“短連接”，要保持客戶端程序的在線狀態，需要不斷地向服務器發起連接請求。通常的做法是即使不需要獲得任何數據，客戶端也保持每隔一段固定的時間向服務器發送一次“保持連接”的請求，服務器在收到該請求后對客戶端進行回復，表明知道客戶端“在線”。若服務器長時間無法收到客戶端的請求，則認為客戶端“下線”；若客戶端長時間無法收到服務器的回復，則認為網絡已經斷開。

下面是使用C語言實現的HTTP協議的部分代碼：

結 語

本文就未來網絡討論了ZigBee、6Low PAN、GPRS以及Internet中HTTP的通信方式。著重介紹了ZigBee、6LoWPAN、GPRS、HTTP多網融合的技術以及無線路由的協議算法。其路由協議設計的首要目標是有效節約能源，延長網絡生命周期。本文還研究了關于未來網絡的體系結構和路由協議的特點，分層路由提高了網絡的

New-generation Gateway Technology in the Era of loT2.0

Chen Yong
（Nanjing Longyuan Microelectronics Technology Co.，Ltd.，Nanjing 211106，China）

At present，the internet of things gateway basically takes the traditional data forwarding or protocol conversion mode，and the hardware adopts general ARM processor，which leds to the lack of independent property right.In order to develop the internet of things，the Loongson 1B processor is used to research the general platform of Io T gateway，which converges of the various internet of things communication standards，and acrosses the information barriers.The cloud data processing of highly intelligent gateway technology is researched.

Io T 2.0；gateway；Loongson 1B processor；communication module

TP393.1

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