基于嵌入式平台的物联网网关关键技术研究

刘玉兰 王彦卿 宋健男

（哈尔滨石油学院，黑龙江 哈尔滨 150036）

基于嵌入式平台的物联网网关关键技术研究

刘玉兰 王彦卿 宋健男

（哈尔滨石油学院，黑龙江 哈尔滨 150036）

物联网网关是实现传感网和通信网络连接的重要桥梁，在当前快速发展的物联网时代被广泛应用。而在当前基于嵌入式平台建立的物联网网关已经逐渐成为当前重要的物联网网关发展与研究方向。本文简要分析了物联网网关结构，并以此为基础探讨了基于嵌入式平台的物联网网关设计中的关键技术，以期为广大物联网研究人员提供技术参考。

嵌入式；物联网；网关；关键技术

1 引言

随着物联网时代的不断发展，物联网网关已经逐渐发挥出其巨大的作用，为多个行业提供了方便。其在实际应用中能够感知相关的网络与通信网络，实现多种感知网络间协议的相互转换，既能够满足广域互联要求，也能满足局域互联的要求。特别是在无线传感网当中，物联网网关更是十分重要的核心设备之一。并且在这种情况下，物联网网关不仅需要完成上述工作，还应具备设备管理能力，针对底层多个感知节点展开管理，实现远程控制。

2 物联网网关结构分析

通常情况下，物联网的主要结构都涵盖了三个主要部分，即由上至下分为应用层、支撑数据传输的网络层以及数据感知层。其中，数据感知层在工作时需要借助多种传感器、射频识别以及智能终端等传感装置来就需要管理的信息进行全面的采集并汇总。网络层的主要工作职能为传输来自数据感知层的信息，其是以互联网技术、通信技术作为实现基础的，该结构的设置改变了传统网关结构中难以实现数据的长距离输送的问题。应用层是物联网的核心结构，其主要是接收网络层传递的数据，并就相关数据进行整理与分析，从而针对性地开展相应的服务工作。而本文所研究的物联网网关也是物联网中的一部分，其主要存在于物联网的感知层与网络层中间，其主要的工作职能是对物联网中的传感网与通信网络进行连接，同时还承担着相应的管理作用，实现对传感网中的多个节点的科学管理。在物联网发展过程中，当前已经出现了多种类型的通信网络，且不同通信网络之间都有着明显的区别，而物联网网关也针对这种现象在不断改进，实现了自身的接入能力的扩充，可在实际应用中将不同结构的网络进行有机整合。

3 基于嵌入式平台的物联网网关关键技术分析

3.1 物联网网关关键技术之嵌入式技术

嵌入式技术的应用主要是指设计人员依靠嵌入式系统的设计来完成特定的功能。通常情况下，物联网网关中的嵌入式系统主要包括处理器、外围设备、操作系统以及应用输出等部分。其中，处理器是该系统中最为主要的结构，在系统工作中承担程序运行保证与系统数据处理的工作。系统的外围设备数量较多，并不局限于某一特定的部分，其广泛包括了系统中实现通讯、存储以及调试等辅助作用的系统部分。操作系统则是实现系统内终端处理、任务通信以及信息的存储与分配工作的重要部件，能实现多任务的分配与处理，为系统的正常运行提供保障与方便。应用输出部分则主要是指在系统进行数据分析之后将任务命令传输至该平台时，根据指示开展与完成任务。

技术人员在进行该技术应用时应当注意以下几方面：其一，将该技术运用于系统的特定任务当中，且相关任务通常表现为实时性的特征；其二，充分发挥嵌入式技术和网关软硬件之间的关联性，当任意一方需要进行升级换代时都需带动另一方进行同时的升级换代；其三，技术人员在运用该技术时还应当尽可能实现成本控制，但是这都应当建立在系统正常稳定运行的基础上，将不重要的硬件资源进行删除或者进行简化。其四，部分嵌入式系统的运行能量获得是通过电池供电来实现，所以，为保证该系统能得到长时间不间断的运用，技术人员应当注重系统的低功耗设计，控制系统热量的散发。

3.2 物联网网关关键技术之多信号协议处理技术

物联网网关在实际工作过程中需要承担大量信号协议处理工作，并且还需要接受来自应用层的访问以及控制感知层操作，所以其迫切需要信号处理器来帮助自身实现多种工作的同时处理。常见的信号处理器为信息转换器，其可辅助网关直接在硬件上进行相应的信号转换。而为实现物联网网关更加灵活地运行，其还应当建立完善的多协议处理机制，该机制在运用中能够快速地对来自多种协议设备的数据进行处理，并将相关数据进行转换，使其成为对应的数据格式并向外发送，确保网关能够进行异构感知网络的正常接入与通信实现。以下具体分析该处理机制的重要应用价值。

(1)物联网网关异构感知网络接入

物联网的感知层在进行数据收集与上传的过程中需要经过物联网网关，而网关则需要就相关数据协议进行解析。但是系统所涵盖的传感设备数量庞大且存在一定差异，并且相关传感设备在运用中大都是通过短距离通信技术来实现的，且相关通信技术主要涵盖了Zigbee、CAN、RS485等多种技术类型。其中，Zigbee技术的应用成本较低、能量消耗较小且操作较为简单，所以该技术得以广泛应用，在同一个网络当中可以同时与255个该设备进行连接。而CAN技术在实际应用中具有较为优化的抗电磁干扰能力，且能在运用中实现长距离的输送，所以其常被应用于工业自动化系统设计当中。所以，为实现物联网网关的数据汇聚感知能力与处理速度的提升，可与网关建立多个通信接口，提升自身协议的解析能力。

(2)物联网网关异构感知网络设备通信

物联网网关在实际应用中不仅能充当感知设备来进行现场参数的精确检测，同时还能在检测结果分析之后做出相应的处理决策。而其在做出相应的决策时应当利用多种传感设备来进行多种数据的综合分析，但是系统的各个传感器的位置可能处于不同种类的感知网络当中，对数据综合分析的实现造成阻碍。为解决这种问题，就应当建立跨异构网络的数据通信。物联网网关是数据汇集以及数据处理的关键节点，利用多协议接入技术进行网关设计能切实实现网关的多接口特征的体现，并能同时完成多种协议解析工作，为异构感知网络创造关系桥梁。这对于物联网系统的通信成本控制有着重要意义，也在很大程度上推进了物联网信息智能化的建设。

3.3 物联网网关关键技术之嵌入式数据库技术

物理网网关在实际运行中涉及到多个各方面的工作内容，且对感知层收集到的大量数据进行管理。设计人员有必要设置完善的信息管理模式，利用程序编写的方式来对多种文件信息进行记录，但是这样也将会造成程序工作量的提升，当工作量到达一定限度时就会对网关的正常工作造成影响。为避免这种情况的出现，引进嵌入式数据库技术进行管理不仅能实现信息全面管理，还能保证网关的运行效率不受到影响。

嵌入式数据库技术相比普通数据库而言存在着运行模式上的差异，其在运用过程中和系统整体应用程序共用同一进程。这样将减少数据库建立的成本投入，并且其在实际运用中还具有灵活可靠的特性，针对嵌入式平台下的物联网网关十分适用。正由于该技术存在的多种应用优势，其已经被广泛应用于多种嵌入式产品当中。常见的嵌入式数据库技术涵盖了Berkeley DB、MySQL、mSQL等多种。其中，Berkeley DB的码源相对比较开放，其在应用中能就系统的所有键/值对型进行保存，并能为系统工作提供C、C++等多种语言类编程接口，同时还可快速地进行多个数据的保存，在多个物联网网关中都十分适用。而MySQL的源码也相对开放，是关系型数据库的一种，该数据库技术在系统实际应用中表现出运行速度较快、占据空间较小以及应用成本投入较低等特征。所以，在进行中小型的网站创建时，大多数的设计人员都会选择该技术作为嵌入式数据库。此外，mSQL数据库在实际应用中对个人免费，只在商业运用中收取一定的费用，也属于关系型数据库的一种。该数据库本身较为精小，相比上一种数据库类型而言，编程语言运用更加快速，但是性能方面稍弱。因此，该类型数据库被常用到简单的网络数据管理当中。

3.4 物联网网关关键技术之Web交互

物联网应用层的重点对于物联网感知层设备的管理是十分必要的，而为方便管理工作的正常开展，技术人员应当在物联网应用层上建立较为完善的交互接口，确保网关交互功能满足管理工作需要。设计人员可通过运用Web交互技术来实现，其可实现网页和网关的交互关系建立，减去了客户端软件编写的步骤，更加快捷方便地进行交互。为避免各终端平台的异构性所造成的影响，保证网关远程交互工作的顺利开展，技术人员还应当将交互方式设置成Web网页。即在物联网网关中建立嵌入式Web服务器，依靠该服务器进行远程交互命令的收集与处理。之后再就服务器的校本程序进行调节，最终将得到的结果进行传输，实现无障碍的平台交互。但是在这过程中，设计人员也应当建立相应的安全服务机制，保证网关的安全运行。

4 结束语

物联网网关在应用发展与研究的过程中实现了与嵌入式平台的融合，为实现物联网网关的服务水平的进一步提升，相关研究人员有必要不断地就物联网网关的关键技术展开研究。掌握嵌入式技术、多信号协议处理技术、嵌入式数据库技术、Web交互技术、数据传输技术等多项关键性技术的应用，并在物联网网关研究的过程中不断进行技术应用经验的总结。引进国外先进的设计技术，不断实现自身的技术应用水平提升，建立更加完善的物联网网关。

[1]尹彦霖．基于物联网的嵌入式智能网关的研究与实现[D]．北京：北京工业大学，2013．

[2]常英亮．基于嵌入式Linux的物联网网关研究与实现[D]．北京：北京交通大学，2014．

[3]羡慧竹．基于物联网的智能网关系统研究与实现[D]．北京：北京工业大学，2014．

[4]李晓丹．基于STM32的物联网嵌入式网关的设计[J]．计算机工程与应用，2015，51(04)：61-65．

Research on the Key Technologies of Internet of Things Gateway Based on Embedded Platform

Liu Yulan Wang Yanqing Song Jiannan
(Harbin Petroleum Institute,Harbin 150036,Heilongjiang)

The Internet of things gateway is an important bridge to connect the sensor network and communication network.It is widely used in the era of rapid development of Internet of things.At present,the Internet of things gateway based on embedded platform has become the important development and research direction of the Internet of things gateway.This paper briefly analyzes the gateway structure of Internet of things,and on this basis,discusses on its key technologies of the Internet of things gateway design based on embedded platform,in order to provide technical reference for the vast number of Internet of things researchers.

embedded;Internet of things;gateway;key technology

TP391.44；TN929.5

A

1008-6609(2017)08-0016-03

刘玉兰（1974-），女，黑龙江讷河人，硕士，讲师，研究方向为嵌入式、物联网。

黑龙江大学生创新创业项目：泳池水质监测系统—201713299021。