面向物联网的系统及其网关设计
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摘要：文章在分析了物联网和云计算特点的基础上，提出了面向物联网的系统，并详细设计了它的应用基础架构、网关结构、信息交互流程，最后阐述了面向物联网系统的应用结构。系统把云计算应用到面向物联网的系统中，降低了系统的成本,实现了接入网络的简单化、标准化。
Abstract:After analyzing the characteristics of internet of things and cloud computing, this paper presents a system for internet of things, and detailed designs its application infrastructure, gateway structures, information exchange process. Finally, the paper elaborates the application structure of internet of things-oriented system. The system applies cloud computing to internet of things-oriented system, reduces its cost, achieves network accessing simplification and standardization.
关键词: 物联网；云计算；系统；网关；设计
Key words:internet of things；cloud computing；system；gateway；design
中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1006-4311（2011）22-0172-03
0引言
物联网和云计算是目前IT界最流行的两个主题，二者都是基于互联网的智能化应用云计算是全新计算模式的网络应用服务物联网是互联网在物理世界的延伸。
物联网和云计算的概念及应用，在IT行业已经炒得如火如荼。一方面，云计算需要从概念走向应用，另一方面，物联网也需要更大的支撑平台以满足其规模的需求，这恰好是两者必须的结合点。云计算犹如人的大脑，物联网则像人的五官和四肢。
1概述
1.1 物联网物联网（The Internet of things）是新一代信息技术的重要组成部分。它是通过射频识别（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，把任何物体与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现对物体的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。[1]
物联网就是“物物相连的互联网”，即第一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；第二，其用户端延伸和扩展到了任何物体与物体之间，进行信息交换和通信。
和传统的互联网相比，物联网有其鲜明的特征：首先，它是各种感知技术的广泛应用。物联网上部署了海量的多种类型传感器，每个传感器都是一个信息源，不同类别的传感器所捕获的信息内容和信息格式不同。传感器获得的数据具有实时性，按一定的频率周期性的采集环境信息，不断更新数据。其次，它是一种建立在互联网上的泛在网络。物联网技术的重要基础和核心仍旧是互联网，通过各种有线和无线网络与互联网融合，将物体的信息实时准确地传递出去。在物联网上的传感器定时采集的信息需要通过网络传输，由于其数量极其庞大，形成了海量信息，在传输过程中，为了保障数据的正确性和及时性，必须适应各种异构网络和协议。除此之外，物联网不仅仅提供了传感器的连接，其本身也具有智能处理的能力，能够对物体实施智能控制。物联网将传感器和智能处理相结合，利用云计算、模式识别等各种智能技术，扩充其应用领域。从传感器获得的海量信息中分析、加工和处理出有意义的数据，以适应不同用户的不同需求，发现新的应用领域和应用模式。
随着国家对物联网技术和应用系统开发的高度重视，物联网已经引起国内学术界、工业界和媒体的高度重视。目前物联网用途广泛，遍及智能交通环境、保护政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工业监测、老人护理、个人健康、花卉栽培、水系监测、食品溯源、敌情侦查和情报搜集等多个领域。
1.2 云计算云计算概念是由Google提出的，这是一个美丽的网络应用模式。狭义云计算是指IT基础设施的交付和使用模式，指通过网络以按需、易扩展的方式获得所需的资源；广义云计算是指服务的交付和使用模式，指通过网络以按需、易扩展的方式获得所需的服务。这种服务可以是IT和软件、互联网相关的，也可以是任意其他的服务，它具有超大规模、虚拟化、可靠安全等独特功效。 [2-3]
总的来说，云计算是一种新的网络应用模式，它旨在通过具有高速传输能力的互联网把多个成本相对较低的计算实体整合成一个具有强大计算能力的系统，并把对数据的处理和计算过程从个人电脑或企业服务器转移到云，云借助SaaS、PaaS、IaaS、MSP等先进的商业模式把它强大的计算和处理能力按需分布给个人或企业用户。
云计算实现了行业应用的业务流程，可作为物联网运营云平台一部分，也可集成第三方行业应用，而且在技术上通过运用虚拟技术，实现多租户：让同一个物联网行业的多个租户共享计算能力、存储等资源，降低运营成本，提高资源利用率，既使多个租户在资源共享的同时相互隔离，又保证了用户数据的安全。
2面向物联网的系统应用基础架构
2.1 物联网的组成物联网是以EPC码和电子标签为基础，建立在互联网基础上的实物互联网络，它宗旨在于实现全球物品信息的实时互通与共享。基于RFID技术的现代化企业建设的物联网系统由国家物联网管理中心、信息采集系统、现场物联网管理中心、物联网应用系统、工业企业、国际物联网管理中心等部分组成。
2.2 物联网应用基础架构企业生产过程中常常包括不同的软件与硬件类型，由于通信协议和数据格式存在多种标准兼容性的问题，物联网为这些基础设备提供了信息标识，这些带有RFID的嵌入式设备可作为生产者的同时也可作为消费者出现。但对于服务整合、兼容各类数据和协议还需要借助面向服务架构，面向物联网系统的应用基础框架如图1所示。
从图1中可以看到，物联网系统的应用基础框架可以分为6层：生产者，即服务提供者，是利用RFID技术的各类设备（计划、产品以及生产设备），产品数据信息和具有RFID功能的设备在企业规定的产品生命周期内被全程跟踪。
数据处理平台主要负责对海量异构数据信息的安全验证，对受“污染”的数据进行过滤和排除，保证数据的安全性与完整性。为了方便对数据进行统一调用，运用XML与元数据技术对海量异构数据进行标准化和一致性处理，为数据统一和循环利用提供方便。
安全平台是数据平台与服务平台之间的安全屏障，对数据和设备的安全负责。
服务层主要提供服务和通用接口，通用接口负责屏蔽不同的数据格式和数据库，解析各层的数据调用指令，有利于分布式部署各种数据库。
应用通用接口实现与上层消费者沟通，其主要目的是对不同类型用户使用的通信协议进行解析，促使各种通信协议兼容。服务层的关键部分是通信、服务和设备管理服务，架起数据处理和上层应用之间的桥梁。服务层还将面对物联网应用过程中遇到的应用平台不同以及网络连接资源受限等问题。总的来说，服务层的主要功能是通过具有超级计算能力的云计算中心,对海量异构信息进行实时控制和管理,并为上层应用提供一个良好的用户接口。[4]
3面向物联网的系统网关设计
3.1 面向物联网系统的网关结构物联网通信网关，是将无线网络信号和互联网相互连接的桥接设备，实现网络设备与互联网设备之间的监测与控制，具有传输快捷安全、设备成本低、组网简易灵活、可靠性高等优势，改变了传统网关多种通信标准和传输介质并存出现的成本高、传输慢等缺陷。
物联网网关支持感知延伸设备之间的多种数据类型与通信协议，转换它们之间数据通信格式，对上传的数据格式进行统一，同时对下达到感知延伸网络的控制或采集命令进行映射，生成符合具体通信设备协议的消息。物联网网关对感知延伸设备进行统一管理和控制与，并向上层屏蔽了底层感知延伸网络的异构性，共分为4层分别为：广域接入层，协议转换控制层，协议适配层，感知延伸层，如图2所示。
3.1.1 广域接入层提供各类北向接互联网的通道接口如Wi-Fi、ADSL、WCDMA等，既可单一接入方式，适用于特定网络环境的组网，也可同时提供多种接入方式，适用于移动环境或非固定环境的组网。
3.1.2 协议转换控制层提供从感知网络到互联网的协议转换，将广域接入层下发的数据解包成标准格式数据，将协议适配层上传的标准格式的数据统一封装，实现与管理平台的协议对接、管理协议的解析并转为感知层协议可识别的数据与控制指令。
3.1.3 协议适配层协议适配层保证不同的感知层协议能够通过适配层变成格式统一的数据和信令。
3.1.4 感知延伸层实现不同感知网络的协议解析与接入，按应用场景既可是某种特定的协议，也可是某几种协议的组合，甚至可通过外插模块，实现多协议扩展，达到融合接入的能力。[5]
3.2 面向物联网系统的信息交互流程物联网的信息交互流程如图3所示，具体流程分析如下：①最终用户创建符合标准数据格式的消息并将它们发送到网关业务服务层的消息接收模块。②业务服务层的消息接收模块将标准消息发送到消息解析模块。③消息解析模块调用对应的消息转换功能，将标准信息转化为依赖于具体通信设备协议的消息。④消息解析模块将转换为依赖于具体通信设备协议的消息传送到感知延伸服务层的消息发送模块。⑤消息发送模块选择恰当的传输方式把依赖通信设备协议的特定消息发送到具体的底层设备。⑥底层设备依据特定消息进行信息采集，并将结果返回到网关感知延伸服务层的消息接收模块。⑦感知延伸服务层的消息接收模块把依赖于通信设备协议的特定消息传送到标准消息构成层的消息解析模块。⑧消息解析模块调用信息转换模块，把依赖于通信设备协议的特定消息转化为标准消息。
通过图3，我们不难看出：物联网网关解决了物联网网络内部不同设备无法统一管理和控制的问题，达到屏蔽底层通信差异的目的，并使最终用户不需知道底层设备的具体通信细节成为可能，实现了对不同感知延伸层设备的统一访问。[6]
3.3 面向物联网系统的应用面向物联网系统的应用结构如图4所示，无线传感器节点采集各自的数据信息，通过无线多跳自组织方法把数据发送至网关，阅读器读取RFID标签内容并发送给网关，网关把这些数据通过云处理中心发送给服务、计算云，服务、计算云对这些数据进行存储与处理，并提供一个信息平台，供用户（包括移动用户和PC用户）使用，从图4中可以看出物联网网关是架起接入网络与感知网络的桥梁，发挥着重大作用。[7]
4结束语
云计算和物联网的结合是互联网发展的趋势，它将引导通信产业与互联网的发展，并将在3到5年内形成比较大的产业规模，而且越来越多的厂家、公司会更关注于此。与物联网结合后，云计算才是真正意义上的从概念走向平台，进入产业发展的“蓝海”。 [8]物联网是一个庞大而复杂的系统,其网关技术更是影响未来发展的关键,需要分阶段、有计划地开展深入的科学研究。本文提出了应用基础框架，并对网关接入方式的相关技术进行分析，为物联网网关的设计开发提供有力的理论依据和技术支持，降低了接入成本，实现了接入的简单化、标准化。
参考文献：
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