CN101917465A - 基于移动网关的物联网网络架构 - Google Patents
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Abstract
本发明属于物联网技术领域，其特征在于，含有：无线传感器网络，由带有无线通信模块的智能物体构成；互联网；移动网关，由带有无线通信模块的智能外设和可移动终端构成。无线传感器网络按照某种标准(如IEEE 802.15.4标准)进行组网。智能物体由感知器、控制器和无线通信模块组成，能够通过感知器感知其状态信息，或通过控制器控制其状态。移动网关可以通过智能外设在传感器网络中获得智能物体的状态信息，并通过可移动终端上传到互联网，实现信息的聚合。可移动终端也可以把互联网的信息通过智能外设传达到智能物体的控制器，实现对智能物体的远程控制、状态改变等。
Description
技术领域
本发明属于物联网技术领域，涉及一种新型的物联网网络架构。
背景技术
现代信息技术的高速发展使得互联网已经形成了巨大的虚拟世界，人们的生活方式也因此产生了巨大的变化，但是随着移动通信网络，无线传感器网络和RFID等技术的飞速发展，人们迫切需要一个“真实”的网络世界，使得人们能够“感知”和“控制”世界上所有的事物，实现物物相联，形成一个“智慧”的地球。这些促成了物联网的出现。从奥巴马总统“智慧地球”到温家宝总理“感知中国”，物联网也全面登陆中国，甚至已经提高到国家发展战略的高度。物联网是通过射频识别(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“物”与互联网联接起来，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。简单地说，物联网就是“物物相连”的网络。物联网与现今的互联网、移动通信网络、无线传感器网络等相融合，通过物联网对实际世界的感知和控制，在现今虚拟互联网络的基础上，真正实现物与物、物与人、人与人的互联。物联网的应用可以极大地解决当今社会各方面面临的很多的问题，扩大互联网对社会的深远影响，极大地改变人们的生活方式。同时，很多专家认为，物联网所带来的产业价值要比互联网大30倍，被称作是下一个万亿元的通信业务。所以，物联网是时代的召唤，它的出现是时代进步和信息技术发展的必然要求。
物联网的发展是在RFID技术基础上发展起来的。RFID(Radio Frequency Identification)，即射频识别，俗称电子标签，是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便。利用RFID技术，通过计算机互联网实现物品(商品)的自动识别和信息的共享和互联。从RFID出发的物联网，是通过在物品上嵌入电子标签、条形码等能够存储物体信息的标识，通过无线网络的方式将其即时信息发送到后台信息处理系统，而各大信息系统可互联形成一个庞大的网络，从而可达到对物品实施跟踪、监控等智能化管理的目的。RFID技术在物流管理、产品追踪等方面已经有很大的成就。但是RFID出现的主要目的是替代条形码，只适合于短距离的身份识别；而且，RFID系统中的标签与读写器之间是一种主从关系，它们之间的通信完全依赖于RFID标签耦合或反射出的信号；再者，RFID的应用领域非常有限，一般用于物流等相关领域。具有网络通信功能的ZigBee技术不但解决了存在的这些问题，而且更加灵活，应用更加广泛。在RFID的基础上，利用ZigBee技术实现的物联网，把“物品(商品)”扩展到世界上所有的物体，就像互联网中的IP地址一样，给每个物体一个电子标签，使每个物体都有一个“地址”，然后，在各个“地址”利用RFID、传感器、二维码，甚至各种机器“感知”各个物体的状态，通过无处不在的无线传感网络利用ZigBee技术将感知的各种信息传送到互联网络，利用云计算等技术及时对海量信息进行处理，同时，在其他“地址”可以查看到这些信息，通过互联网又可以传送控制信息发送到物体所在网络，借助物体上的控制机器达到控制物体的功能，这样就真正达到了物与物、人与物、人与人的交互。物联网虽然是在RFID技术的基础上发展起来的，但是远远大于其所涉及范围。
发明内容
本发明的目的在于提出一种基于移动网关的物联网网络架构，该网络架构含有：无线传感器网络，移动网关和互联网，其中无线传感器网络由智能物体组成，智能物体，既能够感知和控制自身的状态，又能通过无线通信模块来接入到无线传感器网络中作为一个网络节点。互联网，即主干网络，包括移动蜂窝网，因特网等。移动网关，能够实现无线传感器网络和互联网之间的数据交互。由智能外设和能够接入互联网的可移动终端组成。智能外设是具有接入无线传感器网络功能，并能够通过某一特定接口与可移动终端进行数据交互的外部设备。可移动终端则是能够接入互联网的可移动设备。
本发明提出的方法解决了当前的物联网发展处于刚起步阶段，物联网的体系结构还不成熟的问题，特别是为如何将各种异构网络：互联网，移动通信网和无线传感网络进行融合提供了解决方案。本专利提出了一种非常有效的清晰的物联网体系结构——囊括了各种异构网络，采用这种方式来组织网络结构使各种网络间数据交互透明，通信无阻。其中关键技术移动网关技术以移动通信网为中间载体顺利解决无线传感网络与互联网交互方式的难题。
传统意义的物联网倾向于单指无线传感网络，而如何将无线传感网络与互联网结合以广义物联网的架构影响着物联网可持续发展的关键。考虑到泛在的手机已经成为人们生活中不可缺少的移动通信工具，利用手机上的移动网关，以移动通信网为中间载体接入互联网，可以是将无线传感网络与互联网结合的一种非常好的方式。移动通信网具有覆盖广、扩容成本低、部署完善、移动性好等特点，这使得移动通信网络作为物联网接入互联网的中间载体成为必要。物联网的终端(传感器端)需要以某种方式连接起来，发送或者接收数据(这些数据种类也是多种多样的，如声音视频信息、环境信息、行业信息、普通数据等，也可以是接收的来自别处的控制信息)，在接入能力解决之后，移动通信网就是透明的，只负责数据的传送，传感网和互联网实现了融合。同时，手机用户也可以成为一个终端，实现接收信息和控制别处的终端。因此，本专利提出的通过移动网关，以移动通信网为中间载体，将无线传感网络与互联网结合，统一三大异构网为物联网架构的体系是一种非常新颖而又成熟的网络体系结构。
在上面采用的以移动通信网为中间载体的无线传感网络与互联网结合的物联网架构中，移动网关是我们的关键之一。网关设备是最适合将多种接入手段整合起来，统一接入到互联网络的关键设备，移动网关可满足局部区域短距离通信的接入需求，通过移动通信网实现与互联网(公共网络)的连接，完成转发、控制、信令交换和编解码等功能。移动网关可以成为物联网体系结构研究中的一个关键内容，移动网关问题的解决可以极大地加快物联网的步伐，使物联网接入无处不在(只要有手机的地方，利用移动网关就可以实现)，物联网从单一走向融合，真正实现最广域的物联网架构。
附图说明
图1是基于移动网关的物联网网络架构。
图2是无线传感器网络结构。
图3是智能物体组成。
图4是移动网关组成。
图5是远程访问和控制智能电灯例子的实例化网络结构。
图6远程访问和控制智能电灯例子的网络架构。
图7是例子获取电灯状态流程图。
图8是例子远程控制电灯流程图。
具体实施方式
系统结构由无线传感器网络，移动网关，互联网三个部分构成，如图1所示。移动网关中的智能外设构成无线传感器网络中的一个信息汇聚节点(Sink)，移动网关中的移动设备则是属于互联网中的节点。智能外设汇集传感器网络中的智能物体状态信息，在可移动的终端中进行应用层数据包打包后传递给互联网。来自互联网，或用户在可移动终端直接生成的控制数据包在可移动终端中进行解析后传递给无线传感器网络中具体某智能物体，实现远程控制。
本发明中，无线传感器网络负责对智能物体进行组网，传递智能物体的状态信息或者对其的控制信息。无线传感器网络是一种非常适宜于大面积覆盖和多节点信息传递的无线网络解决方案，无须其他任何有线或者无线网络的支持，系统可以大大节省建设成本和运营维护成本。由于不存在有线通信的基础设施或无线移动通信的基站设施，网络的组建成本会大大降低，这是本发明具有可实施性的一个重要保证。本发明通过移动网关将具有自组织特点的无线传感器网络和互联网进行了无缝的结合，不仅实现了异构网络间的数据融合，也真正实现了物联网物物相连的核心本质。
无线传感器网络由智能物体和移动网关中的智能外设构成，如图2所示。每个智能物体包括五部分：物体(如温度传感器，电灯等)，感知器，控制器，中心控制单元(MCU)和射频芯片，如图3所示。射频芯片为符合无线传感器网络物理层标准的射频芯片，一方面获取来自网络中的符合无线传感器网络标准的网络层数据单元进行接收或者转发，另一方面发送来自中心控制单元的符合无线传感器网络标准的网络层数据单元，数据单元中除去标准相关的有效载荷(Payload)部分格式如表1所示。数据包类型为0时代表此数据单元为互联网发送给无线传感网，而为1时则代表是无线传感网络响应给互联网的数据单元。
表1数据单元有效载荷部分
| 数据包类型 | 数据 |
中心控制单元(MCU)既要实施符合无线传感器网络标准的MAC层和网络层协议，又要能够根据来自传感器网络的数据单元内容，来决定是从感知器感知物体当前状态并对网络做出相应，还是将控制命令传达给控制器来改变物体当前的状态。
移动网关由智能外设和可移动终端组成，如图4所示。智能外设包括：射频芯片，中心控制单元(MCU)和与可移动终端交互接口。射频芯片应符合无线传感器网络物理层标准，中心控制单元中应包含无线传感器网络的通信协议，其通信协议栈的媒体接入控制层MAC和网络层均采用符合无线传感器网络标准(如IEEE802.15.4标准)的MAC和网络层协议。可移动终端通过交互接口(某一种特定的通用外设接口，如SD接口，USB接口，PCIE接口等)与智能外设进行数据交互，内容为符合无线传感器网络标准的网络层数据单元，有效载荷部分格式如表1所示。
为了使移动网关设备能够实现无线传感器网络和互联网的无缝数据交互，同时使移动网关设备的软件程序更加通用，移动网关设备采用某种可标记的语言(如XML语言)来标记无线传感器网络的状态和互联网的控制消息。
移动网关设备利用状态标记性语言来对传感器网络的状态信息进行打包，根据互联网的需求进行筛选分发，满足特定的服务需求；同时利用控制标记性语言来解析互联网的控制命令信息，转换成传感器网络支持的数据格式，从而有效地控制传感器网络的状态。
以远程访问和控制智能电灯为例，图5给出了整个网络结构实例化后的结构图。智能电灯由亮度控制器，亮度感知器，中心控制单元和支持IEEE 802.15.4标准射频芯片组成。在此例中，无线传感网络采用IEEE 802.15.4标准进行组网，无线传感网络和互联网在应用层采用XML语言进行交互，如图6所示。
当用户需要了解家中电灯的当前状态信息时，如果用户处于家中，则可以直接通过智能外设发送状态查询的数据包给智能电灯。如果用户在户外时，则可以通过移动终端将状态查询消息的数据包发送到附近的基站或者接入点，后者将数据包传达给用户家庭中的固定终端(和移动终端配置相同)中，固定终端按照如表2所示的XML格式对数据包进行解析。然后通过智能外设将数据包转为符合IEEE 802.15.4的标准后转发给智能电灯。智能电灯的中心控制单元解析来自射频芯片的数据包后启动亮度感知器，并将结果反馈给移动终端或固定终端。流程图如图7所示。
表2状态查询XML格式
| 智能物体 | 物体名称 | 物体状态 | 状态参数值 |
【获取电灯状态】：
第一步：可移动终端根据传感器网络的协议寻找到相应的XML文件，格式如表2所示；
智能物体：标记智能物体的类别，如电灯；
物体名称：标记智能物体的名称，相当于ID信息，如某一具体日光灯；
物体状态：标记智能物体的状态属性；
状态参数值：标记此状态属性的参数值。
第二步：可移动终端读取相应的XML文件，根据表2的格式对接收到的智能物体状态数据包进行分割。
第三步：可移动终端分割完数据包之后，根据标签(2中的物体名称)解析智能物体的名称ID。
第四步：可移动终端从分割的数据中解析智能物体的状态属性和状态值。
第五步：可移动终端将解析后获得的数据按照互联网的网络层数据包格式打包后发布。
当用户需要调节家中电灯的当前亮度时，如果用户处于家中，则可以直接通过智能外设发送亮度控制的数据包给智能电灯。如果用户在户外时，则可以通过移动终端将亮度控制的数据包发送到附近的基站或者接入点，后者将数据包传达给用户家庭中的固定终端(和移动终端配置相同)，固定终端按照如表3所示的XML格式对数据包进行解析。然后通过智能外设将数据包转为符合IEEE 802.15.4的标准后转发给智能电灯。智能电灯的中心控制单元解析来自射频芯片的数据包后启动亮度控制器，按照数据包要求来控制当前亮度。流程图如图8所示。
表3控制状态XML格式
| 智能物体 | 物体名称 | 控制包头 | 控制类型 | 控制器件 | 控制状态 |
【远程控制电灯】：
第一步：可移动终端根据互联网或移动网的需求寻找到相应的XML文件
智能物体：标记智能物体的类别，如电灯；
物体名称：标记智能物体的名称，相当于ID信息，如某一具体日光灯；
控制包头：标记状态控制数据包的起始；
控制类型：标记不同类型的控制指令，如电灯亮度控制或闪烁频率控制；
控制器件：标记所要控制的智能物体的某个器件，如控制电灯的灯丝；
控制状态：标记所要控制器件的状态值，如电灯的灯丝亮度。
第二步：可移动终端读取相应的XML文件，对接收到的互联网的控制数据包进行分割并确定智能物体及其名称ID信息；
第三步：可移动终端根据XML的标签格式来确定控制包的起始；
第四步：可移动终端根据XML的标签格式来确定控制的类型以及具体控制的器件和期望状态值；
第五步：可移动终端将解析的数据转成符合无线传感器网络网络层数据包格式后，通过智能外设将转化后的数据包发送给无线传感器网络中，通过网络层传递给具体的智能物体。
Claims (2)
1.基于移动网关的物联网网络架构，其特征在于，所述架构含有：无线传感器网络，移动网关和互联网，其中：
无线传感器网络，由智能物体组成。
智能物体，既能够感知和控制自身的状态，又能通过无线通信模块来接入到无线传感器网络中作为一个网络节点。智能物体包括：感知器、控制器和无线通信模块，其中：感知器，反映物体自身的时时状态，并将状态数据传递给无线通信模块；控制器，从无线通信模块接收来自无线传感器网络的控制信息，并根据此信息来调整自身的状态参数变化；无线通信模块，硬件包含中心控制单元(MCU)和符合无线传感器网络物理层标准(如IEEE 802.15.4标准)的射频芯片；软件包含能够接入传感器网络的通信协议，其通信协议栈的媒体接入控制层MAC采用符合无线传感器网络物理层标准中的MAC层协议，通信协议栈的网络层采用符合无线传感器网络标准中所要求的能够实现网络配置，控制和信息路由的网络层协议。
互联网，即主干网络，包括移动蜂窝网，因特网等。
移动网关，能够实现无线传感器网络和互联网之间的数据交互。由智能外设和能够接入互联网的可移动终端组成。
智能外设，具有接入无线传感器网络功能，并能够通过某一特定接口(如USB接口，SD接口或PCIE接口)与可移动终端进行数据交互的外部设备。智能外设包括：射频芯片，中心控制单元(MCU)和与可移动终端交互接口。射频芯片应符合无线传感器网络物理层标准，中心控制单元中应包含传感器网络的通信协议，其通信协议栈的媒体接入控制层MAC采用符合无线传感器网络标准的MAC层协议，通信协议栈的网络层采用符合无线传感器网络标准中所要求的能够实现网络配置，控制和信息路由的网络层协议。与可移动终端交互接口负责智能外设和可移动终端的数据交互。
可移动终端，能够接入互联网的可移动设备，如通过GSM接入蜂窝网络或通过WiFi接入因特网。
2.根据权利要求书中1所述的基于移动网关的物联网网络架构，其特征在于，在所述的移动网关设备中实现无线传感器网络与互联网之间往应用层的数据交互。
移动网关设备采用标记性语言(如XML语言)来标记来自无线传感器网络的智能物体的状态信息和互联网的对智能物体的控制信息。
移动网关设备利用状态标记性语言解析来自无线传感器网络的智能物体的状态信息，根据互联网或移动网的需求进行筛选分发，满足特定的服务需求，同时利用控制标记性语言解析互联网的控制信息，转换成无线传感器网络支持的数据格式，从而有效地控制网络中智能物体的状态。
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