CN201928443U - 一种多功能网关 - Google Patents

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魏剑平
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Abstract

本实用新型公开了一种多功能网关，灵活实现分布式网络化嵌入式系统与公用基础网络的互联互通。该网关包括：第一接口组集成有无线广域网接口；第二接口组集成有无线个域网接口；协议存储模块存储有无线广域网及无线个域网通信协议；协议转换模块接收源数据后，根据源接口与通信协议的对应关系获得源通信协议对源数据进行协议解析，获得目标通信协议、业务处理消息以及以统一格式表示的数据体；并接收业务处理模块反馈的业务处理结果，根据目标通信协议将业务处理结果封装成目标数据，转发给目标接口；业务处理模块，根据业务处理消息及数据体进行业务处理，获得业务处理结果反馈给协议转换模块。本实用新型可实现不同无线网络之间的协议转换。

Description

一种多功能网关
技术领域
本实用新型涉及网络技术，尤其涉及一种多功能网关。
背景技术
分布式网络化嵌入式系统中的网关，主要是实现分布式网络化嵌入式系统与其它网络之间的协议转换，实现多种网络的连接。目前分布式网络化嵌入式系统的网关多是两种协议的互相转换，这些网关适应场景单一，不能灵活接入多种网络协议的信号。
某些领域的应用系统，是由多个分布式网络化嵌入式系统构成的一个庞大的系统，而且各个分布式网络化嵌入式系统可以选取的接入方式又可能不尽相同。更进一步的，各个分布式网络化嵌入式系统上的数据是相关的，要求具有严格的时间同步精度。
因此，需要提供一种多功能网关，灵活通过多种接入方式实现多种分布式网络化嵌入式系统(如无线传感器网络、现场总线系统等)与多种公用基础网络(如因特网、专网、有线宽带网、ADSL网、无线宽带如WiFi及WiMax、各种移动通信网络等)的互联互通。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是需要提供一种多功能网关，灵活实现分布式网络化嵌入式系统与公用基础网络的互联互通。
为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种多功能网关，包括第一接口组、第二接口组、协议存储模块、协议转换模块、业务处理模块，其中：
第一接口组，集成有两种或两种以上的无线广域网接口；
第二接口组，集成有两种或两种以上的无线个域网接口；
协议存储模块，存储有无线广域网通信协议以及无线个域网通信协议；
协议转换模块，与第一接口组、第二接口组以及协议存储模块相连，从源接口上接收源数据后，根据所述源接口与通信协议的对应关系从所述协议存储模块获得源通信协议，根据所述源通信协议对所述源数据进行协议解析，获得目标通信协议、业务处理消息以及以统一格式表示的数据体；并接收所述业务处理模块反馈的业务处理结果，根据所述目标通信协议将所述业务处理结果封装成目标数据，转发给目标接口；
业务处理模块，与所述协议转换模块相连，根据所述业务处理消息及数据体进行业务处理，获得所述业务处理结果反馈给所述协议转换模块；
其中，
所述源接口与所述目标接口为所述第一接口组及第二接口组中的网络接口；
所述源通信协议与所述目标通信协议为所述协议存储模块所存储的无线广域网通信协议以及无线个域网通信协议中的通信协议。
优选地，该网关还包括：
第三接口组，与所述协议转换模块相连，集成有以太网接口、现场总线网络接口以及外设接口中的至少一种；
其中，
所述协议存储模块进一步存储有以太网通信协议、现场总线网络通信协议以及外设通信协议；
所述源接口或所述目标接口包括所述以太网接口、现场总线网络接口或外设接口；
所述源通信协议或所述目标通信协议包括所述以太网通信协议、现场总线网络通信协议或外设通信协议。
优选地，所述第一接口组集成的所述无线广域网接口包括通用无线分组业务网络接口、第三代移动通讯网络接口、无线保真网络接口以及多载波无 线信息本地环路网络接口中的至少两种。
优选地，所述第二接口组集成的所述无线个域网接口包括ZigBee网络接口以及无线高速可寻址远程变换器协议网络接口。
优选地，所述第二接口组中集成的所述无线个域网接口以2.4G赫兹的标准频率和/或433M赫兹的标准频率接入所述无线个域网。
优选地，该网关还包括：
业务存储模块，与所述业务处理模块相连，存储有适合自适应应答的历史业务，在所述业务处理消息针对所述历史业务时，将所述历史业务作为所述业务处理结果发送给所述业务处理模块。
优选地，该网关还包括：
网络管理模块，与所述第二接口组相连，将对无线个域网中的网络节点进行管理的无线个域网管理信息发送给所述第二接口组中相应的无线个域网接口。
优选地，该网关还包括：
网络同步模块，根据全球卫星导航系统的授时信息对连接到所述网关的无线个域网的工作时间进行同步。
优选地，所述网络同步模块包括接收子模块和同步子模块，其中：
所述接收子模块，接收GPS定位导航系统、北斗定位导航系统、格洛纳斯定位导航系统或者伽利略定位导航系统的所述授时信息；
所述同步子模块，根据所述授时信息对连接到所述网关的无线个域网的工作时间进行所述同步。
优选地，该网关还包括：
切换模块，对所述无线个域网与上位机、以太网或无线广域网之间的连接进行切换。
与现有技术相比，本实用新型公开的多功能网关的实施例，可以实现将无线个域网以多种方式接入Internet等无线广域网的功能，可以实现在不同无线网络之间的协议转换，可以实现安全鉴权管理。本实用新型公开的多功 能网关，可以实现分布式网络的维护，包括拓扑控制和路由等，实现了无线个域网时间上的精确同步。
附图说明
图1是本实用新型实施例多功能网关的组成示意图。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本实用新型的实施方式，借此对本实用新型如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。
图1为本实用新型多功能网关实施例的组成示意图。如图1所示，本实用新型的多功能网关主要包括第一接口组110、第二接口组120、第三接口组130、协议存储模块140、协议转换模块150、业务处理模块160、业务存储模块170、网络管理模块180以及人机接口190，其中：
第一接口组110，集成有两种或两种以上的无线广域网接口，比如包括GPRS网络接口、第三代移动通讯网络(3G)接口、无线保真(Wireless Fidelity，WiFi)网络接口以及多载波无线信息本地环路(Multi-Carrier WirelessInformation Local Loop，McWill)网络接口；
第二接口组120，集成有两种或两种以上的无线个域网接口，比如包括ZigBee网络接口以及无线高速可寻址远程变换器协议(WirelessHART)网络接口；接收网络管理模块180发送的无线个域网管理信息并转发给无线个域网中相应的网络节点；
第三接口组130，集成有以太网(Ethernet)接口、现场总线网络(如Modbus、RS485等)接口以及外设(如计算机)接口中的至少一种接口；其中的现场总线网络接口接收网络管理模块180发送的现场总线管理信息并转发给现场总线网络中相应的工作节点；
协议存储模块140，存储有对应于第一接口组110中的各种无线广域网接口的无线广域网通信协议，包括GPRS网络通信协议、3G网络通信协议、 WiFi网络通信协议、McWill网络通信协议等；存储有对应于第二接口组120中的各种无线个域网接口的无线个域网通信协议，包括ZigBee网络通信协议、WirelessHART网络通信协议；还存储有对应于第三接口组130中的各种接口的通信协议，包括Ethernet网络通信协议、Modbus通信协议、RS485通信协议以及其它外设接口通信协议；
协议转换模块150，与第一接口组110、第二接口组120、第三接口组130以及协议存储模块140相连，从第一接口组110、第二接口组120或第三接口组130的源接口上接收源数据后，根据源接口与通信协议的对应关系从协议存储模块140中获得源数据所采用的源通信协议，根据源通信协议对源数据进行协议解析，获得目标通信协议、业务处理消息以及以统一格式表示的数据体，将业务处理消息以及数据体发送给业务处理模块160，其中的业务处理消息包括查询消息、命令消息、控制消息或者数据融合消息等；并接收业务处理模块160反馈的业务处理结果和最终确定的目标通信协议类型，从协议存储模块所存储的通信协议中调用目标通信协议的封装模块，将业务处理结果封装成目标数据，转发给第一接口组110、第二接口组120或第三接口组130中的目标接口；
业务处理模块160，与协议转换模块150相连，根据协议转换模块150发送的业务处理消息以及数据体进行业务处理，获得业务处理结果反馈给协议转换模块150；
若业务处理消息是查询消息，则业务处理模块160对数据体中的用户信息进行合法性鉴权后，判断是否进行业务自适应应答，并决定是否进行查询消息转发；
若业务处理消息是命令消息，则业务处理模块160对数据体中的用户信息进行合法性鉴权后，根据命令消息执行相应的命令操作，获得相应的命令操作结果；
若业务处理消息是控制消息，则业务处理模块160对数据体中的用户信息进行合法性鉴权后，根据控制消息执行相应的控制操作，获得相应的控制操作结果；
若业务处理消息是数据融合消息，则业务处理模块160对数据体中的数据信息进行融合处理，获得相应的融合处理结果；
业务存储模块170，与业务处理模块160相连，存储有适合自适应应答的历史业务，在业务处理消息针对的是适合自适应应答的历史业务时，将历史业务作为业务处理结果发送给业务处理模块160；比如以周或者以月为变化周期的冬季水文记录，可以看作是适合自适应应答的历史业务数据；
网络管理模块180，与第二接口组120及第三接口组130相连，将对无线个域网中的网络节点进行管理的无线个域网管理信息发送给第二接口组120中相应的无线个域网接口，将对现场总线网络中的工作节点进行管理的现场总线网络管理信息发送给第三接口组130中的现场总线网络接口；
人机接口190，与协议转换模块150及网络管理模块180相连，向用户显示协议转换模块150进行协议转换过程中的调试信息和网络管理模块的调试信息，接受用户编辑的无线个域网管理信息以及现场总线管理信息并发送给网络管理模块180，接受用户对网关本身的配置信息，如各个接口组接口、抽象端口、协议类型的对应关系等；人机接口190典型的可以是触摸屏。
本实施例中，源通信协议与目标通信协议为协议存储模块140所存储的无线广域网通信协议、无线个域网通信协议、以太网通信协议、现场总线网络通信协议以及外设接口通信协议中的通信协议。源接口与目标接口为第一接口组110、第二接口组120以及第三接口组130中的网络接口。
上述第一接口组110中的GPRS网络接口，其可以实现无线个域网与无线广域网的通讯。GPRS网络具有覆盖范围广、数据传输快、通信质量高、永远在线和按流量计费等特点，支持TCP/IP协议，可直接与Internet网互通，无需经过其他网络(如公用电话网)的转接，传输效率高。
上述第二接口组120中的无线个域网接口可以以2.4G赫兹(Hz)的标准频率和/或433MHz的标准频率接入无线个域网。
以上第一接口组110、第二接口组120以及第三接口组130中的各种接口，通过可插拔的模块化接口技术实现。其中，第一接口组110根据现有广域网接入模块的接口类型设计，可选用串口、USB接口等；第二接口组120 依据现有的各种无线个域网射频芯片的接口，目前主要是RS232、UART；第三接口组130中的现场总线网络接口主要为RS485和Modbus接口等。
第三接口组130中的外设接口，包括RS232接口和通用异步串行接口，其中的RS232接口提供RS232连接方式，通用异步串行接口提供通用异步传输连接方式，支持网关与上位机的直接RS232连接或者通用异步串行接口连接。
上述协议存储模块140可以是只读存储器(ROM)、随机存储器(RAM)或者闪存(FLASH)，也可以是ROM、RAM以及FLASH的各种组合。在本实施例中，只读存储器保存系统参数，随机存储器缓存过程数据，闪存保存网关的固件程序。
本实施例可以选择配置采用太阳能供电技术的电源，如此本实施例具有野外工作适用能力。
在本实用新型多功能网关的另一个实施例中，还可以包括网络同步模块，器根据全球卫星导航系统的授时信息对连接到本网关的各无线个域网的工作时间进行同步(比如可以同步成世界协调时间(UTC)等)。
上述网络同步模块可以包括接收子模块和同步子模块，其中：
接收子模块，接收全球卫星导航系统的授时信息；
同步子模块，根据接收子模块所接收的授时信息对连接到本网关的各无线个域网的工作时间进行同步。
上述的接收子模块是全球卫星导航模块。具体的，可以是GPS接收子模块(接收GPS定位导航系统的授时信息)，可以是北斗接收子模块(接收北斗定位导航系统的授时信息)，可以是格洛纳斯(GLONASS)接收子模块(接收格洛纳斯定位导航系统的授时信息)，也可以是伽利略(Galileo)接收子模块(接收伽利略定位导航系统的授时信息)。
本实用新型的多功能网关，在其他实施例中，还可以包括切换模块，其对无线个域网与上位机、以太网或无线广域网之间的连接进行切换。
实现以下三个连接模式的切换：
(1)切换到无线个域网到上位机的连接；无线个域网可以通过RS232接口、UART接口或以太网接口直接和上位机进行连接；
(2)切换到无线个域网到以太网的连接；无线个域网通过以太网网络接口和交换机相连，接入以太网；
(3)切换到无线个域网到无线广域网的连接，无线个域网通过第一接口组110中的无线广域网接口(如GPRS网络接口)等接入公网或专网。
在进行以上三个模式的切换时，在硬件上可以通过跳线来实现，在软件上可以通过可裁剪、可组装的加载模式实现，根据实际网络环境选择工作模式。比如，当使用GPRS接入方式时，可以在硬件电路板上将Ethernet接入方式屏蔽掉，并且在协议转换模块化组装阶段仅装载GPRS协议处理部分和自主化设计的WSN协议栈。
在现有技术中，网关面向应用，仅能实现一对协议的互相转换。本实用新型的实施例实现了多种协议的互相转换，根据实际场景可以选择3G、GPRS、WLAN、LAN、WIFI、ZigBee等网络接入，也可以选择UART、USB等上位机直接接入，大大加强了实用性，提高了网关的适应能力，可通过有线方式和/或无线方式灵活扩展网络规模。
在功耗上，本实用新型实施例通过业务自适应的应答机制和安全鉴权管理，在网络层次上降低全网的能耗，延长了网络寿命。而且，业务自适应应答机制适应无线个域网能量有限的特点，基于历史数据和业务需求进行自应答，减少了无线个域网的网络流量，降低了无线个域网的功耗。
在同步的准确性上，本实用新型实施例可以实现无线个域网的精确同步，使得无线个域网上的数据达到毫秒(ms)级的同步，并将同步计算分配到相应的专用芯片，节省了处理器的计算资源，解决了无线个域网的同步难题，可以满足无线个域网地域性广、实时性要求高的应用需求。
在安全性上，现有的网关没有考虑到不合法用户的匿名查询造成的网络不堪重负导致网络瘫痪而无法提供正常的数据采集服务的情形，以及无线个域网非法节点连续发送数据占用网关的情形。本实用新型实施例利用网关多有外用电源的优势，在网关实现鉴权管理，既保证了网络的安全，又减少了 无线个域网节点的计算资源和电能资源，延长了节点的使用时间，从而延长了整个无线个域网的寿命。而且，安全鉴权管理让有许可权的数据包通过，而对没有许可权的数据包进行拦截和丢弃，提高了无线个域网的安全度。
虽然本实用新型所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本实用新型而采用的实施方式，并非用以限定本实用新型。任何本实用新型所属技术领域内的技术人员，在不脱离本实用新型所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本实用新型的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种多功能网关，其特征在于，包括第一接口组、第二接口组、协议存储模块、协议转换模块、业务处理模块，其中：
第一接口组，集成有两种或两种以上的无线广域网接口；
第二接口组，集成有两种或两种以上的无线个域网接口；
协议存储模块，存储有无线广域网通信协议以及无线个域网通信协议；
协议转换模块，与第一接口组、第二接口组以及协议存储模块相连，从源接口上接收源数据后，根据所述源接口与通信协议的对应关系从所述协议存储模块获得源通信协议，根据所述源通信协议对所述源数据进行协议解析，获得目标通信协议、业务处理消息以及以统一格式表示的数据体；并接收所述业务处理模块反馈的业务处理结果，根据所述目标通信协议将所述业务处理结果封装成目标数据，转发给目标接口；
业务处理模块，与所述协议转换模块相连，根据所述业务处理消息及数据体进行业务处理，获得所述业务处理结果反馈给所述协议转换模块；
其中，
所述源接口与所述目标接口为所述第一接口组及第二接口组中的网络接口；
所述源通信协议与所述目标通信协议为所述协议存储模块所存储的无线广域网通信协议以及无线个域网通信协议中的通信协议。
2.根据权利要求1所述的多功能网关，其特征在于，该网关还包括：
第三接口组，与所述协议转换模块相连，集成有以太网接口、现场总线网络接口以及外设接口中的至少一种；
其中，
所述协议存储模块进一步存储有以太网通信协议、现场总线网络通信协议以及外设通信协议；
所述源接口或所述目标接口包括所述以太网接口、现场总线网络接口或外设接口；
所述源通信协议或所述目标通信协议包括所述以太网通信协议、现场总线网络通信协议或外设通信协议。
3.根据权利要求1或2所述的多功能网关，其特征在于：
所述第一接口组集成的所述无线广域网接口包括通用无线分组业务网络接口、第三代移动通讯网络接口、无线保真网络接口以及多载波无线信息本地环路网络接口中的至少两种。
4.根据权利要求1或2所述的多功能网关，其特征在于：
所述第二接口组集成的所述无线个域网接口包括ZigBee网络接口以及无线高速可寻址远程变换器协议网络接口。
5.根据权利要求1或2所述的多功能网关，其特征在于：
所述第二接口组中集成的所述无线个域网接口以2.4G赫兹的标准频率和/或433M赫兹的标准频率接入所述无线个域网。
6.根据权利要求1或2所述的多功能网关，其特征在于，该网关还包括：
业务存储模块，与所述业务处理模块相连，存储有适合自适应应答的历史业务，在所述业务处理消息针对所述历史业务时，将所述历史业务作为所述业务处理结果发送给所述业务处理模块。
7.根据权利要求1或2所述的多功能网关，其特征在于，该网关还包括：
网络管理模块，与所述第二接口组相连，将对无线个域网中的网络节点进行管理的无线个域网管理信息发送给所述第二接口组中相应的无线个域网接口。
8.根据权利要求1或2所述的多功能网关，其特征在于，该网关还包括：
网络同步模块，根据全球卫星导航系统的授时信息对连接到所述网关的无线个域网的工作时间进行同步。
9.根据权利要求8所述的多功能网关，其特征在于，所述网络同步模块包括接收子模块和同步子模块，其中：
所述接收子模块，接收GPS定位导航系统、北斗定位导航系统、格洛纳斯定位导航系统或者伽利略定位导航系统的所述授时信息；
所述同步子模块，根据所述授时信息对连接到所述网关的无线个域网的工作时间进行所述同步。
10.根据权利要求1或2所述的多功能网关，其特征在于，该网关还包括：
切换模块，对所述无线个域网与上位机、以太网或无线广域网之间的连接进行切换。
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