CN202385126U - 一种物联网网关设备 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种物联网网关设备，所述设备主要由一个主控制器和多个低功耗装置构成，每个低功耗装置转换一种类型的网络协议，主控制器连接公共网络，低功耗装置连接感知层网络，低功耗装置中的连接装置通过主控制器中的第一类接口与主控制器连接；低功耗装置从感知层网络接收含有自身匹配网络协议种类的数据，将数据的网络协议解析，分离出应用数据发送给主控制器；主控制器接收应用数据以后对应用数据重新封装，发送到公共网络；主控制器还用于接收公共网络数据，并以相反的流程处理数据，最终由低功耗装置发送到感知层网络。
Description
技术领域
本实用新型涉及物联网领域，特别涉及一种物联网网关设备。
背景技术
物联网是指通过各种信息传感设备，实时采集信息，于与互联网结合形成的一个巨大网络，目的是实际物品与网络的连接，管理和控制。
物联网感知层是物联网系统中的末梢部分，主要通过一些信息采集终端实现物理世界中各类实际目标的信息获取。物联网的网络层是利用现有的通信网，互联网以及其他物联网技术标准体系的专用网络，支持物联网应用信息的传输。物联网的应用层对应物联网具体的应用服务，支持多种多样的物联网业务。
目前存在的物联网应用种类繁多，差异化大。在现阶段缺乏统一标准体系的前提下，使得各单位开发的设备、系统、接口协议等兼容性差，成本高，平台化互操作困难。
物联网的网关则是在这种情况下，起到转换作用的计算机系统或设备，在使用不同的通信协议，数据格式甚至体系结构不同的两种系统之间，作为一个翻译器。现存的网关一般只能接受并转换单一的一种网络协议。这样的网关设备在网络协议成熟，统一的情况下是没有问题的，但目前的实际情况下，现有的网络协议种类繁多，还没有一种公认的能适用于各种场景的网络协议出现。并且由于受到物联网应用复杂性的限制，很多公司尚未走出“小作坊”的开发模式，各公司的应用系统也相对孤立，所以很难出现这样的网络协议。因此必须根据特定的感知层通信协议研发特定的网关产品，极大的增加了研发成本。
国内外有关物联网整体解决方案的公司几乎都有自己的网关产品，国外如Archrock公司的PhyNet Router、Digi公司的ConnectPortX Gateways，国内如北京星谷科技的3G视频监控网关，但这些公司的网管产品基本都与自己的感知层网络系统捆绑销售。另外大量的研究和专利也是以某种特定的感知层网络通信协议接入为目的，均未能解决多种感知层网络协议接入的问题。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型的主要目的是提供一种物联网网关设备，可以较方便的实现多种网络协议的接入，满足不同应用场景的需求。
本实用新型具体结构特征如下：
一种物联网网关设备，所述设备包括一个主控制器和至少两个低功耗装置，每个低功耗装置转换一种类型的网络协议；
主控制器，包括至少一个第一类接口，同一时间有一个或者不超过第一类接口数量的多个低功耗装置通过所述第一类接口与主控制器连接，用于接收和处理低功耗装置上传的数据，并利用接收的数据与公共网络进行数据交换
低功耗装置，与物联网的感知层网络和主控制器二者连接，用于从感知层网络接收含有自身对应网络协议种类的数据，再对数据进行网络协议的转换，将转换后的数据发送到主控制器；
所述低功耗装置包括：射频芯片、低功耗处理器和连接装置；
射频芯片，连接感知层网络，用于低功耗装置与感知层网络间的数据交换；
低功耗处理器，低功耗处理器一端连接射频芯片，用于解析射频芯片传来数据的网络协议，剥离出应用数据并发送到主控制器；
连接装置，用于连接低功耗处理器与主控制器，进行二者的数据交换。
所述连接装置具体为：低功耗装置外设串口、SPI口和IIC口三者之一或任意组合，用于连接到主控制器预留的接口上。
所述设备还包括转接板，设置在第一类接口与连接装置之间，用于在第一类接口与连接装置的端口不匹配时，进行端口转换。
所述主控制器包括：核心处理器和第二类接口；
核心处理器，连接第二类接口，用于通过第一类接口接收低功耗装置解析过的数据，并重新包装成含有公共网络中网络协议的数据，发送给第二类接口；
第二类接口，接入公共网络，用于主控制器与公共网络间的数据交换。
所述第一类接口为主控制器上预留有串口、SPI口和IIC口之一或任意组合，用于接入低功耗装置的连接装置。
所述主控制器中还包括：测试接口，用于低功耗装置的调试、升级或更换低功耗装置的内部代码。
所述主控制器，还用于接收来自公共网络网络协议的数据，解析接收到数据获取应用数据，将所述应用数据通过接口发送到低功耗装置；
低功耗装置，还用于接收主控制器发送的应用数据，以自身对应的网络协议将应用数据重新封装，并将重新封装的应用数据发送到感知层网络。
通过以上技术方案可知，本实用新型的有益效果是，通过网关主控制器上设置第一类接口，第一类接口接入低功耗装置，在不同网络协议的场景下，更换接入的低功耗装置，保持接入的低功耗装置能够解析的网络协议始终对应当前感知层数据的网络协议。这样无需更换主控制器，实现网关的通用性。本实用新型中所述网关设备的开发脱离了网络协议的开发而独立进行，不再受到单一网络协议的限制。
附图说明
图1为网关设备实施例结构示意图；
图2为低功耗装置实施例结构示意图；
图3为主控制器实施例结构示意图；
图4为低功耗装置引脚定义示意图；
图5为具体实施例中网关设备工作流程示意图；
图6为串口通信协议第一层示意图；
图7为串口通信协议第二层示意图；
图8为低功耗装置重新封装数据包结构示意图。
具体实施方式
本实用新型通过可更换低功耗装置的设计，提供了一种可以转换不同网络协议的通用网关设备。下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行完整描述。而所描述的实施例仅仅是本实用新型中部分实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有经过创造性劳动情况下得出的其他实施方式，同样属于本实用新型保护的范围。
参照图1，本实用新型所述网关设备包括：
低功耗装置1和主控制器2。
低功耗装置1，参照图2，低功耗装置主要包括低功耗处理器、射频芯片与连接装置。射频芯片与低功耗装置相连，并连接外部感知层网络，负责数据信息感知层网络与低功耗处理器之间的互相传送。低功耗处理器对收集射频芯片到的数据进行解包处理，将剥离得出的应用数据通过连接装置发送到主控制器。所述应用数据可以为温度、湿度等传感信息，也可以为其他任何种类，应用层数据种类繁多，在此并不进行限制。连接装置为设置在低功耗装置外部的串口、SPI口和IIC口等外设，低功耗装置与主控制器之间的物理接口采用上述外设相连接。
主控制器2，参照图3，即母板，主要包括核心处理器，第二类接口和第一类接口。在本实用新型具体实施例中第一类接口设计为插槽形式，插槽中预留串口、SPI口和IIC口三种常用接口，低功耗装置的连接装置接入插槽，从而进行与主控制器之间的数据信息交流。第一类接口将低功耗装置传来的解包后的应用数据直接发送给核心处理器，核心处理器对解包后的应用数据重新进行公共网络数据封装，之后发送给第二类接口，存储模块与核心处理器连接，负责提供核心处理器工作过程中需要的内存，暂时存储核心处理器工作中需要的信息。第二类接口包括以太网接口，WIFI模块和3G模块，连接主控制器中的核心处理器与外部公共网络，将核心处理器处理后的信息发送到公共网络当中。
通过低功耗装置对于网络数据的解包处理，主控制器不再需要针对不同网络协议的网络数据进行处理和转换，只需要针对低功耗装置上传的解析后的应用数据即可。也就是说实际上的协议转换功能由低功耗装置来实现，低功耗装置与主控制器之间的信息交换属于单纯的应用数据交换。
对于物理接口与上述接口不同的低功耗装置，可以设计对应的转接板，低功耗装置通过转接板即可插到该网关母板预留的插槽上。
主控制器的插槽中还可以预留测试接口。其中测试接口具体为J-TAG接口，通过J-TAG接口可以对低功耗装置中的低功耗处理器进行调试或者升级，甚至烧写代码。
低功耗装置引脚定义如图4所示，具体如下表：
| 信号名 | 引脚号 | 引脚属性 | 说明 |
| VCC | 1、2、3 | 电源 | 电源输入，3.3V |
| GPIO | 4、5、6 | 输入/输出 | 通用可配置GPIO |
| TDO | 7 | 输出 | JTAG配置引脚，可配置为GPIO |
| TDI | 8 | 输入 | JTAG配置引脚，可配置为GPIO |
| TMS | 9 | 输入 | JTAG配置引脚，可配置为GPIO |
| TCK | 10 | 输入 | JTAG配置引脚，可配置为GPIO |
| RST | 11 | 输入 | JTAG配置引脚，可配置为GPIO |
| TEST | 12 | 输入 | JTAG配置引脚，可配置为GPIO |
| TXD | 13 | 输入/输出 | 串口输出 |
| RXD | 14 | 输入/输出 | 串口输入 |
| GPIO | 15-21、22 | 输入/输出 | 通用可配置GPIO |
| SCLK | 23 | 输出 | SPI时钟，可配置为GPIO |
| SDA | 24 | 输入/输出 | I2C数据，可配置为GPIO |
| SCL | 25 | 输入 | I2C时钟，可配置为GPIO |
| STE | 26 | 输入 | SPI从设备片选，可配置为GPIO |
| SIMO | 27 | 输入/输出 | SPI主输出或者从输入，可配置为GPIO |
| SOMI | 28 | 输入/输出 | SPI主出入或者从输出，可配置为GPIO |
| GPIO | 29、30、31 | 输入/输出 | 通用可配置GPIO |
| GND | 32、33、34 | 地 | 地 |
参照图5所示，本实用新型所述设备具体实施例中工作流程流程如下：
感知层网络节点根据内嵌网络协议寻找合适的低功耗装置为汇聚中心。
节点将需要的感知信息封装到网络规定的数据格式上，并上传至低功耗装置1。
低功耗装置1接收到节点的数据包之后进行解包处理，在将数据包中的应用层数据，重新按主控制器与低功耗装置之间的通信协议进行封装，之后发送到主控制器。
以主控制器与低功耗装置间的物理接口为串口为例：主控制器与低功耗装置之间的串口通信协议有两层结构组成。参照图6，其第一层是为了保证数据捕获，一般由捕获头和一个数据长度指示域组成。参照图7，其第二层则封装应用层数据，核心处理器为了区分不同节点的应用数据进行网络管理，该层一般需要包含一个指示节点ID的头和一个指示应用数据长度的域。则低功耗装置重新封装的数据包如图8所示形式。
主控制器2收到该数据后，去掉第一层帧头将剩余的数据作为应用层数据进行公共网络数据封装传到接入服务器即完成一次数据上报。
本实用新型的特点是在主控制器上的低功耗装置可以自由更换，从而在网络发生变化的时候，只需要针对具体的网络协议相应的更换为可以解析该网络协议的低功耗装置。在更换了这两个模块后，网络上传到低功耗装置的数据包封装格式虽然发生改变，但是，低功耗装置与主控制器之间的数据交换为单纯的应用数据交换，和具体数据格式无关，只要低功耗装置继续按照原有的接口通信协议进行数据封装，其他部分的功能无需更改即可支持新的网络。
另外上述步骤的反过程，即网络层数据向感知层传达的过程，通过本实用新型所述网关设备同样可以实现。根据同样原理，只需将数据的处理反向操作即可实现。
综上所述，本实用新型提供的网关设备，通过更换不同的低功效模块来适应不同的感知层网络协议。当外部感知层的无线多跳网络发生变化，只需要切换对应该网络协议的低功耗装置，即可完成数据的转换和传输，无需更换核心处理器。另外本实用新型所述网关也是脱离了感知层网络协议而独立进行开发的，也就不在受到单一的网络协议的限制，真正的实现的网关设备的通用。
以上所述仅是本实用新型的优选实施方案，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应该视为本实用新型的保护范围。
Claims (7)
1.一种物联网网关设备，其特征在于：所述设备包括一个主控制器和至少两个低功耗装置，每个低功耗装置转换一种类型的网络协议；
主控制器，包括至少一个第一类接口，同一时间有一个或者不超过第一类接口数量的多个低功耗装置通过所述第一类接口与主控制器连接，用于接收和处理低功耗装置上传的数据，并利用接收的数据与公共网络进行数据交换
低功耗装置，与物联网的感知层网络和主控制器二者连接，用于从感知层网络接收含有自身对应网络协议种类的数据，再对数据进行网络协议的转换，将转换后的数据发送到主控制器。
2.根据权利要求1所述设备，其特征在于：所述低功耗装置包括：射频芯片、低功耗处理器和连接装置；
射频芯片，连接感知层网络，用于低功耗装置与感知层网络间的数据交换；
低功耗处理器，低功耗处理器一端连接射频芯片，用于解析射频芯片传来数据的网络协议，剥离出应用数据并发送到主控制器；
连接装置，用于连接低功耗处理器与主控制器，进行二者的数据交换。
3.根据权利要求2所述设备，其特征在于，所述连接装置具体为：低功耗装置外设串口、SPI口和IIC口三者之一或任意组合，用于连接到主控制器预留的接口上。
4.根据权利要求3所述设备，其特征在于：所述设备还包括转接板，设置在第一类接口与连接装置之间，用于在第一类接口与连接装置的端口不匹配时，进行端口转换。
5.根据权利要求1所述设备，其特征在于，所述主控制器包括：核心处理器和第二类接口；
核心处理器，连接第二类接口，用于通过第一类接口接收低功耗装置解析过的数据，并重新包装成含有公共网络中网络协议的数据，发送给第二类接口；
第二类接口，接入公共网络，用于主控制器与公共网络间的数据交换。
6.根据权利要求1所述设备，其特征在于：所述第一类接口为主控制器上预留有串口、SPI口和IIC口之一或任意组合，用于接入低功耗装置的连接 装置。
7.根据权利要求5所述设备，其特征在于：所述主控制器中还包括：测试接口，用于低功耗装置的调试、升级或更换低功耗装置的内部代码。
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|---|---|---|---|
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Effective date of registration: 20190718 Address after: 214135 9th Building, Gemini A Building, No. 18 Zhenze Road, Xinwu District, Wuxi City, Jiangsu Province Patentee after: Perception Technology Wuxi Co., Ltd. Address before: 214135 Jiangsu Province, Wuxi City District Road No. 18 Wuxi Zhenze National Software Park Gemini A Co-patentee before: Wuxi Rongge Internet of Things Technology Co., Ltd. Patentee before: Wuxi Sensing Net Industrialization Research Institute |
|
| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20191012 Address after: 214135 8 / F, building a, Gemini, Wuxi Software Park, No. 18, Zhenze Road, Xinwu District, Wuxi City, Jiangsu Province Patentee after: Jiangsu perceptual HengAn Technology Co., Ltd. Address before: 214135 9th Building, Gemini A Building, No. 18 Zhenze Road, Xinwu District, Wuxi City, Jiangsu Province Patentee before: Perception Technology Wuxi Co., Ltd. |
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