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适配多终端的物联网网关设计与实现

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资料介绍

针对物联网网关统一标准尚未制定,无线传感网络(Wireless Sensor Networks,WSN)异构性大,应用场景受限,开发成本高等现状,提出一种应用于农业监控的物联网系统,设计并实现了一种适配多种WSN终端的物联网网关.该网关可以通过GPRS、WiFi、以太网多种远程通信模式进行通信,适配ZigBee和WiFi 传感网络类型终端,满足不同场合和环境的需求.以python集成的Sqlite3作为嵌入式数据库,编程实现数据互操作、数据管理、WSN和传统互联网之间的数据传输,最终形成了一个高集成度的轻量级农业物联网网关.最后给出系统运行结果验证,该网关系统性能稳定、通用性和扩展性强、易于开发和维护.

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lSSN

宫赂宝研勃与撂床

RESEARCH AND EXPLORATION IN LABORATORY

1006—7167

第37卷第11期2018年11月

面n丁了丽

V01．37 No．1l

NOV．2018

适配多终端的物联网网关设计与实现

方

贡

李彦明1，刘成良1，郭商羿2

锐1，

李旭东1，

亮1，

黄亦翔1，

(1．上海交通大学机械与动力工程学院，上海200240；2．农业部华南都市农业重点实验室，广州510640)

Sensor

摘

要：针对物联网网关统一标准尚未制定，无线传感网络(Wireless

Networks，WSN)异构性大，应用场景受限，开发成本高等现状，提出一种应用于农

业监控的物联网系统，设计并实现了一种适配多种WSN终端的物联网网关。该网

关可以通过GPRS、WiFi、以太网多种远程通信模式进行通信，适配ZigBee和WiFi

传感网络类型终端，满足不同场合和环境的需求。以python集成的Sqlite3作为嵌

入式数据库，编程实现数据互操作、数据管理、WSN和传统互联网之间的数据传

输，最终形成了一个高集成度的轻量级农业物联网网关。最后给出系统运行结果

验证，该网关系统性能稳定、通用性和扩展性强、易于开发和维护。

关键词：ZigBee；WiFi；无线传感网络；物联网；网关

274

中图分类号：TP

文献标志码：

文章编号：1006—7167(2018)11一0133—04

of Multi—terminal Internet of

and

Things Gateway

Design

Implementation

FANG

Ruil，LI Xudon91，GONG Lian91，HUANG Yixian91，LI Yanmin91，LIU Chenglian91，GUO Shangyi2

of Mechanical

of Urban

Jiao

200240，China；

(1．School

Engineering，Shanghai

in South

Tong University，Shanghai

Agriculture，Guangzhou

0640，China)

2．Key Laboratory

Agriculture

China，Ministry

unstandardized．It is

cost and

to use

^ofThings(10T)gateway

generally

usually high

poor flexibility

for

Abstract：Internet

wireless sensor

of its

to this

IoT

situation，an

system

networks(WSN)because

high heterogeneity．Due

agricultural

and

the

to various WSN

terminals，is designed

gateway，adapting

implemented．The

monitoring

proposed，and

for this

gateway

can realize various remote communication modes such as

GPRS，WiFi，ethernet．It

easy

gateway

different

and WiFi WSNterminals SO as to meet the needs of

occasions．Taking Raspberry-Pi-integrated

and data transfer

adapt

ZigBee

embedded

enables the data

as an

database，the gateway

interoperability，data management

Sqlite3

loT’S

is formed．The

_amongWSN and traditional

run．time results indicate

agricultural

gateway

and

Internet．Finally，a highly integrated lightweight

that the

features stable

system performance，strong universality

scalability，and

gateway

and maintain．

easy

develop

sensor

Keywords：ZigBee；WiFi；wireless

network；IoT；gateway

引

言

收稿日期：2018-01-30

物联网就是把物理世界中的物品，通过射频识别

(Radio Frequency Identification，RFID)、红外感应器、

基金项目：上海市科技兴农推广项目(沪农推字(2017)第2-1号)、

农业部华南都市农业重点实验室开放基金(009)资助

作者简介：方锐(1995一)，女，安徽六安人，硕士生，研究方向为

嵌入式系统。

全球定位系统(Global

Positioning System，GPS)、激光

扫描器等信息传感设备，按照约定的协议，进行信息交

换和共享，以实现远程数据采集和测量、智能化识别、

定位、跟踪、监控和管理的一种网络¨ 。。。物联网打破

传统思维，将物理基础设施和IT基础设施统一起来，

实现物理世界与数字虚拟世界的交流沟通，逐渐显现

Tel．：15821892713；E-mail：．edu．com

通信作者：贡亮(1981一)，男，安徽霍邱人，博士，副教授，现主要

从事农业机器人研究。

Tel．：021-3420607

1；E—mail：gongliang—．edu．cn

万方数据

宫胳客研亩与短廉

第37卷

出“全面感知，可靠传输，高度智能”的特征，成为继计

算机、互联网与移动通信网络之后的第3次信息化浪

潮，以更透彻的感知和度量、更全面的互联互通、更深

入的智能化处理为特征的物联网能够有效地促进物质

管理系统SQL Server和动态网页脚本程序，负责用户

应用网站后台建设[103。应用终端和控制终端是针对

于用户设计的人机交互界面，可以提供温室环境监控、

历史环境数据查询、水肥执行器控制等服务。

生产与服务管理相结合、物理世界与数字世界相融合、

工业化与信息化相融合，应用范围将涉及基础设施、公

共安全、环境保护、现代农业、智能工业、城市管理和商

业应用等各个领域”。。

物联网网关实现

2．1物联网网关功能需求分析

物联网网关可以实现多种感知网络与基础网络之

间的协议转换和数据转发。此外物联网网关还需要具

备设备管理功能。网关支持WSN通信接口，支持

TCP／1P、WiFi、3G／4G、GPRS通信接口和其他协议接

口。因此，物联网网关必须满足以下功能：

智慧农业模式是现代农业生产的大势所趋，运用

物联网技术，实现农业的精确生产，使得劳动力、生产

资料、土地资源等各要素在时间空间上精确分配，以获

得利益最大化‘74。。但是目前针对于大田墒情监测，

由于其环境恶劣，组网困难，开发成本高，对农业物联

网的发展和普及造成了很大的阻碍一。。针对这种现

状，本文建立了一种基于多种WSN的农业物联网温室

监控系统，可适配多种WSN终端，便携式网关可以多

种方式接人公网，实现远程监控。

(1)数据互操作。互操作是指两个系统之间数据

信息共享交互操作的过程 o。目前用于近距离通信

的传输协议有很多，每种技术都有其针对性的应用场

合，缺乏兼容性和统一的标准。物联网网关解决多种

异构网络之间的沟通问题，建立信息交互的统一信息

模型，实现通信协议的转换，以规范农业物联网应用的

建设，达到高效的应用集成和数据共享的目的¨ “。

(2)管理功能。网关接收的数据量大、数据结构

迥异，例如不仅需要接收WSN的节点数据，包括节点

的标识、参数、状态等信息，还需接收远程监控端下发

的控制命令。网关需要对各种数据进行识别、分类和

处理，实现统一的管理。。

物联网系统整体设计

物联网温室监控系统包括WSN、网关、服务器和

应用监控终端4个部分，如图1所示。

应用终端

控制终端

基于上述的物联网系统架构和物联网网关需求分

析，本文介绍适配多种WSN终端的物联网网关，开发

出网关样机如图2所示，该样机上行提供TCP／IP、

GPRS接口，下行提供ZigBee、WiFi、USB、UART串口

等通信接口。下面从样机的硬件和软件两个方面分别

进行介绍。

远程服务器l

I以太网接口|1 w讯i模块I[GPRS模块I

树莓派

通用I／O接口

网

电

天

源

PL2303

丁r

主节点(协调器)

———刊

zi鼬接q Lw谊i模块l

绷N

子节点

竹

传感设备

执行器

。

太阳能

电源

图1 温室监控系统原理图

WSN由多个无线传感节点组成，节点由太阳能板

供电，适配5种常见农业传感器。采集的数据通过

WSN最终汇聚到网络协调器。网关内置了这样的协

调器，接收的数据通过串口通信上传到以树莓派为主

体硬件平台的网关，网关将接收到的数据按照无线传

输协议进行解析，转化成传统互联网协议识别的数据

格式，最终转发至远程服务器中。服务器包括数据库

图2

l碉关实物图

2．2网关的硬件设计

本文研制的物联网网关采用树莓派Raspberry

为中心建立网关硬件平台，Raspberry Pi是基于

ARMll的开发板，它提供了以太网、USB、HDMI接口，

基于Linux的操作系统、Python语言开发环境，同时也

万方数据

第11期

方

锐，等：适配多终端的物联网网关设计与实现

Pi在体积、集成度、性

的网络协调器接收WSN的数据，监测数据格式是否正

确，不正确则舍弃，检测正确后分辨来源地址，并重新

分配短地址，将整理后的数据通过串口通讯发送出去，

数据格式见表2。程序中启动一个定时器，定时消除

支持C、Java等语言，Raspberry

价比、开发环境和效率上有着明显的优势’14。1“。树莓

派作为网关主体实现通信协议的广泛接入，上行以以

太网、WiFi、或GPRS等多种模式连接到通用网络，远

程服务器以PC机作为载体接收数据，实现与基础互

联网的对接。下行通过PL2303实现USB转TTL串口

通信与内置的网络协调器连接，再由协调器对子节点

WSN进行参数配置和结构管理。

接收数据出错时产生的错误冗余，当数据出错时，将接

收和发送字段清零。协调器程序流程如图4所示。

表1协调器接收数据格式

字节

byte

数据格式说明

上述网络协调器选用C8051F340作为主控芯片，

C8051F34x器件是完全集成的混合信号片上系统型

MCU，与标准8051内核完全兼容，指令执行速度有很

FD(传输类型说明)

数据区长度

byte

目标地址

byte 3～byte

byte 5～byte

byte 14一byte

大的提高¨ ，协调器中包括ZigBee模块，WiFi模块，

电压转换模块，串I=1通信模块。ZigBee模块选择

DRFl605H模块，该模块可以实现ZigBee和串El通信

之间的相互转换，可以安装天线，室外传输距离达1．6

km。17。。WiFi模块选择深圳思博智联科技公司开发的

TTL—WiFi透传固件，实现模块串口与WiFi数据的实

时透传。电压转换模块转换电源电压为开发板各模块

所需电压。串口通信模块作为与树莓派的通信接口。

该协调器样机实现了对WSN的数据信息汇聚和数据

传输。

待传数据

来源地址

表2协调器发送数据格式

字节

数据格式说明

byte 1一byte

数据包包头

传感数据

节点序号

byte 4～byte

byte 10

程序初始化

2．3网关的软件设计

物联网网关功能是确保WSN上传数据的接收、数

据互操作和上传，服务器端发送命令的接收，识别和下

传。同时，还需实现对WSN的操作维护和管理。物联

网网关样机软件功能模块如图3所示。

无

点譬模块

簇

接

簇

收数震据

曩扩

三睦=

定时器开启

糕

识是裂

否正

掰确?／

岁

Y●

远程服务器API

l数据包解析

待志一

时溢一器出一

＼标龇

一一{一一一一一{一一

二]二二

『地址重分配

TCP／IP客户

端传输请求

●

UDP服务器

端命令接受

●

——广

笑

／时氍定位

黼

I器矾

＼志邮

卜

串口传输重新

编译的数据包

树

莓

派

Sqlite3数据库L—wx模块图形

接收字段清零

管理

l’l界面显示

接收字段清零

串口通信接口

图4

WSN协调器流程图

二二二二式二二二二二二

串口通信接口

邕

莓派通过USB接口实现和WSN协调器样机的串

口通信，在Linux环境下使用python语言编写基于

USB接口的应用程序编程接口(API)，实现传感数据

的传输，运用轻量级集成数据库sqlite3，创建数据表用

于规范化存储数据，并调用python的图像用户界面模

块wxpython，实现在树莓派上的实时节点数据显示。

向远程服务器发送TCP／IP客户端连接请求，运行数

据库查询驱动程序导出数据发送至服务器。同时监听

网络端口，接收互联网下发的指令数据包，识别数据包

并解析包信息，根据包信息进行指令下发。树莓派程

序流程图如图5所示。

●

岛

地址重分配

定

网

络

协

调

器

●

时

数据包检测识别

●

ZigBee主节点通信模块

l_ 一

zigBee无线传感器网络

图3网关软件：王计功能模块

本系统中，每个节点具有数据采集与自主路由功

能，协调器接收到的数据格式见表1[183。网关中内置

万方数据

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