无线传感器网络网关技术

1、1 1第10章 网 关 技 术10.1 概述概述10.2 网关的分类网关的分类10.3 网关的特点与功能网关的特点与功能10.4 WSN网关网关小结小结2 2本章目标理解无线传感器网关特点和功能。理解无线传感器网关的分类。掌握无线传感器网络网关系统原理。3 3学习导航4 4网关，又称网间连接器。网关在传输层上实现网络互联，是最复杂的网络互联设备，用于两个或两个以上高层协议不同的网络互联。网关的结构类似于路由器设备，不同的是互联层。网关既可以用于广域网互联，也可以用于局域网互联，是一种充当协议转换重任的计算机系统或设备。10.1 概述概述5 5无线传感器网络网关节点是无线传感器网络的控制中心，能

2、够主动扫描其覆盖范围内的所有传感器节点，管理整个无线监测网络完整的路由表，接收来自其他节点的数据，并对数据进行校正、融合等处理，通过GPRS或者以太网等网络基础设施发送到远程监控中心。同时对于监控中心所发出的指令给予相应的处理。网关节点通常连接两个或多个相互独立的网络，需要在传输层以上对不同的协议进行转换，因此对中央控制器的数据传输和运算能力有较高的要求。6 6网关根据应用领域的不同，分类也不同，一般可以分为协议网关、应用网关和安全网关。10.2 网关的分类网关的分类7 710.2.1 协议网关协议网关通常在不同协议的网络间做协议转换工作，这是网关最常见的功能。协议转换必须在数据链路层以上的所

3、有协议层都运行，而且要对节点使用这些协议层的进程透明。协议转换必须考虑两个协议之间特定的相似性和差异性，所以协议网关的功能比较复杂。协议网关中比较典型的代表是专用网关和两层协议网关。8 81. 专用网关专用网关能够在传统的大型机系统和迅速发展的分布式系统间建立桥梁。典型的专用网关把基于PC的客户端连到局域网边缘的转换器。该转换器通过X.25网络提供对大型机系统的访问。专用网关示意图如所示。专用网关示意图演示了从PC客户端到网关的过程，网关将IP数据通过X.25广域网传送给大型机系统。这些网关通常需要安装在连接到局域网的计算机上的单功能的电路板中，这使其价格低，并且较容易升级。9 9图10- 1

4、 专用网关示意图10 102. 两层协议网关两层协议网关提供局域网到局域网的转换。在使用不同帧类型或时钟频率的局域网间的互连可能就需要这种转换。所有的IEEE802标准都共享公共介质访问层，但是不同的标准之间的帧结构可能不同，例如：IEEE802.3标准和IEEE802.5标准。如所示。不同标准间帧结构的不同导致两种协议之间不能直接通信。11 11图10- 2 不同的协议帧格式12 12协议网关利用两层协议帧结构的共同点，例如MAC地址，提供帧结构不同部分的转换，使两层协议互通。第一代局域网需要独立的设备来提供协议网关，现在多协议交换集线器通常提供高带宽主干，在不同的帧类型间作为协议网关。13

5、 1310.2.2 应用网关应用网关是在应用层连接两部分应用程序的网关，是在不同数据格式间翻译数据的系统。这类网关一般只适合于某种特定的应用系统的协议转换。应用网关典型应用是在不同数据格式间翻译数据，接收一种格式的输入，将之翻译，然后以新的格式发送。如所示，输入、输出接口可以是分立的，也可以使用同一网络相连。14 14图10-3 应用网关数据格式转换15 15应用网关可以用于局域网客户机与外部数据源相连，这种网关本地主机提供了与远程交互式应用的连接。将应用的逻辑和执行代码置于局域网中，客户端避免了低带宽、高延迟的广域网的特点，使得客户端的响应时间更短。应用网关将请求发送给相应的计算机来获取数据

6、，如果需要可以将数据格式转换成客户所要求的格式。所示为局域网与外部数据转换。16 16图10-4 局域网与外部数据转换17 1710.2.3 安全网关安全网关类似于防火墙，网关可以是本地的，也可以是远程的。目前，网关已成为网络上每个用户都能访问大型主机的通用工具。在网络中安全网关是指一种将内部网和公众访问网分开的方法，实际上是一种网关隔离技术。安全网关是在两个网络通讯时执行的一种访问控制尺度，它允许合法的数据进入网络，同时将不合法的数据隔离在网络外部。安全网关具有很好的保护作用，入侵者必须穿越安全网关的防线，才能接触到目标计算器。此外，可以将安全网关配置成不同的保护级别。18 18网关是一种不

7、同的网络协议相互转换的设备，但是在设计无线传感器网络网关时，必须要考虑传感器网络的特点，所以在设计无线传感器网络网关时，必须考虑其特殊的特点和功能。本节将介绍广义网关和无线传感器网络网关的特点和功能。10.3 网关的特点与功能网关的特点与功能19 1910.3.1 网关的特点广义上的网关有以下两个特点：连接不同协议的网络。在一个大型的计算机网络中，当类型不同而协议又差别很大时，可以利用网关实现多个物理上或逻辑上独立的网络间的连接。由于协议转换的复杂性，一般只进行一对一的转换或者少数集中应用协议的转换。2020可以用于广域网互联，也可以用于局域网互联。对具有不同网络体系结构而且物理上又彼此独立的

8、网络，可以使用网关连接起来。被连接的两个网络可以是相同的，也可以是不同的。用网关互联的两个网络在物理上可以是同一个网络。无线传感器网络由成百上千个节点组成，且一般部署在环境比较恶劣的场合。在恶劣的环境中，频繁地为数量巨大的节点更换电池是不现实的。因此，无线传感器网络网关节点的能源供给都是一次性电池。无线传感器网络网关具有以下特点：21 21能耗方面：具有寿命长，高能效、低成本等特点。数据处理方面：具有数据吞吐量大、计算能力、存储能力要求高等特点。在通信距离方面：网关的传输范围比普通的无线传感器网络节点较远，以保证数据传输到外网的监控中心。在采用无线网络作为网关和监控中心的传输媒介时，要保证网关

9、能与最近的基站通信。222210.3.2 网关的功能广义上的网关具有以下功能：协议转换能力。流量控制能力。各个网络之间可靠传输信息的能力。路由选择能力。将数据分组分段和重装的能力。无线传感器网络网关在完成协议转换的同时，可以承担组建和管理无线传感器网络的诸多工作，具体功能如下：2323扫描并选定数据传输的物理信道，分配无线传感器网络内的网络，发送广播同步帧，初始化无线传感器网络设备。配合无线传感器网络所采用的MAC算法和理由协议，协助节点完成与邻居节点连接的建立和路由的形成。对接收数据进行协议转换。对从各个节点接收到的数据的具体应用和需求以及当前的带宽，自适应的启动数据融合算法，降低数据冗余度

10、。处理来自监控中心的控制命令。2424无线传感器网络网关属于协议网关的一种，可以转换不同的协议。在无线传感器网络中汇聚节点用于连接传感器网络、互联网和Internet等外部网络，可实现几种通信协议之间的转换，所以在无线传感器网络中可以认为汇聚节点是无线传感器网络的网关。本节将介绍一种以Zigbee技术为基础的无线传感器网络网关。10.4 WSN网关网关2525此无线传感器网络网关由网关开发板、显示屏、CC2530模块等组成，如所示。2626图10-5 网关外观272710.4.1 网关开发板网关开发板以STM32F107VCT6为核心处理器，外部集成了串口、USB、CC2530插槽、SD卡插槽

11、、蜂鸣器、以太网等。STM32F107VCT6处理器基于ARM V7架构的Cortex-M3内核，主频为72 MHz，内部含有256K字节的FLASH和64K字节的SRAM。2828STM32F107VCT6 MCU的主要硬件资源如下：ARM CM3内核，最高频率可达72 MHz。60针和100针两种管脚配置，多种封装方式。64256 K字节FLASH存储器，64 K字节SRAM存储器。2.03.6 V电源。2个12位，1 s A/D转换器(16通道)。2个12位D/A转换器。12通道DMA控制器。支持SWD和JTAG调试接口。292910个定时计数器。14个通信接口。网关开发板的STM32F

12、107VCT6处理器可以完成以下两种主要协议的转换：以太网串口。以太网USB。303010.4.2 CC2530模块CC2530是Zigbee芯片的一种，广泛使用于2.4G片上系统解决方案。建立在基于IEEE802.15.4标准的协议之上，支持Zigbee2006、Zigbee2007和ZigbeePro协议。CC2530芯片支持“Zigbee协议串口”协议的转化。在无线传感器网络数据采集和传输的过程中，CC2530模块通过无线可以接收到其他传感器节点的数据，此无线通信协议为Zigbee协议。31 3110.4.3 网关协议的转换网关的主要作用就是通过协议转换将数据发送出去。将CC2530模块插入到网关开发板的CC2530插槽中，便成为网关开发板的一部分。其协议转化过程如所示。CC2530模块通过Zigbee协议接收到其他支持Zigbee协议节点发送的数据后，将此数据经过“Zigbee协议串口”的转化，通过串口可以将数据传输至网关开发板的STM32F107VCT6处理器中。网关开发板的STM32F107VCT6处理器可以通过处理将协议转换为以太网，将数据通过以太网发送出去。3232图10-6 网关协议转化过程3333通过本章的学习，学生应该能够掌握：网关又称网