物联网技术及嵌入式网关

物联网技术及嵌入式网关主要内容物联网1物联网简介2物联网服务与结点分类3物联网网络架构及关键技术

物联网嵌入式实验平台嵌入式网关

1应用背景2分类2主要内容物联网（InternetofThings）1物联网简介

2物联网服务与结点分类3物联网网络架构及关键技术

物联网嵌入式实验平台嵌入式网关

1应用背景2分类3物联网简介物联网的概念最早出现于比尔盖茨1995年《未来之路》一书，只是当时受限于无线网络、硬件及传感设备的发展，并未引起世人的重视。1998年，美国麻省理工大学(MIT)创造性地提出了当时被称作EPC系统的“物联网”的构想。1999年，美国Auto-ID称物联网主要是建立在物品编码、RFID技术和互联网的基础上。2005年，ITU(国际电信联盟)发布了《ITU互联网报告2005：物联网》，综合二者内容，正式提出“物联网”的概念。4

物联网简介

物联网(InternetofThings)的概念

目前较为公认的物联网的定义是：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，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。按照ITU

(国际电信联盟)的定义,物联网主要解决物品到物品、人到物品、人到人之间的互连。5物联网简介《中国物联网产业发展年度蓝皮书（2010）》对物联网的一些外延概念做出了描述：外延概念描述之一：物联网是未来互联网的组成部分，是互联网的应用延伸和拓展。未来进一步发展，将可能成为工作平台，因为互联网的发展趋势是从连接人到连接物。它是有着自我配置能力的全球动态网络，在其中，物质和虚拟的“物”都有着自己的身份、物质属性、虚拟特性和可使用的智能接口，并无缝集成到信息网络。它涉及从信息获取、传输、存储、处理、应用的全过程，材料、器件、软件、系统、网络各方面的创新都会促进物联网的发展。6物联网简介外延概念描述之二：

在物联网中，人们将成为商业、信息、社会的积极参与者。从长远目标来说，物联网将建立在标准通信协议基础之上，计算机网络、媒介网络、服务网络将整合为一个全球人们共同拥有的互联网平台和无缝信息网络。7物联网简介外延概念描述之三：

在“物联网”时代，钢筋混凝土、电缆将与芯片、宽带、无线网络整合为统一的基础设施。下一代互联网将成为公共基础设施，每个人都可以像使用空气、水、电一样使用互联网，并能动态地随着“物”之间的相互连接而改善使用的体验，方便性和快捷性也将大大增强。由此，物联网中的通信将不仅发生在人与人之间，也发生在人与他们所处的环境之间。8物联网简介物联网相关概念M2M（MachinetoMachine）传感网泛在网移动互联网9物联网简介M2M（MachinetoMachine）

简单的说，M2M是将数据从一台终端传送到另一台终端，也就是就是机器与机器（MachinetoMachine）的对话。但从广义上M2M可代表机器对机器、人对机器、、机器对人、移动网络对机器之间的连接与通信，它涵盖了所有实现在人、机器、系统之间建立通信连接的技术和手段。10物联联网网简简介介传感网网传感网网是指指“随随机分分布的的集成成有传传感器器、数数据处处理单单元和和通信信单元元的微微小节节点，，通过过自组组织的的方式式构成成的无无线网网络””。现现在谈谈到的的传感感网，，一般般指的的是无无线传传感器器网络络（wirelesssensornetwork）。传传感网网实际际上由由传感感器＋＋短距距离传传输模模块共共同构构成。。目前前我国国研究究和探探讨传传感网网的重重点其其实并并不是是传感感器本本身，，而是是聚焦焦在，，通过过各种种低功功耗、、短距距离无无线传传输技技术构构成自自组织织网络络来传传输数数据。。11物联联网网简简介介泛在网网也被称称作无无所不不在的的网络络，最最早见见于施施乐首首席科科学家家MarkWeiser在1991年“21世纪的的计算算”文文章中中提出出的UbiquitousComputing，因此此泛在在网概概念的的提出出比物物联网网更早早一些些。泛在网网将以以“无无所不不在””、““无所所不包包”、、“无无所不不能””为基基本特特征，，帮助助人类类实现现“4A”化通通信，，即在在任何何时间间(anytime)、任何何地点点(any-where)、任任何何人人(anyone)、任任何何物物(anything)都能能顺顺畅畅地地通通信信。。12物联联网网简简介介移动动互互联联网网是将将移移动动通通信信和和互互联联网网二二者者结结合合为为一一体体，，它它是是一一个个全全国国性性、、以以宽宽带带IP为技技术术核核心心、、可可同同时时提提供供话话音音、、传传真真、、数数据据、、图图像像、、多多媒媒体体等等高高品品质质电电信信服服务务的的新新一一代代开开放放式式电电信信基基础础网网络络。。13物联联网网简简介介移动动互互联联网网物联联网网需需要要一一个个无无处处不不在在的的通通信信网网络络。。移移动动通通信信网网具具有有覆覆盖盖广广、、建建设设成成本本低低、、部部署署方方便便、、具具备备移移动动性性等等特特点点，，使使得得无无线线网网络络将将成成为为物物联联网网主主要要的的接接入入方方式式，，而而固固定定通通信信作作为为融融合合的的基基础础承承载载网网络络长长期期服服务务于于物物联联网网。。物联联网网的的终终端端都都需需要要以以某某种种方方式式连连接接起起来来，，发发送送或或者者接接收收数数据据时时，，考考虑虑到到方方便便性性(需要要数数据据线线连连接接)、信信息息基基础础设设施施的的可可用用性性(不是是所所有有地地方方都都有有方方便便的的固固定定接接入入能能力力)以及及一一些些应应用用场场景景本本身身需需要要随随时时监监控控的的目目标标就就是是在在活活动动状状态态下下，，因因此此移移动动网网络络将将是是最最主主要要的的接接入入手手段段。。14CPS2006年2月发发布布的的《美国国竞竞争争力力计计划划》则将将信信息息物物理理系系统统(CyberPhysicsSystem，CPS)列为为重重要要的的研研究究项项目目。。到了了2007年7月，，美美国国总总统统科科学学技技术术顾顾问问委委员员会会(PCAST)在题题为为《挑战战下下的的领领先先———竞争争世世界界中中的的信信息息技技术术研研发发》的报报告告中中列列出出了了八八大大关关键键的的信信息息技技术术，，其其中中CPS位列列首首位位，，其其余余分分别别是是软软件件、、数数据据、、数数据据存存储储与与数数据据流流、、网网络络、、高高端端计计算算、、网网络络与与信信息息安安全全、、人人机机界界面面、、NIT与社社会会科科学学。。物联联网网服服务务与与结结点点分分类类物联联网网的的服服务务类类型型是是设设计计和和验验证证物物联联网网体体系系结结构构和和物物联联网网系系统统的的主主要要依依据据。。根根据据物物联联网网自自身身的的特特征征,物联联网网应应该该提提供供以以下下几几类类服服务务:1.联网网类类服服务务:物品品标标识识、、通通信信和和定定位位;2.信息息类类服服务务:信息息采采集集、、存存储储和和查查询询;3.操作作类类服服务务:远程程配配置置、、监监测测、、远远程程操操作作和和控控制制;16物联联网网服服务务与与结结点点分分类类4.安全全类类服服务务:用户户管管理理、、访访问问控控制制、、事事件件报报警警、、入入侵侵检检测测、、攻攻击击防防御御;5.管理理类类服服务务:故障障诊诊断断、、性性能能优优化化、、系系统统升升级级、、计计费费管管理理服服务务。。17物联联网网服服务务与与结结点点分分类类结点点类类型型无源源结结点点有源源结结点点互联联网网结结点点18物联联网网结结点点分分类类无源源结结点点是具具有有电子子标标签签的物物品品，，这这是是物物联联网网中中数数量量最最多多的的结结点点,例如如携携带带电电子子标标签签的的人人可可以以成成为为一一个个无无源源结结点点。。无源源结结点点一一般般不不带带电电源源,可以以具具有有移移动动性性,具有有被被感感知知能能力力和和少少量量的的数数据据存存储储能能力力,不具具备备计计算算和和联联网网能能力力,提供供被被动动的的物物-物连连接接。。19物联联网网结结点点分分类类有源源结结点点具备备感感知知、、联联网网和和控控制制能能力力的的嵌嵌入入式式系系统统,这是是物物联联网网的的核核心心结结点点,例如如装装备备了了可可以以传传感感人人体体信信息息的的穿穿戴戴式式电电脑脑的的人人可可以以成成为为一一个个有有源源结结点点。。20物联联网网结结点点分分类类互联联网网结结点点具备备联联网网和和控控制制能能力力的的计计算算系系统统,这是是物物联联网网的的信信息息和和控控制制中中心心。。它它不不是是一一般般的的互互联联网网的的结结点点,是属于物物联网系系统中的的结点,采用了互互联网的的联网技技术相互互连接,但具有物物联网系系统中特特有的时时间和空空间的控控制能力力,配备了物物联网专专用的安安全性和和可靠性性的控制制体系。。这种结点点具有不不间断电电源,不具备移移动性,可以具有有感知能能力,具有较强强的存储储、计算算和联网网能力，，可以以提供人人-物、人-人连接接。21主要要内内容容物联网1物联网简简介2物联网服服务与结结点分类类3物联网网网络架构构及关键键技术物联网嵌嵌入式实实验平台台嵌入式网网关1应用背景景2分类22物联网网网络架构构及关键键技术物联网网网络架构构23物联网网网络架构构及关键键技术物联网网网络架构构感知层：：主要实实现智能能感知功功能，包包括信息息采集、、捕获、、物体识识别。网络层：：主要实实现信息息的传送送和通信信，网络络层可依依托公众众电信网网和互联联网。应用层：：主要包包含各类类应用，，目前最最受关注注的热点点应用领领域有智智能电网网、精细细农业、、智能交交通、智智能物流流等。24物联网网网络架构构及关键键技术25物联网网网络架构构及关键键技术关键技术术感知层关关键技术术：感知知识别技技术正向向低成本本、低功功耗、新新型化、、微型化化、智能能化、综综合化和和高可靠靠性方向向发展。。在传感感器网络络方面，，无线传感感器网络络成为主流流，同时时关注面面向应用用的定制制、嵌入入式芯片片和软件件、近距距离无线线通信芯芯片和新新型电池池技术等等。26物联网网网络架构构及关键键技术关键技术术网络层关关键技术术：包括括适应物物联网业业务模型型的无线线接入技技术、核核心网优优化技术术；包括括适用于于传感器器节点的的短距离离通信技技术，研研究自组组织组网网技术；；包括鉴鉴权、计计费、网网络管理理、移动动性管理理等技术术，以及及异构网网络的融融合技术术和协同同技术等等。应用层关关键技术术：包括括SOA(Service-orientedarchitecture，面向服服务架构构)和云计算算等。27主要要内内容容物联网1物联网简简介2物联网服服务与结结点分类类3物联网网网络架构构及关键键技术物联网嵌嵌入式实实验平台台嵌入式网网关1应用背景景2分类28物联网嵌嵌入式实实验平台台UP-CUP6410系统是博博创科技技基于嵌嵌入式系系统和标准上的的无线传传感器技技术，而而设计的的一款嵌嵌入式物物联网综综合实验验平台。。主要由基基于ARM11系统的网关设备备、ZIGBEE(CC2431)模块、外外扩传感感器模块块三大部分分硬件构构成。29物联网嵌嵌入式实实验平台台30物联网嵌嵌入式实实验平台台功能特征征硬件资源源传感器节节点ZigBee网络节点点嵌入式网网关嵌入式网网关软件件31物联网嵌嵌入式实实验平台台功能特征征◆支持持USB高速下载载、IAR集成开发发环境；；◆支持持在线下下载、仿仿真、调调试、烧烧写功能能；◆支持持USB供电、电电池供电电方式；；◆C51编程开发发，简单单、方便便、快捷捷；◆板载载LED指示灯、、RS232串口；◆可外外扩多种种传感器器模块(温湿度、红外外、烟雾、光光敏、声响、、加速度等)；◆强大的嵌嵌入式网关硬硬件平台(ARM11S3C6410X处理器)；32物联网嵌入式式实验平台硬件资源——传感器节点*广谱气体传传感器：用于于液化气、烟烟雾等烷烃类类气体的探测测；*热释红外传传感器：用于于探测红外特特征辐射，可可感知人体，，小动物的热热源，适合做做热释红外物物体运动检测测；*三轴加速速度传感器：：X、Y、Z三方向加速度度测量，测量量范围±8g；*压力传感感器：测量范范围0-4.5kg，电阻应变型型传感器，测测量精度、灵灵敏度高，适适合做小量程程高精度测量量33物联网嵌入式式实验平台硬件资源——传感器节点*温湿度传感感器：湿度和和温度测量，，数字格式输输出、有自动动休眠功能，，体积小，功功耗低；*接近开关/红外反射：高高灵敏度触碰碰开关，适合合检测触摸和和碰撞；反射射式红外传感感器，可应用用循迹检测，，位置检测等等领域；*声响开关/光敏：可检测测声音和光照照强度，并具具有报警指示示灯，可以应应用在道路交交通，楼宇声声光检测等领领域；*干簧门磁磁/霍尔开关：机机械和数字式式磁敏传感器器，可用于磁磁场检测；34物联网嵌入式式实验平台硬件资源——ZigBee网络节点*使用TI当下主流Zigbee解决方案中推推荐的处理器器CC2431，内置硬件定定位引擎及增增强型8位51单片机；*含有丰富富的I/O端口、内置温温度传感器、、A/D和各种常用外外围接口(定时器、UART、DMA、中断、AES加密协处理器器等；

*符符合标准规范，频频段范围2045M-2483.5M，可自由在16个频段间切换换。

*无无线数据传输输速率约为20~250kb/s；

*具有有片内128K的可编程Flash，和8K的RAM；

*工作作电压，超低功耗，，支持休眠及及唤醒功能；；35物联网嵌入式式实验平台硬件资源——ZigBee网络节点*支持TI官方Z-Stack2006协议栈，兼容容Z-Stack2007/Pro协议栈，可方方便快速进行行二次开发*支持TIZ-Stack自带的轮询操操作系统，支支持多任务处处理；

*基基于IAR51集成开发环境境的工程仿真真调试环境；；

*支持持形状网、树树状网和网状状(Mesh)组网方式；*支持路路由中继功能能、网络节点点自动修复功功能；

*可可外接配合合多种传感器器节点模块，，进行温湿度度、压力、加加速度、光感感应、声音检检测数据采集集等；

*支支持外接直直流电源、干干电池、USB口等供电方式式；36物联网嵌入式式实验平台硬件资源——嵌入式网关网关采用S3C6410X微处理器，配配有8寸液晶触摸屏屏。37物联网嵌入式式实验平台嵌入式网关软软件*嵌入式linux2.6的操作系统及及外设驱动*QT/Embedded4嵌入式图形界界面开发工具具包

*嵌嵌入式SQLite数据库

*嵌嵌入式WEB网络服务器38A2F200概图微控制器子系统（MSS）SmartFusion器件A2F200A2F500

快闪(Kb)256512

SRAM(Kb)6464

Cortex-M3附存储器保护单元(MPU)YesYes

10/100以太网MACYesYes

外部存储器控制器(EMC)26-bitaddress,16-bitdata26-bitaddress,16-bitdata

直接存储器存取(DMA)8Ch8Ch

I2C22

SPI22

16550通用异步收发器(UART)22

32位定时器22

模拟锁相环(PLL)12

32KHz低功耗振荡器11

100MHz片上RC振荡器11

主振荡器(1.5MHz到20MHz)11FPGA资源SmartFusion器件A2F200A2F500

系统门200,000500,000

逻辑单元(Tiles)(D型触发器)4,60811,520

RAM模块(4,608位)824可编程模拟SmartFusion器件A2F200A2F500模数转换器(ADC)(8/10/12位SAR)23数模转换器DAC)(12位sigma-delta)23信号调节模块(SCB)45比较器2810电流监控器245温度监控器245双极性高电压监控器2810I/O:MSS加FPGAI/OSmartFusion器件A2F200A2F500封装FG484FG484直接模拟输入812总体模拟输入2432总体模拟输出23MSSI/O3,44141FPGAI/O94128总I/O161204上图描述了主主机和从机在在AHB总线矩阵中的的连接。标签签，如MM0和MS0分别指的是master镜像和slave的镜像。在矩矩阵中，master镜像直接连接接到AHBmaster，slaver镜像直接连接接到AHBslave。主要内内容物联网1物联网简介2物联网服务与与结点分类3物联网网络架架构及关键技技术物联网嵌入式式实验平台嵌入式网关1应用背景2分类45嵌入式网关应用背景无线传感器网网络（WSN）是由大量的的具有无线通通信与计算能能力的微小传传感器节点布布设在特定区区域而形成的的。它具有网网络规模大、、成本低、节节点硬件简单单、功耗低、、自组织等特特点，这些特特点决定了只只有将它与现现有的网络基基础设施相融融合,才能方便人们们进行网络控控制、管理和和数据获取。。通常，无线传传感器网络节节点受自身硬硬件资源、部部署环境中网网络基础设施施等条件的限限制，使其直直接接入传统统网络是不切切实际的。使使用网关实现现WSN与IP网络互联，是是一种最简单单直接的方法法。46嵌入式网关分类relay：用于网络间翻翻译和转发数数据包Application-layergatewayNAT(NetworkAddressTranslation)gatewayfront-end：基于Web的嵌入式网关关47嵌入式网关relayApplication-layergateway：工作在应用层层。在该方式式下，WSN与IP网络所有协议议层次上都可可以完全不同同。通常，该该网关是为特特定的应用设设计的。48嵌入式网关relayNAT(NetworkAddressTranslation)网关：工作在在网络层，当当WSN采用以地址为为中心的私有有网络层协议议时，网关在在网络层进行行WSN私有地址和标标准IP地址的转换。。49嵌入式网关front-end：作为WSN的前端，是一一种基于Web的嵌入式网关关。网关收集传感感器采集来的的数据，并把把它们存储在在数据库中。。用户通过SQL查询或网页的的形式获取网网关内存储的的数据。它能能够提供HTTP服务,具有导出信息息的功能,使远程客户端端能够对其进进行监测和管管理。它还可可以执行一些些安全功能，，如对用户和和数据合法性性的认证。基于Web的网关需要具具备以下功能能：对传感器器采集数据的的融合，在Internet和WSN间进行灵活的的查询管理，，WSN高效的接入。。50嵌入式网关figure：无线传感器器网络网关与与Internet相连51嵌入式网关两两种类型Firstpaper-NATgatewaySecondpapaer-基于Web的嵌入式网关关52嵌入式网关1FrameworkSensorNode：运行WSN路由协议，可可以是address-centric也可以是data-centric。IPHost：可以和单个个sensornode通信，也可以以实现interest-based查询。Gateway：连接WSN和IP网络。主要功功能是分配虚虚拟地址和翻翻译数据包。。53嵌入式网关1Framewor网关分配虚拟拟的IP地址给传感器器节点，并分分配虚拟的sensorID给IP主机。虚拟的IP地址和虚拟的的ID存储在网关的的mappingtables中。54嵌入式网关1举例：主机A和nodeX间的通信主机A发送一个IPpacket(包的净荷采用用WSN协议应用层定定义的格式)55嵌入式网关关1在data-centricWSN中，由于sensor节点不具有有唯一的ID，所以需要要给每个IP地址匹配一一个interest。IP主机向WSN发送interest-based查询：它首先向网网关节点发发送一个interestpacket，指定查询询的属性值值；网关节点为为这个interest分配一个VirtualIPaddress，并返还给给求主机；；主机发送一一个源地址址=IPaddress、目的地址址=VirtualIPaddress的数据包，，数据包路路由到网关关，网关将将目的地址址与相应的的interest相匹配，并并将源IP地址注册到到mappingtable中。当网关关收到回复复的数据包包，它将这这个包发送