Linux人工智能开发实例 课件 5.1 Linux网关服务框架

第5章智能家居网关Linux开发案例智能家居网关Linux开发案例本章分析Linux技术在智能家居网关中的应用，共分3个模块：

1.Linux网关服务框架：先学习物联网网关、智云物联平台和平台开发调试工具，实现智能网关组网与测试。2.Linux智能网关设计：先学习Linux智能网关系统开发，进行本地服务设计、协议解析服务设计、地址缓存服务设计和数据处理服务设计，实现智能网关组网与测试。3.Linux网关远程服务设计：先分析远程服务设计，进行了TCP网络服务设计、MQTT数据服务设计和Linux网关协议设计，实现Linux网关远程服务设计。第5章智能家居网关Linux开发案例

5.1Linux网关服务框架智能家居网关Linux开发案例网关(Gateway)又称网间连接器、协议转换器。网关在传输层上以实现网络互连，是最复杂的网络互连设备，仅用于两个高层协议不同的网络互连。网关的结构也和路由器类似，不同的是互连层。网关既可以用于广域网互连，也可以用于局域网互连。物联网网关，成为连接感知网络与传统通信网络的纽带。作为网关设备，物联网网关可以实现感知网络与通信网络，以及不同类型感知网络之间的协议转换．既可以实现广域互联．也可以实现局域互联。此外物联网网关还需要具备设备管理功能，运营商通过物联网网关设备可以管理底层的各感知节点，了解各节点的相关信息，并实现远程控制。相关功能如下1）广泛的接入能力短距离通信的技术标准很多，包括ZigBee、6LowPAN、BLE、Wi-Fi等。各类技术主要针对某一应用展开，之间缺乏兼容性和体系规划。国内、外已经在展开针对物联网网关进行标准化工作，如3GPP、传感器工作组，实现各种通信技术标准的互联互通。5.1.1物联网网关智能家居网关Linux开发案例2）可管理能力首先要对网关进行管理，如注册管理、权限管理、状态监管等。网关实现子网内的节点的管理，如获取节点的标识、状态、属性、能量等，以及远程实现唤醒、控制、诊断、升级和维护等。由于子网的技术标准不同，协议的复杂性不同，所以网关具有的管理性能力不同。提出基于模块化物联网网关方式来管理不同的感知网络、不同的应用，保证能够使用统一的管理接口技术对末梢网络节点进行统一管理。5.1.1物联网网关物联网网关服务架构智能家居网关Linux开发案例3）协议转换能力从不同的感知网络到接入网络的协议转换、将下层的标准格式的数据统一封装、保证不同的感知网络的协议能够变成统一的数据和信令；将上层下发的数据包解析成感知层协议可以识别的信令和控制指令。物联网智能网关是一个中央数据转换单元，基于传统嵌入式技术，运行复杂的嵌入式操作系统，实现传感无线网数据与电信网/互联网之间的数据交互。智能网关采用嵌入式高性能ARM处理器，运行Linux操作系统，实现网络的数据M2M交互。5.1.1物联网网关物联网网关服务架构智能家居网关Linux开发案例一个基本的智云物联项目系统模型如图所示。（1）各种智能设备通过ZigBee（BLE、Wi-Fi、NB-IoT、LoRa和LTE）等无线传感网络联系在一起，其中协调器/汇集器节点作为整个网络的汇集中心；（2）协调器/汇集器与Linux网关进行交互，通过Linux网关上运行的服务程序，将传感网与电信网和移动网进行连接，同时将数据推送给智云中心，也支持数据推送到本地局域网。（3）云平台提供数据的存储服务、数据推送服务、自动控制服务等深度的项目接口，本地服务仅支持数据的推送服务。（4）物联网应用项目通过智云API进行具体应用的开发，能够实现对传感网内节点进行采集、控制、决策等。5.1.2智云物联平台智能家居网关Linux开发案例为了方便物联网项目的学习和开发，本书根据物联网网络特性开发了一款专门用于数据收发调试的辅助开发和调试工具，工具可以通过无线节点的调试串口获取节点当前配置的网络信息。当协调器连接到xLabTools工具上时可以查看网络信息和该协调器所组建的网络下的节点反馈的信息，并能够通过调试窗口向网络内各节点发送数据；将终端节点或路由节点连接到xLabTools工具上时可以实现对终端节点数据的监测，并能够通过工具向协调器发送指令。5.1.3平台开发调试工具5.1.3.1xLabTools调试工具智能家居网关Linux开发案例ZCloudTools是一款无线传感网综合分析测试工具，提供网络拓扑图、数据包分析、传感器信息采集和控制、传感器历史数据查询等功能。ZCloudTools调试工具界面如左图所示。除了Android端调试工具外，同时还开发了PC端调试工具，PC端调试工具为ZCloudWebTools，该工具可直接在PC的浏览器上运行，功能于ZCloudTools工具类似。ZCloudWebTools工具界面如右图所示。5.1.3平台开发调试工具5.1.3.2ZCloudTools协议工具智能家居网关Linux开发案例5.1.4开发实践：智能网关组网与测试5.1.4.1ZigBee网络1.ZigBee网络参数ZigBee作为一种可中继，覆盖范围广泛，接入节点众多的无线网络技术，其所构建的网络势必会有众多的节点，这些节点的识别与定位都是ZigBee网络所要关注的技术重点。ZigBee采用的网络区分与识别方法是设置ZigBee的网络CHANNEL（网络信道号），在相同CHANNEL下通过PANID（网络ID）来区别网络。当一个ZigBee节点将CHANNEL和PANID信息与已有的ZigBee网络信息设置相同时，这个ZigBee节点可以接入到已有的ZigBee网络。在ZigBee网络内部Coordinator（协调器）和Router（路由）通过分配的ShortAddr（短地址）实现对节点的定位与识别。在ZigBee网络外部，开发者可以通过每个ZigBee芯片所携带的全球唯一的MAC地址对Zigbee节点进行识别。下面对这四个参数进行说明：PANIDPANID是Zigbee的局域网ID，用于区分通信道下的其他网络，节点通过PANID判断自身所属的网络标识。PANID的参数可配置，其配置参数范围从0x0000~0xFFFF。可互相通信的节点之间PANID必须相同，且必须保证同一工作区域内的相邻网络PANID不同。MACMAC地址是一种是64位IEEE地址，这个64位的IEEE地址是一个全球唯一的地址，一经分配就将跟随设备一生。它通常由制造商或者被安装时设置。这些地址由IEEE组织来维护和分配。智能家居网关Linux开发案例5.1.4开发实践：智能网关组网与测试5.1.4.1ZigBee网络ShortAddrShortAddr是一种16位的ZigBee网络内部的网络地址，这个16位网络地址是当设备加入网络后分配的，它在ZigBee局域网中是唯一的，用来在网络中鉴别设备和发送数据。ZigBee节点在RFD模式下时直接使用内网点地址即可。CHANNELCHANNEL是ZigBee通信频率设置的信道号，2.4G的ZigBee协议栈含有16个通信信道，中国地区分配的信道为：信道11（0x0b）~信道26（0x1a）。对于信道的设置通过一个4字节的32bit数据来标示，如果需要使能某个信道，就将信道对应bit的数据置为1即可。比如某个设备使用信道11，将其信道数据值设置为0x00000800,使用信道26则设置为0x04000000。同时ZigBee网络允许设备使能多个信道。如果需要使能所有信道，设置CHANNEL为0x7fff800即可。ZigBee网络只有在保证在相同的信道下才能考虑通信的可能性，如果信道不同则无法组网。信道号分配如图所示。智能家居网关Linux开发案例5.1.4开发实践：智能网关组网与测试5.1.4.1ZigBee网络2.ZigBee网络节点类型ZigBee网络的基础主要包括设备类型，拓扑结构和路由方式三个方面的内容，ZigBee标准规定所有的ZigBee网络节点分为Coordinator（协调器）、Router（路由）、EndDevice（终端）三种类型，节点类型只是网络层的概念，反映了网络的拓扑形式，而ZigBee网络采用任何一种拓扑形式只是为了实现网络中信息高效稳定的传输，在实际的应用中不必关心ZigBee网络的组织形式的，节点类型的定义和节点在应用中所起到的功能并不相关。三种网络节点类型分析如下：Coordinator（协调器）不论ZigBee网络采用何种拓扑方式，网络中有一个并且只能有一个Coordinator节点，它在网络层的任务是：选择网络所使用的频率通道、建立网络并将其它节点加入网络、提供信息路由、安全管理和其它的服务。Coordinator在系统初始化时起重要作用，某些应用中网络初始化完成后，即使关闭了Coordinator节点，网络仍然可正常工作，但若Coordinator在应用层提供一些服务，就必须持续的处于工作状态。智能家居网关Linux开发案例5.1.4开发实践：智能网关组网与测试5.1.4.1ZigBee网络Router（路由）如果ZigBee网络采用了树形和星形拓扑结构就需要用到Router这种类型的节点，负责数据的路由，路由建立由ZigBee协议的算法决定，它入网后可以加入其它Router节点，也可以加入协调器，是网络远距离延伸的必要部件。此类节点的主要功能是：发送和接收节点自身信息；在节点之间转发信息；容许子节点通过他加入网络。EndDevice（终端）EndDevice节点的主要任务就是发送和接收信息，不能够转发信息也不能够让其他人加入网络。通常一个EndDevice节点不处在数据收发状态的时候可进入休眠状态以节省耗电。智能家居网关Linux开发案例5.1.4开发实践：智能网关组网与测试5.1.4.1ZigBee网络ZigBee网络架构ZigBee作为一种短距离、低功耗、低数据传输速率的无线网络技术，它是介于无线标记技术和蓝牙之间的技术方案，在传感器网络等领域应用非常广泛，这得益于它强大的组网能力，可以形成星型、树型和网状网三种ZigBee网络，可以根据实际项目需要来选择合适的ZigBee网络结构，三种ZigBee网络结构各有优势。星形拓扑星形拓扑是最简单的拓扑形式如图所示，包含一个Coordinator节点和一系列的EndDevice节点。每一个EndDevice节点只能和Coordinator节点进行通讯，在两个EndDevice节点之间进行通讯必须通过Coordinator节点进行转发。这种拓扑形式的缺点是节点之间的数据路由只有唯一的一个路径。Coordinator（协调者）有可能成为整个网络的瓶颈。实现星形网络拓扑不需要使用ZigBee的网络层协议，因为本身IEEE802.15.4的协议层就已经实现了星形拓扑形式，但是这需要开发者在应用层作更多的工作，包括自己处理信息的转发。智能家居网关Linux开发案例5.1.4开发实践：智能网关组网与测试5.1.4.1ZigBee网络树形拓扑树形拓扑结构如图所示，Coordinator可以连接Router和EndDevice，其子节点的Router也可以连接Router和EndDevice，多个层级的树形拓扑中，信息具有唯一路由通道，直接通信只可以在父节点与子节点之间进行，非父子关系的节点需间接通信。智能家居网关Linux开发案例5.1.4开发实践：智能网关组网与测试5.1.4.1ZigBee网络网状拓扑网状拓扑如图所示，具有灵活路由选择方式，当某个路由路径出现问题，信息可自动沿其它路由路径进行传输。任两个节点可相互传输数据，数据可直接传送或在传输过程中经多级路由转发，网络层提供路由探索功能，使得网络层可以找到信息传输的最优化路径，应用层不需要任何参与，网络会自动按照ZigBee协议算法选择较好的路由路径作为数据传输通道，以使得网络更稳定，通讯更有效率。智能家居网关Linux开发案例5.1.4开发实践：智能网关组网与测试5.1.4.2智能网关技术架构分析在整个物联网技术架构中，智能网关属于网络层与平台层交互的纽带。感知层的无线节点采集数据通过物联网无线通信方式（ZigBee、蓝牙、Wi-Fi、LoRa、NB-IoT、LTE）把数据传送到智能网关，网关汇集数据后上传到云服务器，云服务器对数据进行存储加工，最后用户终端通过云端接口去访问数据，如图所示。智能家居网关Linux开发案例5.1.4开发实践：智能网关组网与测试5.1.4.3智云物联项目组网与测试ZigBee网络构建过程：1）准备一个智能网关，若干ZigBee节点和传感器。2）智能网关先上电启动系统，此时ZigBee协调器根据程序设定的网络参数建立ZigBee网络。3）ZigBee节点上电启动，根据程序设定的网络参数开始搜寻网络并入网。4）配置智能网关的网关服务程序，设置ZigBee传感网接入到物联网云平台。5）通过应用软件连接到设置的ZigBee项目，与ZigBee设备进行通信。智能家居网关Linux开发案例5.1.4开发实践：智能网关组网与测试5.1.4.3智云物联项目组网与测试Linux网关配置：1）系统开机后Linux网关程序会自动启动，点击远程服务/本地服务的启动按钮打开服务，成功后会显示已连接，如左图所示。2）若需要修改边缘计算网关内置的ZigBee协调器节点的网络参数，选择“ZigBee”标签页，对PANID/CHANNEL进行修改，修改完成后重新勾选启动选项，如右图所示。智能家居网关Linux开发案例5.1.4开发实践：智能网关组网与测试5.1.4.3智云物联项目组网与测试连接设备并组建ZigBee网络：准备LiteB节点、传感器，接上天线，再将连接有传感器的LiteB节点上电（网络红灯闪烁后常亮表示加入网络成功），如左图所示。注意观察每个节点上的节点网络灯是否常亮，节点数据灯是蓝色，有数据传送时会闪烁，如右图所示。智能家居网关Linux开发案例5.1.4开发实践：智能网关组网与测试5.1.4.3智云物联项目组网与测试智能网关数据测试：当ZigBee设备组网成功，并且正确设置智能网关将数据连接到云端，此时可以通过ZCloudTools工具抓取和调试应用层数据。打开应用后，点击右下角的功能菜单，通过扫描智能网关上云服务ID/KEY的二维码输入相同的帐号信息，连接到服务器，如左图所示。ZCloudTools可查看网络拓扑图，了解设备组网状态如右图所示。智能家居网关Linux开发案例5.1.4开发实践：智能网关组网与测试5.1.4.3