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強化物聯網“心臟”,智能網關設計詳解

文章出處:立薩科技 人氣:9
摘要 : 物聯網組網采用分層的通信系統架構,包括感知延伸系統、傳輸系統、業務運營管理系統和各種應用,在不同的層次上支持不同的通信協議,如圖1所示。 感知延伸系統包括感知和控制技術,由感知延伸層設備以及網關組成,支持包括Lonworks、UPnP、Zigbee等通信協議在內的多種感知延伸網絡。感知設備可以通過多種接入技術連接到核心網,實現數據的遠程傳輸。業務運營管理系統面向物聯網范圍內的耗能設施,包括了應用系

  一、物聯網網絡架構

  物聯網組網采用分層的通信系統架構,包括感知延伸系統、傳輸系統、業務運營管理系統和各種應用,在不同的層次上支持不同的通信協議,如圖1所示。 感知延伸系統包括感知和控制技術,由感知延伸層設備以及網關組成,支持包括Lonworks、UPnP、Zigbee等通信協議在內的多種感知延伸網絡。感知設備可以通過多種接入技術連接到核心網,實現數據的遠程傳輸。業務運營管理系統面向物聯網范圍內的耗能設施,包括了應用系統和業務管理支撐系統。應用系統為最終用戶提供計量統計、遠程測控、智能聯動以及其他的擴展類型業務。業務管理支撐系統實現用戶管理、安全、認證、授權、計費等功能。

  二、物聯網網關概念

  作為連接感知層與網絡層的紐帶,物聯網網關可以實現感知網絡與通信網絡,以及不同類型感知網絡之間的協議轉換.既可以實現廣域互聯.也可以實現局域互聯。在無線傳感網中,物聯網網關是不可或缺的核心設備。此外物聯網網關還需要具備設備管理功能,運營商通過物聯網網關設備可以管理底層的各感知節點,了解各節點的相關信息,并實現遠程控制。

  從物聯網網關的定義來看,物聯網網關很難以某種相對固定的形態出現??傮w說凡是可以起到將感知層采集到的信息通過此終端的協議轉換發送到互聯網的設備都可以算做物聯網網關。形態可以盒子狀也可以是平板電腦,可以有顯示屏幕的交互式形態,也可以是封閉或半封閉的非交互形態。

  三、物聯網網關關鍵技術

  1、多標準互通接入能力 :目前用于近程通信的技術標準很多。常見的傳感網技術包括 ZigBee、Z-Wave 、 RUBEE 、 WirelessHART 、 IETF6IowPAN 、AM‘ /ANrr +、Wibree、]nSTeON 等。各類技術主要針對某一類應用展開,之間缺乏兼容性和體系規劃。如:Z.Wave主要應用于無線智能家庭網絡,RUBEE適用于惡劣環境,WirelessHART 主要集中在工業監控領域。實現各種通信技術標準的互聯互通,成為物聯網網關必須要解決的問題。是針對每種標準設計單獨的網關,再通過網關之間的統一接口實現。還是采用標準的適配層、不同技術標準開發相應的接口實現。

  2、網關的可管理性:物聯網網關作為與網絡相連的網元,其本身要具備一定的管理功能,包括注冊登錄管理、權限管理、任務管理、數據管理、故障管理、狀態監測、遠程診斷、參數查詢和配置、事件處理、遠程控制、遠程升級等。如需要實現全網的可管理,不僅要實現網關設備本身的管理,還要進一步通過網關實現子網內各節點的管理,例如獲取節點的標識、狀態、屬性等信息,以及遠程喚醒、控制、診斷、升級維護等。盡管根據子網的技術標準不同。協議的復雜性不同,所能進行的管理內容有較大差異。

  四、 物聯網網關設計方法

  在進行物聯網智能網關應用系統方案設計時,可以采用下述一般設計方法作為指導。

  1. 確定系統功能與性能。由需求調查確定物聯網智能網關應用系統的設計目標,這一目標包括系統功能與性能。系統功能主要由數據采集、數據處理、輸出控制等。

  2. 確定系統基本結構。物聯網智能網關應用系統結構一般是以單片機為核心外部擴展相關電路的形式。確定了系統中的單片機、存儲器分配以及輸入/輸出方式就可答題確定出物聯網智能網關應用系統的基本組成。

 ?、艈纹瑱C。在系統詳細方案設計時,先要確定單片機的型號。所選單片機的型號不同,組成的系統結構也就不同。

 ?、拼鎯ζ鞣峙?。不同的單片機具有不同的存儲器組織。應根據應用系統的需要合理進行存儲器的分配。

 ?、荌/O方式。采用不同的輸入/輸出方式,對于單片機應用系統的軟、硬件結構有直接的影響。在單片機應用系統中,常用的I/O方式主要有:無條件傳送方式(同步傳送方式)、查詢方式、中斷方式。

 ?、染W絡控制器。性能穩定,結構簡單,編程易實現的網絡控制器對于優化物聯網智能網關應用系統起著關鍵性的作用。

  物聯網智能網關應用系統的工作模式可以分為兩類,服務器端和客戶端。無論工作于何種模式,都需要對以太網控制器進行網絡參數配置,以實現最基本的物理連接(即能夠ping通)。

  3. 硬件設計。物聯網智能網關應用系統硬件設計是圍繞著單片機及網絡控制器做外部功能擴展而展開的,其基本結構如圖所示。

 ?、?程序存儲器。傳統的單片機內無片內程序存儲器或存儲容量不夠大,需外部擴展程序存儲器。外部擴展的存儲器通常選用FLASH存儲器?,F在的單片機一般都集成了較大容量的程序存儲器,使用時,不需要進行程序存儲器的擴展。

 ?、?數據存儲器。數據存儲器用于暫時保存程序運行中的中間結果,一般由RAM 構成。大多數單片機都提供了小容量的片內數據存儲器,只有當片內數據存儲器不夠用時才擴展外部數據存儲器。無論是程序存儲器還是數據存儲器,存儲器的設計 原則是:在存儲容量能夠滿足要求的前提下,盡可能減少存儲芯片的數量。

 ?、?I/O接口。由于外設多種多樣,使得單片機與外設之間的接口電路也各種不相同。因此,I/O接口常常是單片機應用系統中設計最復雜也是最困難的部分之一。

 ?、?譯碼電路。當需要外部擴展電路時,常常需要設計譯碼電路。譯碼電路要盡可能簡單,要求存儲器空間分配合理,譯碼方式選擇得當。

  4. 軟件設計。軟件是物聯網智能網關應用系統中的一個重要組成部分,一般計算機應用系統的軟件包括系統軟件和用戶軟件,而物聯網智能網關應用系統中的軟件一般只有用戶軟件,即應用系統軟件。軟件設計的關鍵是確定軟件應完成的任務及選擇相應的軟件結構。

 ?、湃蝿沾_定。根據系統軟、硬件的功能分工,確定出軟件應完成什么功能。作為實現控制功能的軟件應明確控制對象、控制信號及控制時序;作為實現處理功能的軟件應明確輸入是什么、要做什么樣的處理(即處理算法)、產生何種輸出。

 ?、?軟件結構。軟件結構與程序設計技術密切相關。程序設計技術提供了程序設計的基本方法,最常用的程序設計方法是模塊化程序設計。模塊化程序設計具有結構清晰、功 能明確、設計簡便、程序模塊可共享、便于功能擴展及便于程序維護等特點。為了編制模塊程序,先要將軟件功能劃分為若干子功能模塊,然后確定出各模塊的輸 入、輸出及相互間的聯系。

  想要了解更多物聯網通信技術設計資料,請關注《物聯網核心技術之通信》專題

  五、廠商設計方案

  1、TI用于 IoT 應用的住宅智能家居網關參考設計

  描述

  此設計可為家庭自動化應用提供 ZigBee? 家庭自動化 (HA 1.2) 認證的參考網關。由 Sitara? AM335x 處理器提供支持的功能豐富且基于 Linux 的網絡和 GUI 示例應用可以使用基于 SimpleLink? ZigBee CC2531 無線 MCU 的軟件狗控制和監控 ZigBee 節點。此設計包含幾十個可簡化 Linux 系統中的 ZigBee 集成和應用開發的 API。

  特性

  用于家庭自動化的簡單 API,將 TCP/IP 集成到 ZigBee 網橋,有助于加快應用的開發速度和簡化低功耗連接解決方案的集成

  基于 CC2531 的運行 ZigBee 家庭自動化 (HA 1.2) 認證協議堆棧的 USB 軟件狗、MAC 和 PHY,針對互操作性進行了全面測試

  基于 Sitara AM335x BeagleBone Black 社區支持的低成本開源開發平臺和基于小型 USB 軟件狗的 SimpleLink? ZigBee CC2531 無線 MCU

  可從 TI 網上商店或通過授權經銷商獲取所有系統硬件組件。還可獲取基于 Wiki 的用戶指南以生成和編譯 Linux 開源組件

  基于 Linux 的現成系統軟件和硬件實現,用于通過以太網將 ZigBee 傳感器連接到 TCP/IP 應用,包括所有應用程序、Linux 中間件、ZigBee 堆棧和硬件組件

  用于 BeagleBone Black 的 Z-Stack? Linux 網關安裝程序軟件包和用于 SimpleLink CC2531 軟件狗的 ZigBee 家庭自動化堆棧是免費的,可從 TI 的 Z-Stack? 軟件頁面進行下載。

  硬件設計框圖

  詳細資料:AM335x ARM Cortex-A8 微處理器(MPU)詳細介紹

  軟件設計框圖

  相關軟件與工具:CC2531 USB 評估模塊套件

  應用 家庭網關

  2、TI智能家居和能源網關參考設計

  智能家居與能源網關參考設計為智能家居和建筑物的能源系統的測量、管理和通信提供了完整的系統解決方案。此設計是 WiFi、以太網、ZigBee 或藍牙等不同通信接口(通常在住宅建筑物和商業建筑物中出現)之間的橋梁。由于房屋和建筑物中的物體越來越多地聯系在一起,因此網關設計需要靈活以符合不同的 RF 標準,因為沒有單個 RF 標準主宰市場。此網關通過支持現有傳統 RF 標準(WiFi、藍牙)和較新的 RF 標準 (ZigBee, BLE) 來解決此問題。

  特性

  不同通信接口基線驗證的堅實軟件基礎

  ZigBee、WiFi、藍牙和 NFC(近場通信)的共存允許不同通信配置文件同步運行

  實現智能能源、照明和樓宇自動化的無縫配置文件集成

  實現 HAN(家庭區域網)和 LAN(局域網)/WAN(廣域網)之間的橋梁

  原理圖/方框圖

  詳細資料:AM335x ARM Cortex-A8 微處理器(MPU)

  軟件框圖

  核心器件

  詳細資料:德州儀器 CC2530

  設計Demo 演示板:

  詳細資料:設計文件

  想要了解更多物聯網通信技術設計資料,請關注《物聯網核心技術之通信》專題

  3、NXP 智能網關參考設計

  NXP互聯網(IOT)網關是連接日常無線功能的設備的有線網絡的一個重要組成部分,它們可以控制和監視?;谥鳈C控制器運行OpenWrt ARM9 Linux操作系統,提供了一個易于使用的平臺系統開發。它的軟件設計是模塊化的,允許輕松定制的,包括應用程序的變化軟件。無線接口可以參與 ZigBee或 JenNetIP網絡。隨著無線USB的適配器的加入,網關可以參與的混合網絡。數據加密在有線接口使用標準的互聯網技術和128位AES加密的無線通信技術。這個物聯網網關是一個以太網網關有著密切聯系,專為低功耗無線網絡設計的,基于IEEE 802.15.4標準,能兼容ZigBee和JenNet-IP的智能網關。

  1. 功能框圖

  2. 重要特征

  2.1 ARM926EJ-S處理器,CPU時鐘運行速率可高達266MHz

  LPC3240的CPU工作頻率最高可達266 MHz。恩智浦實施采用了一個ARM926EJ-S CPU,具備Harvard架構,5級流水線和完整的存儲器管理單元(MMU)。 LPC3240還包含256 kB片內靜態RAM,一個NAND閃存接口,一個以太網MAC,一個支持SDR和DDR SDRAM的外部總線接口,以及其它靜態設備。另外,LPC3240包含一個USB 2.0全速接口,7個UART,2個I2C總線接口,2個SPI/SSP端口,2個I2S總線接口,2個單輸出PWM,一個電機控制PWM,6個帶捕獲輸入和比較輸出的通用定時器,一個SD接口,以及一個帶觸摸屏檢測選項的10位模擬-數字轉換器(ADC)。

  詳細資料:NXP LPC3240

  2.2 無線Zigbee 通訊采用 NXP JN5168 芯片

  JN5168是超低功耗的高性能無線微控制器,支持JenNet-IP、ZigBee Smart Energy、ZigBee Light Link、RF4CE和IEEE802.15.4網絡協議棧,適合開發Smart Energy、Home Automation、Smart Lighting、遙控或無線傳感器應用。該器件具有一個增強型32位RISC處理器,帶256 kB嵌入式閃存、32 kB RAM和4 kB EEPROM存儲器,通過可變寬度指令提供高編碼效率;一條多級指令流水線,通過可編程時鐘速率實現低功耗運行。該器件還集成了2.4 GHz IEEE802.15.4兼容型收發器和各種模擬和數字外設。憑借一流的15 mA工作電流特性和0.6 μA睡眠定時器模式實現出色的電池壽命,支持用一枚鈕扣電池直接供電。

  詳細資料:NXP JN5168無線微控制器

  2.3 采用TI DP83848K 10/100M以太網收發器

  DP83848 10/100 Mb/s單路物理層器件提供了低功耗性能,其包含一個智能電源關閉狀態-能量檢測模式。

  詳細資料:TI DP83848

  3. 應用領域

  ZigBee網絡的網絡控制

  JenNet- IP網絡的網絡控制

  連通以太網網關/協議

  智能樓宇的通信與控制

  4、Intel 智能網關參考設計

  Intel智能網關設計為傳統工業設備和下一代智能基礎設施物聯網連通性提供了解決方案。其提供的開發平臺集成了網絡協議技術、嵌入式控制、企業級的安全性,還具有特定軟件環境中易管理可操作的特性。

  1. 功能框圖

  2. 重要特征

  Quark SOC x1000 處理器,400MHz 主頻;

  配置 x 8 256MB DDR3,一片 8MB SPI Flash;

  支持 1 個 SD 卡;

  2 個 RJ45 接口,支持 10/100Mbps 的傳輸速度;

  2 個 USB 2.0 Host 和 1 個 USB 2.0 Client 接口;

  2 個 Mini-PCIE 接口 ,并提供 USB2.0 Host 支持;

  1 個 RS232 DR9 接口和 1 個 RS485 DR9 接口;

  1 個 10-pin JTAG 接口;

  Linux Firmware Pre-Install;

  Quark Soc X1000 Software Stack

  詳細資料:Quark X1000低功耗物聯網控制SOC

  3.軟件框圖

  4.應用

  交通運輸物聯網網關,能源、工業物聯網網關。

  5.相關開發套件

  DK50 用于物聯網網關開發設計

  DK100 用于工業物聯網網關開發設計

  DK200 用于交通運輸物聯網網關開發設計

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