原创 强化物联网“心脏”，智能网关设计详解

一、物联网网络架构

物联网组网采用分层的通信系统架构，包括感知延伸系统、传输系统、业务运营管理系统和各种应用，在不同的层次上支持不同的通信协议，如图1所示。 感知延伸系统包括感知和控制技术，由感知延伸层设备以及网关组成，支持包括Lonworks、UPnP、Zigbee等通信协议在内的多种感知延伸网络。感知设备可以通过多种接入技术连接到核心网，实现数据的远程传输。业务运营管理系统面向物联网范围内的耗能设施，包括了应用系统和业务管理支撑系统。应用系统为最终用户提供计量统计、远程测控、智能联动以及其他的扩展类型业务。业务管理支撑系统实现用户管理、安全、认证、授权、计费等功能。

　　二、物联网网关概念

　　作为连接感知层与网络层的纽带，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。在无线传感网中，物联网网关是不可或缺的核心设备。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。

　　从物联网网关的定义来看，物联网网关很难以某种相对固定的形态出现。总体说凡是可以起到将感知层采集到的信息通过此终端的协议转换发送到互联网的设备都可以算做物联网网关。形态可以盒子状也可以是平板电脑，可以有显示屏幕的交互式形态，也可以是封闭或半封闭的非交互形态。

　　三、物联网网关关键技术

　　1、多标准互通接入能力 ：目前用于近程通信的技术标准很多。常见的传感网技术包括 ZigBee、Z-Wave 、 RUBEE 、 WirelessHART 、 IETF6IowPAN 、AM‘ /ANrr +、Wibree、］nSTeON 等。各类技术主要针对某一类应用展开，之间缺乏兼容性和体系规划。如：Z.Wave主要应用于无线智能家庭网络，RUBEE适用于恶劣环境，WirelessHART 主要集中在工业监控领域。实现各种通信技术标准的互联互通，成为物联网网关必须要解决的问题。是针对每种标准设计单独的网关，再通过网关之间的统一接口实现。还是采用标准的适配层、不同技术标准开发相应的接口实现。

　　2、网关的可管理性：物联网网关作为与网络相连的网元，其本身要具备一定的管理功能，包括注册登录管理、权限管理、任务管理、数据管理、故障管理、状态监测、远程诊断、参数查询和配置、事件处理、远程控制、远程升级等。如需要实现全网的可管理，不仅要实现网关设备本身的管理，还要进一步通过网关实现子网内各节点的管理，例如获取节点的标识、状态、属性等信息，以及远程唤醒、控制、诊断、升级维护等。尽管根据子网的技术标准不同。协议的复杂性不同，所能进行的管理内容有较大差异。

　　四、 物联网网关设计方法

　　在进行物联网智能网关应用系统方案设计时，可以采用下述一般设计方法作为指导。

　　1. 确定系统功能与性能。由需求调查确定物联网智能网关应用系统的设计目标，这一目标包括系统功能与性能。系统功能主要由数据采集、数据处理、输出控制等。

　　2. 确定系统基本结构。物联网智能网关应用系统结构一般是以单片机为核心外部扩展相关电路的形式。确定了系统中的单片机、存储器分配以及输入/输出方式就可答题确定出物联网智能网关应用系统的基本组成。

　　⑴单片机。在系统详细方案设计时，先要确定单片机的型号。所选单片机的型号不同，组成的系统结构也就不同。

　　⑵存储器分配。不同的单片机具有不同的存储器组织。应根据应用系统的需要合理进行存储器的分配。

　　⑶I/O方式。采用不同的输入/输出方式，对于单片机应用系统的软、硬件结构有直接的影响。在单片机应用系统中，常用的I/O方式主要有：无条件传送方式（同步传送方式）、查询方式、中断方式。

　　⑷网络控制器。性能稳定，结构简单，编程易实现的网络控制器对于优化物联网智能网关应用系统起着关键性的作用。

　　物联网智能网关应用系统的工作模式可以分为两类，服务器端和客户端。无论工作于何种模式，都需要对以太网控制器进行网络参数配置，以实现最基本的物理连接（即能够ping通）。

　　3. 硬件设计。物联网智能网关应用系统硬件设计是围绕着单片机及网络控制器做外部功能扩展而展开的，其基本结构如图所示。

　　⑴ 程序存储器。传统的单片机内无片内程序存储器或存储容量不够大，需外部扩展程序存储器。外部扩展的存储器通常选用FLASH存储器。现在的单片机一般都集成了较大容量的程序存储器，使用时，不需要进行程序存储器的扩展。

　　⑵ 数据存储器。数据存储器用于暂时保存程序运行中的中间结果，一般由RAM 构成。大多数单片机都提供了小容量的片内数据存储器，只有当片内数据存储器不够用时才扩展外部数据存储器。无论是程序存储器还是数据存储器，存储器的设计 原则是：在存储容量能够满足要求的前提下，尽可能减少存储芯片的数量。

　　⑶ I/O接口。由于外设多种多样，使得单片机与外设之间的接口电路也各种不相同。因此，I/O接口常常是单片机应用系统中设计最复杂也是最困难的部分之一。

　　⑷ 译码电路。当需要外部扩展电路时，常常需要设计译码电路。译码电路要尽可能简单，要求存储器空间分配合理，译码方式选择得当。

　　4. 软件设计。软件是物联网智能网关应用系统中的一个重要组成部分，一般计算机应用系统的软件包括系统软件和用户软件，而物联网智能网关应用系统中的软件一般只有用户软件，即应用系统软件。软件设计的关键是确定软件应完成的任务及选择相应的软件结构。

　　⑴任务确定。根据系统软、硬件的功能分工，确定出软件应完成什么功能。作为实现控制功能的软件应明确控制对象、控制信号及控制时序;作为实现处理功能的软件应明确输入是什么、要做什么样的处理（即处理算法）、产生何种输出。

　　⑵ 软件结构。软件结构与程序设计技术密切相关。程序设计技术提供了程序设计的基本方法，最常用的程序设计方法是模块化程序设计。模块化程序设计具有结构清晰、功 能明确、设计简便、程序模块可共享、便于功能扩展及便于程序维护等特点。为了编制模块程序，先要将软件功能划分为若干子功能模块，然后确定出各模块的输 入、输出及相互间的联系。

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　　五、厂商设计方案

　　1、TI用于 IoT 应用的住宅智能家居网关参考设计

　　描述

　　此设计可为家庭自动化应用提供 ZigBee® 家庭自动化 （HA 1.2） 认证的参考网关。由 Sitara™ AM335x 处理器提供支持的功能丰富且基于 Linux 的网络和 GUI 示例应用可以使用基于 SimpleLink™ ZigBee CC2531 无线 MCU 的软件狗控制和监控 ZigBee 节点。此设计包含几十个可简化 Linux 系统中的 ZigBee 集成和应用开发的 API。

　　特性

　　用于家庭自动化的简单 API，将 TCP/IP 集成到 ZigBee 网桥，有助于加快应用的开发速度和简化低功耗连接解决方案的集成

　　基于 CC2531 的运行 ZigBee 家庭自动化 （HA 1.2） 认证协议堆栈的 USB 软件狗、MAC 和 PHY，针对互操作性进行了全面测试

　　基于 Sitara AM335x BeagleBone Black 社区支持的低成本开源开发平台和基于小型 USB 软件狗的 SimpleLink™ ZigBee CC2531 无线 MCU

　　可从 TI 网上商店或通过授权经销商获取所有系统硬件组件。还可获取基于 Wiki 的用户指南以生成和编译 Linux 开源组件

　　基于 Linux 的现成系统软件和硬件实现，用于通过以太网将 ZigBee 传感器连接到 TCP/IP 应用，包括所有应用程序、Linux 中间件、ZigBee 堆栈和硬件组件

　　用于 BeagleBone Black 的 Z-Stack™ Linux 网关安装程序软件包和用于 SimpleLink CC2531 软件狗的 ZigBee 家庭自动化堆栈是免费的，可从 TI 的 Z-Stack™ 软件页面进行下载。

　　硬件设计框图

　　详细资料：AM335x ARM Cortex-A8 微处理器(MPU)详细介绍

　　软件设计框图

　　相关软件与工具：CC2531 USB 评估模块套件

　　应用 家庭网关

　　2、TI智能家居和能源网关参考设计

　　智能家居与能源网关参考设计为智能家居和建筑物的能源系统的测量、管理和通信提供了完整的系统解决方案。此设计是 WiFi、以太网、ZigBee 或蓝牙等不同通信接口（通常在住宅建筑物和商业建筑物中出现）之间的桥梁。由于房屋和建筑物中的物体越来越多地联系在一起，因此网关设计需要灵活以符合不同的 RF 标准，因为没有单个 RF 标准主宰市场。此网关通过支持现有传统 RF 标准（WiFi、蓝牙）和较新的 RF 标准 （ZigBee， BLE） 来解决此问题。

　　特性

　　不同通信接口基线验证的坚实软件基础

　　ZigBee、WiFi、蓝牙和 NFC（近场通信）的共存允许不同通信配置文件同步运行

　　实现智能能源、照明和楼宇自动化的无缝配置文件集成

　　实现 HAN（家庭区域网）和 LAN（局域网）/WAN（广域网）之间的桥梁

　　原理图/方框图

　　详细资料：AM335x ARM Cortex-A8 微处理器(MPU)

　　软件框图

　　核心器件

　　详细资料：德州仪器 CC2530 

　　设计Demo 演示板：

　　详细资料：设计文件

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3、NXP 智能网关参考设计

　　NXP互联网（IOT）网关是连接日常无线功能的设备的有线网络的一个重要组成部分，它们可以控制和监视。基于主机控制器运行OpenWrt ARM9 Linux操作系统，提供了一个易于使用的平台系统开发。它的软件设计是模块化的，允许轻松定制的，包括应用程序的变化软件。无线接口可以参与 ZigBee或 JenNetIP网络。随着无线USB的适配器的加入，网关可以参与的混合网络。数据加密在有线接口使用标准的互联网技术和128位AES加密的无线通信技术。这个物联网网关是一个以太网网关有着密切联系，专为低功耗无线网络设计的，基于IEEE 802.15.4标准，能兼容ZigBee和JenNet-IP的智能网关。

　　1. 功能框图

　　2. 重要特征

　　2.1 ARM926EJ-S处理器，CPU时钟运行速率可高达266MHz

　　LPC3240的CPU工作频率最高可达266 MHz。恩智浦实施采用了一个ARM926EJ-S CPU，具备Harvard架构，5级流水线和完整的存储器管理单元（MMU）。 LPC3240还包含256 kB片内静态RAM，一个NAND闪存接口，一个以太网MAC，一个支持SDR和DDR SDRAM的外部总线接口，以及其它静态设备。另外，LPC3240包含一个USB 2.0全速接口，7个UART，2个I2C总线接口，2个SPI/SSP端口，2个I2S总线接口，2个单输出PWM，一个电机控制PWM，6个带捕获输入和比较输出的通用定时器，一个SD接口，以及一个带触摸屏检测选项的10位模拟-数字转换器（ADC）。

　　详细资料：NXP LPC3240

　　2.2 无线Zigbee 通讯采用 NXP JN5168 芯片

　　JN5168是超低功耗的高性能无线微控制器，支持JenNet-IP、ZigBee Smart Energy、ZigBee Light Link、RF4CE和IEEE802.15.4网络协议栈，适合开发Smart Energy、Home Automation、Smart Lighting、遥控或无线传感器应用。该器件具有一个增强型32位RISC处理器，带256 kB嵌入式闪存、32 kB RAM和4 kB EEPROM存储器，通过可变宽度指令提供高编码效率；一条多级指令流水线，通过可编程时钟速率实现低功耗运行。该器件还集成了2.4 GHz IEEE802.15.4兼容型收发器和各种模拟和数字外设。凭借一流的15 mA工作电流特性和0.6 µA睡眠定时器模式实现出色的电池寿命，支持用一枚钮扣电池直接供电。

　　详细资料：NXP JN5168无线微控制器

　　2.3 采用TI DP83848K 10/100M以太网收发器

　　DP83848 10/100 Mb/s单路物理层器件提供了低功耗性能，其包含一个智能电源关闭状态－能量检测模式。

　　详细资料：TI DP83848

　　3. 应用领域

　　ZigBee网络的网络控制

　　JenNet- IP网络的网络控制

　　连通以太网网关/协议

　　智能楼宇的通信与控制

4、Intel 智能网关参考设计

　　Intel智能网关设计为传统工业设备和下一代智能基础设施物联网连通性提供了解决方案。其提供的开发平台集成了网络协议技术、嵌入式控制、企业级的安全性，还具有特定软件环境中易管理可操作的特性。

　　1. 功能框图

　　2. 重要特征

　　Quark SOC x1000 处理器，400MHz 主频；

　　配置 x 8 256MB DDR3，一片 8MB SPI Flash;

　　支持 1 个 SD 卡；

　　2 个 RJ45 接口，支持 10/100Mbps 的传输速度；

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

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

　　1 个 RS232 DR9 接口和 1 个 RS485 DR9 接口；

　　1 个 10-pin JTAG 接口；

　　Linux Firmware Pre-Install;

　　Quark Soc X1000 Software Stack

　　详细资料：Quark X1000低功耗物联网控制SOC

　　3.软件框图

　　4.应用

　　交通运输物联网网关，能源、工业物联网网关。

　　5.相关开发套件

　　DK50 用于物联网网关开发设计

　　DK100 用于工业物联网网关开发设计

　　DK200 用于交通运输物联网网关开发设计