作者：杨浩 古雄 孟庆民 单位：南京邮电大学电子科学与工程学院 南京邮电大学通信与信息工程学院
物联网的核心和基础仍然是互联网，它是在互联网基础上的延伸和扩展。然而，物联网将网络连接延伸到任何物体之间，物联网比互联网更为庞大。这些物体通过各种信息传感设备与互联网连接在一起，进行更为复杂的信息交换和通信[5]。因此，物联网的发展目标是：全面感知、可靠传送及智能处理[4]。物联网的基本体系架构主要由三层构成：感知层、网络层和应用层[6]，如图1所示。感知层是物联网发展和应用的基础，本层由各种具有感知能力的设备组成，物联网中由本层负责物体的识别和信息采集，实现全面感知的功能。网络层由各种通信网络和互联网融合而成，本层负责将感知到的数据进行分类、汇聚、处理，并能够可靠传输出去。应用层则将物联网技术与各种行业专业技术相结合，为不同的用户提供各种应用，例如智能交通、环境保护、公共安全、平安家居、工业监测、个人健康、军事侦察等。
物联网网关
物联网感知层存在大量的传感器，这些传感器组成许多传感器网络，而传感器网络感知的数据又需要传递到网络层，由网络层的广域网络传送出去。因此，网关在物联网时代将扮演非常重要的角色，利用物联网网关可以实现传感器网络与广域网之间的协议转换，从而实现信息广域互联。网关在物联网架构中所处的位置如图2所示。在互联网中，网关又称网间连接器或协议转换器，它工作于传输层，用于两个高层协议不同的网络互连[7]。在物联网中，网关主要用于无线传感网与现有通信网络的互联。作为连接传感器网络和传统通信网络的桥梁，物联网网关应具有如下功能[8]：a.多种接入能力：从图2中网关所处的位置可以看出，网关需要具备接入多种现有通信网的能力，这些通信网包括：2G/3G/4G移动通信网络、无线局域网、有线网络。因此，网关必须具备相应网络的接口和软硬件的接入能力。b.协议转换能力：物联网中传统网络和传感器网络需要相互交换信息，物联网网关需要在它们之间提供协议转换能力。这种能力不仅包括将不同的感知层协议通过协议适配后，转换为格式统一的数据和控制信令，而且包括在感知层网络和互联网之间进行协议转换，保证数据和控制指令穿透各种网络可靠传输。c.可管理能力：对于任何网络而言，管理能力是必不可少的。特别对通常用于无人值守环境下的无线传感网，管理能力尤为重要。物联网网关需要对无线传感网中的传感节点、路由器等设备进行管理，同时它也需要对网关设备进行管理。前者负责获取传感器节点的标识、状态、属性等，并且实现远程启动、关闭、控制和分析等功能；后者负责网关设备的注册管理、诊断管理、配置管理、升级维护等。
面向水产养殖应用的物联网网关设计
水产养殖物联网系统架构和功能随着物联网技术迅速发展，基于物联网的设施渔业信息化已经成为设施渔业生产向集约、高产、高效、优质方向发展的重要推动力。设计中的水产养殖物联网架构如图3所示。物联网利用ZigBee无线网络技术组成无线传感器网络，感知养殖场的水质情况，例如温度、溶解氧浓度、PH值等，将这些数据实时发送至物联网网关。网关将养殖场的环境数据利用3G模块（或GPRS模块）发送至控制中心的服务器，服务器利用专家系统依据水产品的生长模型结合人工智能技术向网关发送控制指令，网关依控制指令利用控制箱驱动电机采取动作调节养殖场的水产品的生长环境，从而利于水产品生长。物联网网关留有摄像头接口，能够根据用户需求将生产现场的图片或者视频发至控制中心服务器，服务器上部署软件并接入Internet网络，用户可以利用个人电脑或者手机登录到服务器，查询养殖水域内外环境数据、浏览生产现场图片、观看现场视频，还可以远程控制各种生产设备。当养殖场环境异常时，除了服务器中的专家系统发出指令驱动电机调节环境（如增氧机增加溶解氧），控制中心的告警箱也能够发出声光告警，服务器向相关人员发出告警短信。控制中心内的显示器（或者大屏幕）上能够显示各个传感器的工作状态、读数、现场图片等信息。因此，物联网技术能够实现设施渔业养殖的动态实时监管、数据统计分析、科学决策、预警及风险控制、专家咨询等生产过程的科学化、数字化。
水产养殖物联网网关设计从水产养殖物联网架构可以看出网关是物联网核心设备。网关的设计包括两部分：硬件设计和软件设计。a.网关硬件设计网关中的处理器采用ARMCortex-A8，具体型号是TCC8801。该处理器的主频可以达到1GHz以上，处理能力很强。网关配置512MBDDR3内存以及4GBNANDFlash，运行Adroid2.3.4系统。根据物联网的组网要求，网关具备10/100M以太网接口、内置无线WiFi模块、用于连接3G/GPRS模块的USB接口以及用于连接传感网协调器的串行口。为了获取视频或者图像，网关具备模拟视频接口。网关还带有液晶显示屏以及HDMI接口，HDMI接口可以接高清大屏幕。b.网关软件设计根据网关的功能，网关的软件包括：接入配置管理模块、ZigBee传感网通信及控制模块、协议转换模块、图像处理模块、显示模块、故障处理模块。接入配置管理模块用于对多种接入方式的配置和管理，这些接入方式包括有线以太网接入、无线局域网接入、3G/GPRS无线接入。ZigBee传感网通信及控制模块通过串行口与ZigBee协调器通信，获取传感网的数据，控制传感网的网络运行。协议转换模块解决传感网与后台服务器之间的通信协议转换，保证传感网数据能够正确发往服务器，服务器发来的指令能够能被正确发往传感网并可靠执行。图像处理模块能够获取摄像头传来的图像，并压缩编码，一方面在本地进行存储，另一方面发向服务器。显示模块将各种信息送向液晶屏和HDMI高清大屏幕。故障处理模块则将传感网以及网关设备本身的各种故障进行记录并发送告警信息。
结束语
物联网是一个庞大而复杂的系统，它发展至今还没有一个统一的建设标准和规范。随着物联网技术的发展，物联网各行各业由专用化、特殊化向标准化的过渡已经成为必然趋势。物联网网关作为传统通信网络与传感网络连接的桥梁，更是影响未来物联网发展的关键技术。本文所提出的面向水产养殖应用的物联网网关设计，将为农业物联网网关设计和开发提供有力的技术支持。
