专利名称：一种支持多通道多信道的物联网网关的制作方法
技术领域：
本发明的一种物联网下的开放式多通道多通信的物联网网关，涉及物联网、 802. 11技术、WSN技术、多通道技术、多信道技术等相关网络技术，同时还集成了其他无线接入技术，如蓝牙、红外数据传输、GSM/3G、802. 16、HomeRF等。
背景技术：
物联网的概念于1999年由麻省理工学院的Auto2ID实验室提出，物联网 (Internet ofThings)是指将各种信息传感设备及系统，如传感器网络、射频标签阅读装置、条码与二维码设备、全球定位系统和其它基于物与物通信模式(M2M)的短距无线自组织网络，通过各种接入网与互联网结合起来而形成的一个巨大智能网络，物联网因其巨大的应用前景而受到各国政府、学术界和工业界的广泛重视。802. 11系列、蓝牙、GSM/3G/B3G 等、zigbee、RFID，915/433/315MHz、红外等各种无线接入技术大量的应用，在它们之间以及它们与PC机之间的通信就需要快速进行数据帧的转换，已达到跨协议传输数据的目的，这样才能高效的实现物联网。对于物联网而言，无线通信方式是多级的，其系统复杂性和成本开销就会很大，这就需要对协议进行优化以保证其低功耗和高能效。为了解决这些问题，物联网下的网关不仅需要实现传统网关的基本功能，还需要至少拥有以下功能a)主板结构是开放式，容易接纳新的物联网节点；b)网关是多通道的，能够融合不同种类的通信协议；c)网关是多信道的，能够与多个同类节点同时通信；d)能够智能的选择最优的路由进行路由转发数据；e)能够对海量的数据进行融合与初步处理减少数据冗余；f)网关鲁棒性强，具有自我修复能力，具有远程软件升级能力。物联网中传感器种类繁多，而且每一种类型的传感器数量也很多，成百，上千，甚至数万。因此在这种物联网中的网关需要实现对多个同一类传感器节点和对多个不同种类传感器节点数据的接收，融合和转发，同时需要融合工业已有的网络，并可实现与互联网、 WiFi、3G/B3G/LTE、Zigbee、蓝牙和红外等传输方式互联互通，以实现不同通信标准的相互融合。既可以与同层网络互联，也可以不同层网络互联，还可以实现网络数据的共享。目前多种网络并存，红外传输、蓝牙、zigbee,3G/B3G/LTE以及互联网等等多种传输协议之间数据传输是无法直接进行的，这样就必须要通过第三方来完成协议的转换工作后，才能跨网跨协议传输。这样带来的延时以及消耗在海量数据的情况下是不可容忍的。通过支持多通道多信道的网关自动对跨协议数据传输的数据帧格式自动转换处理就可以轻松实现不同协议之间的数据转发，保证网络的QoS，同时能够快速智能的处理海量数据，提高了网络的效率
发明内容
本发明的开放式多通道到信道智能物联网网关，采用的各种新的算法提高网关的效率和安全，网关主要需要处理海量数据包括多协议的数据的接收，数据处理，然后快速确定正确的下一跳节点，以及在整个过程中确保数据安全。数据接收，各个节点以及其他网络中的设备首先会将数据发送到网关上来，由于数据的来源可能来自各种不同的协议，所以需要有开放式多传输协议支持接口，同时物联网的数据具有海量性的特点，因此采用多通道多信道通信能够更好的接收数据。数据处理，数据接收部分已经说明了数据的两个来源，针对这些数据，如何快速有效的处理是网关性能的一个非常重要的指标，处理速度越快，表面网关的性能越好，越能保障网络的通畅运行。通过多通道多信道融合网技术，有效整合多种网络，实现不同网络之间的无缝互联，以强鲁棒性、高自愈性、高效率、低成本的方式实现计算世界与物理世界的通信。通过使用基于上下文的融合技术处理海量数据，去掉大量冗余数据。所谓上下文感知，即一种掌握、获取和分析上下文信息的技术及其相关技术。由于部署无线传感器的目的在于获取、采集传感器周围环境的数据信息并将其中有用的数据整合并提供给相关模块 (或人员)分析，而这个周围环境的变化信息就是所谓的“上下文”。数据安全，本专利拟研究解决不同层次的自保护，把自保护功能与目标保护本身有效地结合起来，开发简洁有效的可信算法，开发两层的安全架构，将自保护能力与物联网的主要目的无缝地整合在一起。同时对于可信路由协议使用基于使用数字签名Ariadne协议的可信的物联网路由也是一个可行的解决方案，本专利也将采用这一方案加强路由时的数据安全。对称密钥算法和公钥密钥技术并用，达到减少计算量而不降低安全强度的目的。智能路由，物联网时代是异构网络并存的大规模网络，这样的网络环境为端到端之间的路径提供了更多的链路组合模式，即多种路由模式。本专利拟采取基于海计算思想的节点智能感知路由，通过分析节点上下文信息中包含的语义，智能选择路由路径。数据转发，由于物联网网关的收到的数据是海量的，而且数据的来源是多个协议的，因此如何快速准确转发数据对智能网关非常重要，同协议间的数据快速转换在网关智能识别是同协议之间的需要对数据进行聚合处理，聚合主要从时间和空间两个方面进行聚合。多协议间的数据转发本专利采用多协议标签交换技术，来达到不同协议间的快速转换。 在MPLS中，数据传输发生在标签交换路径(LSP)上。为了解决QoS的问题，还需要采用差分服务以及智能路由分流数据来做到。本发明解决上述问题所采取的技术方案是(1)多通道数据传输处理a)采用可插拔USB接口，网关设有6个USB接口，一个RS232接口，一个RS485 接口，一个WIFI接口，以及互联网接口。USB接口可以让所有支持USB插拔的无线接入模块插入，实现网关支持该无线接入技术，例如3G、蓝牙等；RS232接口可以让现在的红外、 zigbee,GPRS物理模块等接入网关；RS485接口用于串口通信；WIFI接口用于接入WIFI，互联网接口用于连接互联网。b)在计算机中，MAC层负责将数据组成帧格式来传输和以及对用户如何接入到共享的无线介质中进行控制，在MAC层增加一个汇聚子层，用来处理各种无线接入的数据帧的转换与处理，将其业务接入点(SAP)收到的外部网络数据转换和映射到MAC业务数据单元(SDU)，并传递到MAC层业务接入点。包括对外部网络数据SDU执行分类，并映射到适当的MAC业务流和连接标识符(CID)上等功能。协议提供多个汇聚子层规范作为与外部各种协议的接口。汇聚层里需要定义一个分类器通过分类器将不同的接入方式按照分类规则映射到一个连接中，将所有的业务作为一种面向连接的业务进行管理。分类规则是一系列映射标准集合，是可以预设的，当节点或者设备通过无线接入方式接入网关时，可以通过网络重网关中获得。(2)多信道数据处理多信道多接口有两个接口，一个作为控制接口，分配给了一个公用信道，另一个作为数据交换接口，将会在剩余的信道中进行转换。从另外一种划分方式来看，接口又可分为固定接口和可转换接口。网关的M个接口中的K个在很长的时间间隔内分配给了K个信道；相应的这些信道都被视作固定信道。固定接口被用来接收数据并且根据使用同一信道的节点数目来进行转换。剩下的M-K个接口在数据传输中短时间内被动态地分配给剩余的 M-K个信道。对应的信道被称为可转换信道。可转换信道使节点X能够通过转换到Y的固定信道来向相邻节点Y传输数据。本发明实现的主要功能是；a)主板结构是开放式，容易接纳新的物联网节点；b) 网关是多通道的，能够融合不同种类的通信协议；c)网关是多信道的，能够与多个同类节点同时通信；d)网关是智能的，能够基于上下文对所接收到的数据能够进行智能融合；e) 网关鲁棒性强，具有自我修复能力，具有远程软件升级能力；f)智能感知路由，具有对节点传来的数据进行处理，能基于上下文做智能的感知路由。并且能够建立可信路由，e)要有很强的安全功能，保证数据的安全性。
附图1是网关的主要接口图。附图2是汇聚层(CS)设计结构图。附图3是网关的功能图。
具体实施例方式以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。接口分为固定接口和可转换接口。网关的M个接口中的K个在很长的时间间隔内分配给了 K个信道；相应的这些信道都被视作固定信道。固定接口被用来接收数据并且根据使用同一信道的节点数目来进行转换。剩下的M-K个接口在数据传输中短时间内被动态地分配给剩余的M-K个信道。对应的信道被称为可转换信道。可转换信道使节点X能够通过转换到Y的固定信道来向相邻节点Y传输数据。固定接口分配的目的是给固定接口分配信道并且向相邻节点报告固定接口所使用的信道。首先，网关维持两个数据表相邻节点数据表(Neighbour Table，NT)，包含相邻节点所使用的固定信道；信道使用列表(Channel Usage List，⑶L)，存放将每个信道作为固定的节点数目，但是它只追踪通信范围内的现有节点。固定接口的分配规则如下所示a)首先，网关为它的固定接口选择一个随机信道b)周期性地，网关在每一个信道上广播Hello包或者路由查找包，它包含该节点正在使用的固定信道以及它当前的NTc)当网关从相邻节点接收到一个Hello包或者路由查找包时，它将进行以下更新将相邻节点的固定信道更新到NT ；UCL使用相邻节点的NT，这样UCL将会包含两跳的使用fn息d)网关需要周期性地查询它的CUL。如果有很多其他节点使用同一固定信道， 那么网关将会以概率P将它的固定信道转换到一个使用得更少的信道。然后网关发送好 Hello包来通知相邻节点它所使用的固定信道可转换接口的分配规则如下a)当链路层接收到一个单播包要发送时，网关将会在NT中查找数据包目的地的固定信道。如果发送者和接收者有相同的固定信道，将数据包入队到固定信道。否则，将其入队到可转换信道。至于广播数据包，网关将它复制到每一个信道的队列中。当该信道被安排发送数据时，数据包将会被发送出去b)当有数据包在另一个信道排队时，可转换接口将会改变信道1)硬件该网关CPU采用ARM11，带有系统必备器件内存、Flash和SD卡等。同时提供的标准接口有LCD接口、音视频接口、USB接口、RS232接口、RS485接口、Ethernet接口、WiFi接口，通过这些接口在硬件板子上已经做好，通过这些接口可以扩展连接其他各种模块。可以动态添加的模块包括3G模块、蓝牙模块通过USB接口与网关主板连接；红外、 zigbee模块、GPRS模块(主要用于安防类)等通过串口与网关主板连接。对于物联网中的大部分应用涉及多种协议间的数据传输和转换，但是针对某一种应用可能仅仅涉及到几种协议间的转换。因此需要对网关硬件进行按需动态配置，由于物联网中设备的应用规模较大，使用这种可裁剪、动态配置硬件的方法，可以极大的降低系统的成本。参数配置a)核心板性能参数 Samsung S3C6410 处理器，ARM1176JZF-S 内核，主频 533MHz/667MHz ； 标配256M字节DDR内存； 支持2G Byte NAND Flash,独家采用4位纠错技术，确保信息存储安全可靠； 12MHz、48MHz、27MHz、32. 768KHz 时钟源； 支持5V电压供电； 采用进口高质量板对板接插件，确保长期运行可靠性； 核心板引出脚多达320个；b)多功能底板硬件配置 一个复位按键，采用专用芯片进行复位，稳定可靠； 系统启动方式设置开关，采用8位拨码开关； 一片 2M 字节 NOR Flash ； 三路串口，包括两个五线RS_232串口和一个三线RS_232串口 ； 一个 RS_485 总线接口 ； 一个CAN总线接口，2. 0标准；
一个100M网口，采用DM9000AE，带联接和传输指示灯； 一个USB HOST插口，支持USB1. 1协议，使用侧插USB A型接口 ；
一个 USB Slave 接口，支持 USB 2. 0 协议，使用 mini-USB AB 型接口 ； 一个高速SD卡座。可以实现SD Memory功能和SDIO功能； 一个 WIFI 扩展接口 ； 一路立体声音频输出接口可接耳机；另一路音频输入可接麦克风； IXD和触摸屏接口支持3. 5寸、4. 3寸、5. 6寸、7寸、8寸等TFT液晶屏，独家支持10寸LVDS液晶屏； 一个VGA接口，支持800x600分辨率；(转换芯片稳定、廉价；适合产品应用) 两路TV输出接口； 一个CMOS摄像头接口，支持ITU-R BT601/6568位模式，使用10X2插针连接器； 内部实时时钟，带有后被锂电池接口； 一个JTAG接口，使用10 插针连接器； 一个温度传感器 一个红外接收头 六个用户按键 四个 LED 一个蜂鸣器 一个10X2插针扩展接口 ；包括1路GND、1路DA、8路AD、10路10、1路SPI。
权利要求
1. 一种支持多通道多信道的物联网网关，其特征在于，包括如下方面(1)多通道数据传输处理a)采用可插拔USB接口，网关设有6个USB接口，一个RS232接口，一个RS485接口，一个WIFI接口，以及互联网接口 ；b)在计算机中，MAC层负责将数据组成帧格式来传输和以及对用户如何接入到共享的无线介质中进行控制，在MAC层增加一个汇聚子层，用来处理各种无线接入的数据帧的转换与处理，将其业务接入点(SAP)收到的外部网络数据转换和映射到MAC业务数据单元 (SDU)，并传递到M A C层业务接入点。包括对外部网络数据SDU执行分类，并映射到适当的MAC业务流和连接标识符(CID)；协议提供多个汇聚子层规范作为与外部各种协议的接 Π ；汇聚层里定义一个分类器通过分类器将不同的接入方式按照分类规则映射到一个连接中，将所有的业务作为一种面向连接的业务进行管理；(2)多信道数据处理多信道多接口有两个接口，一个作为控制接口，分配给了一个公用信道，另一个作为数据交换接口，将会在剩余的信道中进行转换；网关的M个接口中的K个在很长的时间间隔内分配给了 K个信道；相应的这些信道都被视作固定信道；固定接口被用来接收数据并且根据使用同一信道的节点数目来进行转换；剩下的M-K个接口在数据传输中短时间内被动态地分配给剩余的M-K个信道；可转换信道使节点X能够通过转换到Y的固定信道来向相邻节点Y传输数据。
全文摘要
本发明公开了一种开放式多通道到信道智能物联网网关，属于物联网技术领域。本发明通过选择硬件，设置计算机，将物联网、WiFi技术、WSN技术、路由技术，上下文技术、信道技术、海量数据处理技术、蓝牙、红外数据传输等技术整合在一起，实现了一种开放式的物联网网关。本发明的主板结构是开放式，容易接纳新的物联网节点；网关是多通道、多信道的，能够融合不同种类的通信协议，并与多个同类节点同时通信；同时，网关是智能的，能够基于上下文对所接收到的数据能够进行智能融合；此外，该网关还具有鲁棒性强，具有自我修复能力，具有远程软件升级能力；其本身有很强的安全功能，保证数据的安全性。
文档编号H04W88/16GK102291856SQ201110281959
公开日2011年12月21日 申请日期2011年9月21日 优先权日2011年9月21日
发明者陈志奎 申请人:大连钜正科技有限公司