物联网网关设计

什么是物联⽹⽹关？主要功能有哪些？随着物联⽹慢慢的发展，现在⼈们已经都离不开物联⽹了，所以⼈们也都渐渐理解了嵌⼊式，不过作为⽹光设备，物联⽹是要担负不同的责任的，下⾯先来了解下什么是物联⽹关吧。

什么是物联⽹关？从⼀个房间⾛到另⼀个房间，必然要经过⼀扇门。

同样，从⼀个⽹络向另⼀个⽹络发送信息，也必须经过⼀道“关⼝”，这道关⼝就是⽹关。

⽹关⼜称⽹间连接器、协议转换器。

在物联⽹的体系架构中，在感知层和⽹络层两个不同的⽹络之间需要⼀个中间设备，那就是“物联⽹⽹关”。

物联⽹⽹关既可以⽤于⼴域⽹互连，也可以⽤于局域⽹互连。

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。

物联⽹⽹关的功能主要包括三个1、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。

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。

3、⼴泛的接⼊能⼒⽬前⽤于近程通信的技术标准很多，现在国内外已经在展开针对物联⽹⽹关进⾏标准化⼯作，如传感器⼯作组，实现各种通信技术标准的互联互通。

物联⽹⽹关设计需要考虑的两个因素：1、数据安全：这是决定⼤规模物联⽹能成败的关键要素。

随着⽹络成更多应⽤的重要组成部分，数据安全变得更加重要。

安全问题应落实到每⼀个设计阶段，⽽在设计任务全部完成后再增加安全功能的做法是错误的。

2、可维护：没有系统是完美⽆缺的。

不管部署前做过多少测试，部署后还会发现安全缺陷、隐患和漏洞。

物联⽹⽹关和节点必须⽀持现场维护和更新功能。

物联网网关的理解物联网网关，作为一个新的名词，在未来的物联网时代将会扮演非常重要的角色。

它将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。

作为农业物联网的应用,我们对网关的需求是,把收集到的感知数据通过zigbee有线/无线的方式传到网关，再经一定形式的转换可以通过3G/WIFI等网络进行远程传输，进而应用与上位机。

一：物联网网关设计的基本要求（1）同时处理来自感知层的数据和来自用户层的数据，需要较好的协作能力。

（2）具备移动过程中的稳定性，网关本身在移动过程中依然可正确接收、发送并处理来自其他网络层的请求和应答。

（3）具备协议解析和信息处理的能力，完成ZIGBEE 协议与TCP 协议转换。

（4）具备数据存储的能力，能够对多个传感器节点的实时数据进行存储，并能存储用户PC 的信息以及网关本身的一些必备参数。

（5）具备较高的运算能力，由于物联网网关的特点之一是要有对多个传感器节点的接收能力，同时还有支持多个用户访问。

（6）便于操作，便于升级和维护。

二：硬件部分基于模块化的设计思想可以将网关分为三个部分。

1 数据采集模块：数据采集模块负责传感网的数据采集和汇聚。

物联网网关可以采用的传感网络模块有Zigbee、蓝牙、RFID等。

2数据处理存储模块：数据处理\存储模块负责数据的协议转换、管理和安全等,并具有数据处理和存储的功能,是网关的核心模块。

3 接入模块：通过接入模块,网关可以接入广域网。

接入方式包括有线方式,如以太网;无线方式,包括3G、WIFI等。

其总体框架如下图所示：网关结构示意图根据结构图，合理的选用开发平台，进行接口连接。

具体连接电路图有待于进一步讨论。

物联网安全接入网关的设计与实现摘要：针对物联网设备接入互联网时面临的安全问题，采取相应的安全机制和措施，可以确保物联网数据的保密性、完整性和可用性，从而有效保障物联网的安全和稳定性。

本文基于前面众多学者的研究内容，总结出了基于传感安全接入网关的物联网安全构建方案。

关键词：物联网；安全接入网关；传感网络导言随着物联网技术的不断发展，大量的智能硬件设备被嵌入到各种家用电器、工业设备中，实现对物理世界的智能化感知和控制。

在物联网的应用中，安全问题是一个非常重要的方面。

物联网设备接入互联网时面临着各种各样的安全威胁，如何在物联网设备接入互联网时提供安全可靠的服务，成为了一个亟待解决的问题。

本文基于前面众多学者的研究内容，总结出了基于传感安全接入网关的物联网安全构建方案。

1面临的问题近年来，随着物联网技术的迅速发展和广泛应用，物联网的安全问题日益复杂化和严峻化，包括设备和网络安全、数据和隐私保护、身份认证和访问控制等方面的安全问题。

如果不能很好地解决这些安全风险问题，将会给人们的生活和工作带来困扰，甚至会对国家安全造成影响。

目前物联网面临着许多的问题：1）感知数据类别非常多，涵盖了视频、图像、语音、传感器等多种形式。

每种数据类型都有自己独特的特征和格式，以及处理和解析时需要遵从的规则和标准。

视频类数据是物联网中重要的一种感知数据，主要指通过摄像头、监控设备等设备采集的图像和视频信号，包括监控摄像、视频直播、视频会议等应用场景。

在物联网中，视频类数据应用广泛。

RFID射频识别技术是一种自动识别技术，其标签中携带的信息可以通过无线电波进行读写。

GPS全球定位系统是一种卫星导航定位技术，可以通过卫星信号确定地球上任何一个位置的经纬度坐标。

激光扫描是一种高速、高精度的三维测量技术，可以通过激光束扫描建立物体表面的三维模型。

开关类格式数据是指记录设备或系统的开闭状态信息，用于表示设备或系统的运行状态。

2）感知节点安全保护能力弱。

0 引言网关作为物联网技术的核心组成部件，具有承上启下的作用，是用于连接感知层网络与上层公共网络的纽带，也被视为一种协议转换器。

网关正朝着效率、实时性、抗干扰能力逐渐提升的方向发展，应用的场景也越来越多，在农业、工业、交通、智慧电网等诸多场景都有一席之地。

应用场景的增加导致网关种类随之增多，如家居智能网关、工业数据网关和交通管控网关等。

网关的功能是相通的，主要用于协议转换、数据交互、网络互联互通，区别在于各网关的应用场景不同。

传统网关的创建方法是把现场设备的数据先收集到网关节点，利用内嵌协议分析转换器将处理完毕的数据通过MQTT物联网协议传送到客户自定义的云平台[1-2]。

存在支持的数据协议较为单一、应用范围较小、开放性不足等问题，当现场使用的设备和数据协议发生改变时，需要重新对网关程序进行二次开发，花费大量的人力物力。

针对此类问题，设计一种支持多种接入协议、具备边缘计算特性以提高网关的通用性[3]、数据采集可配置以减少数据冗余，避免浪费传输带宽的物联网网关就变得十分重要。

1 可配置物联网网关架构1.1 软件架构物联网网关整体框架可分为五层，如图1所示。

感知层作为物联网关框架的第一层，用于采集各类接入网关设备数据，并将采集的数据上传给数据处理层。

数据处理层对感知层上传的数据包进行解析和协议转换，将数据分析成标准格式后交给边缘计算层处理[4]。

图1 物联网网关总体设计框架边缘计算层作为物联网网关的核心层，需要对转换后的标准格式数据进行边缘计算，包括数据运算、逻辑判断、信号联动和故障研判。

边缘计算的内容需要预先设定，计算方法由用户设定。

传输层用于传输感知层采集的数据，使用4G网络传输。

应用层是指对采集设备的数据进行本地动态曲线显示，网关的本地显示使用微信小程序实现[5]。

1.2 硬件架构物联网网关硬件平台由边缘计算核心板EC Core-L-1和网关底板和扩展单片机STM32F4007IG组成，其连接和软件架构如图2和图3所示。

到TCP/IP协议中去，以便能通过互联网监控环境，管理好接入点。

物联网网关是连接异构的重要设备，加强对网关技术的研究非常重要。

1 物联网发展及其网关设计技术物联网这一发展概念于20世纪90年代提出，但是由于受到技术手段的多方面限制，并未形成系统化、生态化、产业化链接，在近十年才真正得以快速发展。

在互联网信息技术基础之上，推动了物联网技术的延伸及逐步拓展，最终实现的技术目标，达到了全面化感知及智能化信息传输处理。

物联网技术协议明显差异于传统互联网协议，传统互联网主要是基于TCP/IP协议构建形成。

在物联网网络中则主要可以借助M2M协议，或者基于Zigbee协议完成网络信息节点之间的数据传输。

不同数据传输达到了近距离、数据量较小，但是整体数据传输节点密度相对较高。

绝大多数的物联网系统架构，并非所有物联网节点都需要实现以太网接入，通常是部分代理节点实现类似网关功能，实现了节点内部非TCP/IP协议转换，之后传输至远端服务器。

远程服务器设备实现对来自物联网数据的存储、持久化分析及ETL，由于物联网单节点之间的信息量相对较小，但是普遍存在了较高的节点密度，需要代理阶段针对数据转发能力相对较好，具备较高可靠性，便于更加完整及时的接受相关节点数据。

而针对智能化节点传输，每一个物联网传输网络节点，都可能作为一个数据传输发送节点，要求服务器设备能够更加可靠的接收到智能化终端数据，且实现了每一个不同数据的合理标定，避免出现数据信息混淆情况。

现阶段，物联网网关实现技术有多种。

第一，是通过通道机制实现。

接收到无线传感器数据时，不经解封就作为以太网载荷，加上TCP/IP的包头传输到IP网络主机上去。

主机收到数据后，对其进行解析。

这种通道机制实现技术有着2 物联网体系架构设计以及系统需求■2.1 体系架构物联网具有三个特征，一是全面感知功能，能使用RFID、传感器等获取到物体的信息。

二是能实现电信网络融合互联网，将物体的信息准确及时的传送出去。

IoT 网关的设计与实现以及多协议适配技术研究随着物联网的快速发展，大量的智能设备被广泛应用于各个领域。

这些设备通过传感器和执行器实现数据的采集和控制，为人们提供了更加方便和智能的生活。

然而，由于物联网设备通信协议的多样性，不同设备之间的互通性成为一个重要的问题。

为了解决这个问题，IoT 网关的设计与实现成为一个关键的研究方向，而多协议适配技术则是实现不同设备之间互通的关键。

IoT 网关是连接物联网设备和云平台或其他外部系统的关键组件。

它负责数据的采集、处理、分析和传输，并提供了设备管理、安全认证以及远程控制等功能。

通过将不同协议的物联网设备连接到一个统一的网关上，可以实现不同设备之间的互通和数据的集成与共享。

在设计和实现 IoT 网关时，需要考虑以下几个关键因素：1. 硬件平台选择：选择适合物联网应用场景的硬件平台是设计一个高性能、可靠的 IoT 网关的基础。

通常来说，需要选择能够支持多个传输协议和具备足够计算和存储能力的硬件平台。

2. 通信协议适配：不同的物联网设备通常采用不同的通信协议，例如 MQTT、HTTP、CoAP 等。

在设计 IoT 网关时，需要实现这些协议的适配，使得不同协议的设备能够通过网关进行互通。

3. 数据采集与处理：IoT 网关需要能够实现对物联网设备的数据采集和处理。

它可以从传感器获取原始数据，并通过内置的处理算法对数据进行分析和预处理，以提取有用的信息和进行决策。

4. 安全性与隐私保护：由于物联网中涉及到大量的敏感数据和个人隐私，确保 IoT 网关的安全性和隐私保护至关重要。

设计时需要考虑添加适当的安全机制，例如数据加密、访问控制、认证和防火墙等。

5. 云平台集成：IoT 网关通常与云平台进行数据的交互和存储。

设计时需要考虑与主流的云平台提供商进行集成，以实现数据的上传、远程监控和控制等功能。

多协议适配技术是实现 IoT 网关多设备互通的核心技术之一。

它主要包括以下几个方面的研究：1. 协议映射与转换：不同的物联网设备通常使用不同的协议进行通信，因此需要设计协议映射和转换技术，实现不同协议之间的互通。