摘要—有关物联网将能完结资源运用高效化、智能化的论说前进了科技界以及顾客对物联网的等待。物联网(IoT)需求给咱们周围的日用物品(物)添加感知和联网功用，将其变成一个网络节点。不过，遭到功率巨细和运算才干约束，直接将物联网节点衔接到公共网络有时是行不通的。IoT网关能够运用合适的联网技能，把资源有限的“物”衔接到规划更大的网络。有多种技能可用于“物”与网关之间的衔接通讯。相同，IoT网关与云端的通讯也有多种网络协议可用。IoT网关规划面对许多应战和难题，例如，数据安全、身份验证和设备注册。关于一个具体运用，做出正确的挑选，不是一件小事。本文介绍一个“无线网桥”的IoT网关渠道架构，该网关渠道灵敏可变，支撑不同的无线通讯技能。咱们还将评论“物”与“云”经过IoT网关渠道交流信息所需的多种联网技能和网络协议。本文有助于规划人员开发安全、灵敏、可扩展的IoT网关。
要害词 — 物联网(IoT)，无线网桥，RF传感器节点， 6LoWPAN，Wi-Fi，蓝牙，NFC , Sub GHz
前语
物联网便是一个物品互联网，这儿的物品(物)内部有电子体系，具有感知和上报功用，支撑长途操控，有时还能做出简略的决议计划。与物联网相关的其它常用术语包含M2M(机器间通讯)和IoE(万物互联)。将内部有电子体系的物品衔接到网络的概念由来已久。大致阅读一下相关材料后发现，物联网好像不是什么新概念。不过，物联网和传统的机器间通讯仍是略有不同的。物联网的方针是将一切能够与用户互动的设备(物)都衔接在一起，包含一般不联网的设备，完结万物互联。第二个不同之处是，物联网计划沿袭现有的依据IP的网络，树立一个全球规划的物联网，而这一代机器间通讯技能则是树立专用通讯网络基础设施。物联网接入互联网的概念可前进物联网延伸间隔，一起也使物联网技能面对一些共同的应战。其间一个应战是，受限于体系内存、数据存储容量和核算才干，许多物联网节点无法直接衔接依据IP的网络。IoT网关能够添补这块空白，在依据IP的公共网络与本地物联网之间架起一座网络桥梁，一起还能供给数据安全、存储和处理服务，尽可能地前进物联网节点终端设备的本钱效益和能效。此外，网关还能让网内设备运用不同的通讯技能彼此对话。不幸地是，影响规划的不确定要素太多，规划一个面向未来的IoT网关是一项十分艰巨的使命。物联网商场碎片化严峻，厂商数以万计，短少一致的规范。现在有关物联网的技能规范过多，每家科技企业都各自为阵，只推行自有技能。本文旨在于概述现在商场一切的可用技能，不深化介绍厂商的具体通讯协议。
IoT网关的规划应战
节点衔接: 将网关衔接到物联网节点，需求选用一种近间隔射频(RF)通讯技能。挑选射频技能时需求比较各种参数，例如频带、调制办法、信道数量、数据速率、推迟、稳健性等。此外，还要考虑本地职业法规的相关规定。假如是节点类型相同的同构网络，射频技能挑选就比较简单。相反，假如网内有多种不同的节点，有不同的需求，射频挑选就会杂乱许多。
后台衔接: IoT网关与节点的衔接能够运用近间隔射频技能，而网关与互联网的衔接则需求远间隔通讯技能。挑选这项技能时需求考虑带宽需求和本地现有可用的衔接技能，还要考虑是否是要害运用。由于每个区域的网络衔接技能都不尽相同，所以预备多个后台衔接办法是一个不错的主见。
办理服务器: 物联网节点作为独立的实体，一般不承受网络设备(经过网关)的拜访恳求。较为遍及做法是经过中心服务器办理网络节点，一起IoT网关为服务器供给通讯支撑，因而，咱们需求挑选网关与办理服务器之间的通讯协议。
本地智能: 在真云架构中，节点将悉数数据发送到云端进行处理和操控。不过，这种设定并不是很抱负，由于毫无价值的数据也会发到云服务器，导致带宽糟蹋、服务器负荷添加，乃至衔接断开时还会丢掉数据。边际核算概念处理了这个问题。假如IoT网关在本地承当大部分决议计划作业，只向云端发送过虑后的有价值的数据，体系运转将会变得愈加高效。出于灵敏性考虑，网关决议计划逻辑能够由服务器设定。本地智能程度和类型取决于实践运用，假如会影响网关规划决议计划，应给予深度考虑。
需求考虑的功率要素: 网关电源也会影响咱们的规划定案。由于广泛用于物联网设备，所以传感器网络应尽可能从环境中罗致能量。
数据安全: 这是决议大规划物联网能胜败的要害要素。跟着网络成更多运用(某些运用实践上是要害运用)的重要组成部分，数据安全变得愈加重要。安全问题应落实到每一个规划阶段，而在规划使命悉数完结后再添加安全功用的做法是过错的。
可保护: 这是一个常常被忽视的需求。历史经验告知咱们，没有体系是白璧无瑕的。不论布置前做过多少测验，布置后还会发现安全缺陷、风险和缝隙。IoT网关和节点有必要支撑现场保护和更新功用。设备保护不该只依靠长途保护，还应有更多的联网办法可选。
下面咱们具体评论现有联网技能，以及每种衔接技能可用于哪些场景。
节点衔接技能
现在，蓝牙、Wi-Fi、NFC、ZigBee是咱们十分了解的无线通讯技能。此外，新式联网技能，例如Sub GHz、Thread、ANT、Z-Wave，可直接用于智能家居、才智城市、智能照明和智能表计。
依据实践运用状况，功耗、数据速率、作业频率、电池续航才干是决议挑选哪一种或一些联网技能的首要要素。本文后边的表1比较了当今首要无线通讯技能的特性。
后台衔接:
网关与办理服务器(后台)的衔接需求挑选回程衔接技能以及通讯协议。回程衔接是IoT网关到ISP互联网服务供给商端点之间的远间隔衔接。2G/3G/LTE等移动通讯技能是当时最热的回程链路技能。此外，智能路灯等运用还能够运用电力线通讯(PLC)技能。高带宽运用能够选用光纤通讯技能。没有被移动网络覆盖的边远区域，能够选用卫星通讯或微波点对点衔接技能。
通讯协议
有许多通讯协议可用于IoT网关与云服务器之间的通讯。这儿咱们评论一些比较抢手的技能及其优缺陷。
Plain HTTP: 这是现在遍及度最高的网络协议，被服务器厂商广泛承受，得到互联网规范的支撑，兼容性问题最少，无缝支撑RESTful API。不过，这项技能的缺陷是开支太大，体现在HTTP报头和依据文本的格局方面。Plain HTTP尽管运转在TCP之上，但仍是一种无状况协议，不合适即时通讯运用。客户端有必要发送一个恳求信号，才干收到服务器的应对(指令)。为收到服务器的更新信息，客户端有必要不断地轮询服务器。
CoAP: 资源受限型运用协议，能够认为是二进制版的HTTP，对HTTP协议的一些局限性做了改善，具有十分精确的报头，支撑二进制数据格局，因而下降了开支;可运转在TCP或其它传输层乃至SMS之上。CoAP数据包很简单转换成HTTP包。不过，由于缺少对互联网基础设施的支撑，此技能不能很好地兼容防火墙、代理服务器和路由器。因而，这项协议一般只适用于传感器网络内的私有网络。
Web sockets: 这是一个互联网规范支撑的新的网络协议，选用与HTTP相同的寻址和握手办法，兼容现有网络基础设施。在完结握手对话后，当即转换成TCP之上的双工通讯，合适即时双向通讯，特别合适主机同享的虚拟主机环境和代理服务器后边的网关。
MQTT: 也是一个深受商场欢迎的运转在TCP层之上(可选)的网络协议，有一个主题订阅形式，更合适向相关网关播送信息，一起还适用于网关与服务器通讯，具有一些合适物联网运用的功用，例如，最终一条音讯永久存在和遗言音讯。
AMQP: 这或许是最合适网关与服务器通讯的网络协议。该协议的效果相当于一个存储行列，即使暂时断网，也保证数据包不会丢掉。
XMPP: 可扩展音讯处理与现场协议，是谈天客户端广泛运用的即时通讯协议，对许多功用进行了规范化，例如，用户验证和音讯ID。不过，由于技能规范十分杂乱，数据交流选用冗长的XML格局，所以不合适物联网运用。
图1: 意法半导体的无线网桥处理计划
IoT网关渠道架构
这儿介绍一个咱们自主开发的灵敏可变的传感器数据监控规划计划。传感器数据监控是一种一般运用，对安全或可靠性没有特别的要求。
无线网桥IoT网关: 无线网桥是依据STM32的IoT网关渠道计划，供给多种不同的通讯衔接技能，如图1所示。通讯体系由蓝牙、Wi-Fi、Sub-GHz和NFC近间隔通讯组成。每种通讯技能都有本身的优势。Wi-Fi用于在网关渠道与云端渠道之间传输物或节点数据，蓝牙用于网关渠道与安卓运用程序之间交流物或节点数据，而Sub-GHz技能用于在网关渠道与物或节点之间传送数据。在无线网桥渠道上，蓝牙、Wi-Fi和Sub-GHz模块经过UART线与STM32通讯，而NFC收发器经过SPI线与STM32通讯，怎么保证STM32微操控器与不同的通讯设备合作而不会推迟，高效处理一切恳求，是这个渠道规划的一大应战。这个网关渠道架构能够协助咱们运用不同的通讯技能满意不同的用例需求。咱们在这个网关计划上添加一个运用层，充任云运用与物之间的网络桥梁。这个6LoWPAN网络的操作体系是Contiki OS。手机运用软件经过蓝牙接口与网关通讯。
首要通讯元件
Sub-GHz模块: 网关经过SPIRIT1 Sub-GHz模块与6LoWPAN网络中的“物”通讯。SPIRIT1模块是超低功耗的高集成度射频模块，支撑868 MHz / 915 Mhz ISM双频作业。该模块依据SPIRIT1 RF sub-GHz收发器(内置SMPS电源)、STM32L1微操控器、内部滤波器/平衡不平衡转换器芯片天线。UART主机接口可经过一个规范固件库直接衔接外部微操控器，运用点对点通讯和AT指令简化射频装备、数据传输接纳。
Wi-Fi模块: Wi-Fi模块将无线网桥网关衔接到云端运用。SPWF01Sx智能Wi-Fi模块是一款独立的即插即用的802.11 b/g/n处理计划，内置功率放大器和32位STM32微操控器。模块还集成时钟芯片和稳压器。
近间隔通讯: 该网关渠道将CR95HF收发器用作NFC读写设备，与“物”上的NFC无源标签通讯，装备设备。CR95HF是13.56-MHz多协议非触摸式收发器。
蓝牙模块: SPBT2632Cxx蓝牙模块是一个小尺度的功用完结的射频渠道，适用于家庭主动化设备与蓝牙设备和手机之间的数据传输。
物架构
在本处理计划中，物依据多传感器-RF渠道，共有两个组件(STEVAL-IDI002V2和STEVAL-IDI003V2)。STEVAL-IDI002V2是主板，集成了STM32L1 Cotex-M3微操控器、双接口EEPROM和Sub Ghz通讯接口。STM32L1运转依据Contiki3x的6LoWPAN协议栈。挑选这款微操控器是考虑到超低功耗的要求。双接口EEPROM使多传感器射频渠道能够存储传感器送来的数据，让用户能够挑选在NFC手机上检查数据。
STEVAL-IDI003V2电路板集成多个传感器，例如MEMS加速度传感器、MEMS压力传感器、MEMS湿度传感器、MEMS麦克风和光传感器。给整个体系供电的是一枚锂电池。
图2: 射频传感器节点(物)
在6LoWPAN网络内，多传感器射频渠道是‘物’，无线网桥(网关)上的Sub-GHz射频模块是根节点。传感器节点读取传感器数据，并经过6LoWPAN网络将其发送到根节点。传感器节点还有GPIO端口，用于操控致动器。
IoT网关供给本地和长途衔接选项，以拜访传感器数据和节点上的致动器(图4)
Web拜访: 长途用户能够运用办理服务器供给的Web界面检查传感器数据，向致动器发送指令。
安卓运用软件: 本地用户能够用蓝牙手机拜访节点。在完结手机与无线网桥渠道配对后，手机运用软件能够运用节点的功用。
NFC支撑: 无线网桥支撑NFC读写功用。这个通讯功用可用于装备节点(射频信道等)和网关(Wi-Fi和蓝牙设置等)。
办理服务器运用规划
咱们还规划了一个叫做ST Cloud Bridge的云端运用，在内置传感器/致动器的“物”或节点与终端用户之间搭起一座互动桥梁。图3是该云端运用的框图。物或节点将数据上传到ST Cloud Bridge云运用，然后获取指令和装备信息。终端用户能够监督传感器数据流，针对各种状况设置提示告诉。该渠道还能注册、操控和装备节点。Cloud Bridge云运用首要由两个部件组成：设备模块和web模块。设备模块与传感器/致动器节点互动，而web模块处理用户所用的web客户端和移动客户端。这两个模块经过同享物体或云端服务总线交互操作，该处理计划运转在Azure网站渠道上，供给数据安全功用，只与注册过的节点交互，所以数据完整性不会遭到影响。该云运用允许“物”经过网关运用依据REST的规范API。
关于物联网办理运用来说，支撑多个协议十分重要。咱们有必要有设备办理模块、监督模块、上报模块和注册模块。
考虑到物联网运用固有的负载易变性，IaaS是企业保管云运用的首选方法。现在许多云服务供给商开端供给物联网专用服务，使物联网运用的开发保护变得愈加方便快捷。
图3: 节点办理云运用
物联网运用
家庭主动化
智能家居：这些运用让用户能够长途监控安防设备和家电，还能够前进动力运用功率，例如，当用户外出时，主动封闭家电电源。
才智城市:
智能路灯: 经过监督环境光和交通流量等参数，市政办理者能够操控路灯亮度和开关灯时刻，节约很多电能。假如路灯呈现毛病，体系会当即报修，下降意外事故风险或犯罪率。
智能表计: 无线衔接的表计可完结长途抄表和一些运用，例如，阶梯式电价和双向计量电能表。智能电表还能侦测并上报盗电、电路漏电等事情。
智能泊车场: 依据挨近检测传感器的智能泊车场是另一种物联网运用，能够为驾驶员提早发送空车位信息，防止交通拥堵问题，使按泊车时刻收费的计价也愈加精确。
才智农业：经过对湿度和养分进行精确监督，体系可提示灌溉和上肥时刻，然后节约水和化肥本钱，一起大幅前进产值。实践证明，当与天气预报合作运用时，该体系可让农人实在获益。
健康
这是行将到来的物联网运用，将会给终端用户的健康护理带来革命性改变。各种穿戴传感器搜集病患的体温、血压等重要生理参数，然后经过IoT网关发送到病患线上健康档案，为用户树立一个精确的生理参数档案。关于医护专业人士来说，与病患病健康史相关的数据是一个有用的确诊东西，能够实时剖析这些数据，在紧迫状况下，能够快速举动，当即抢救病患。
工业
在监督和优化工业生产过程方面，物联网相同能够发挥重要效果。低功耗传感器节点的面世在工业主动化范畴拓荒一条新的途径。低功耗传感器节点在曾经仍是一个不小的应战，除用于工业主动化运用范畴外，还能进入对人类有害或不能进入的风险环境代替人类作业。
定论
咱们提出了一个能够衔接6LoWPAN网络中的“物”且支撑手机和云运用的通用IoT网关渠道计划。“物”所衔接的网关是IPv6网络中的IoT无线网关。该体系处理计划能够定制，以适用于不同的用例。高品质开源网格网络协议的呈现，例如，Contiki，有助于物联网加速进入消费范畴。关于一切的物联网运用，安全性仍然是一个充溢应战的问题，这无需言明。尽管现有安全技能还能撑住，可是，跟着物联网不断遍及，咱们将会发现更多安全应战。业界仍然在尽力寻觅更好的低本钱/低功耗的处理计划，树立一个安全的物联网。半导体制程前进、本钱下降、更好的电源办理技能以及动力收回技能将会为物联网国际翻开另一扇大门。
图4: IoT网关接口
