IoT網(wǎng)關平臺與應用

　　摘要—有關物聯(lián)網(wǎng)將能實現(xiàn)資源利用高效化、智能化的論述提高了科技界以及消費者對物聯(lián)網(wǎng)的期待。物聯(lián)網(wǎng)(IoT)需要給我們周圍的日用物品(物)增加感知和聯(lián)網(wǎng)功能，將其變成一個網(wǎng)絡節(jié)點。不過，受到功率大小和運算能力限制，直接將物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點連接到公共網(wǎng)絡有時是行不通的。IoT網(wǎng)關能夠利用適合的聯(lián)網(wǎng)技術，把資源有限的“物”連接到規(guī)模更大的網(wǎng)絡。有多種技術可用于“物”與網(wǎng)關之間的連接通信。同樣，IoT網(wǎng)關與云端的通信也有多種網(wǎng)絡協(xié)議可用。IoT網(wǎng)關設計面臨很多挑戰(zhàn)和難題，例如，數(shù)據(jù)安全、身份驗證和設備開通。對于一個具體應用，做出正確的選擇，不是一件小事。本文介紹一個“無線網(wǎng)橋”的IoT網(wǎng)關平臺架構，該網(wǎng)關平臺靈活可變，支持不同的無線通信技術。我們還將探討“物”與“云”通過IoT網(wǎng)關平臺交換信息所需的多種聯(lián)網(wǎng)技術和網(wǎng)絡協(xié)議。本文有助于設計人員開發(fā)安全、靈活、可擴展的IoT網(wǎng)關。

　　關鍵詞 — 物聯(lián)網(wǎng)(IoT)，無線網(wǎng)橋，RF傳感器節(jié)點， 6LoWPAN，Wi-Fi，藍牙，NFC , Sub GHz

　　前言

　　物聯(lián)網(wǎng)就是一個物品互聯(lián)網(wǎng)，這里的物品(物)內(nèi)部有電子系統(tǒng)，具有感知和上報功能，支持遠程控制，有時還能做出簡單的決策。與物聯(lián)網(wǎng)相關的其它常用術語包括M2M(機器間通信)和IoE(萬物互聯(lián))。將內(nèi)部有電子系統(tǒng)的物品連接到網(wǎng)絡的概念由來已久。大致瀏覽一下相關資料后發(fā)現(xiàn)，物聯(lián)網(wǎng)似乎不是什么新概念。不過，物聯(lián)網(wǎng)和傳統(tǒng)的機器間通信還是略有不同的。物聯(lián)網(wǎng)的目標是將所有能夠與用戶互動的設備(物)都連接在一起，包括通常不聯(lián)網(wǎng)的設備，實現(xiàn)萬物互聯(lián)。第二個不同之處是，物聯(lián)網(wǎng)打算沿用現(xiàn)有的基于IP的網(wǎng)絡，建立一個全球規(guī)模的物聯(lián)網(wǎng)，而這一代機器間通信技術則是建立專用通信網(wǎng)絡基礎設施。物聯(lián)網(wǎng)接入互聯(lián)網(wǎng)的概念可提高物聯(lián)網(wǎng)延伸距離，同時也使物聯(lián)網(wǎng)技術面臨一些獨特的挑戰(zhàn)。其中一個挑戰(zhàn)是，受限于系統(tǒng)內(nèi)存、數(shù)據(jù)存儲容量和計算能力，很多物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點無法直接連接基于IP的網(wǎng)絡。IoT網(wǎng)關可以填補這塊空白，在基于IP的公共網(wǎng)絡與本地物聯(lián)網(wǎng)之間架起一座網(wǎng)絡橋梁，同時還能提供數(shù)據(jù)安全、存儲和處理服務，盡可能地提高物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點終端設備的成本效益和能效。此外，網(wǎng)關還能讓網(wǎng)內(nèi)設備使用不同的通信技術相互對話。不幸地是，影響設計的不確定因素太多，設計一個面向未來的IoT網(wǎng)關是一項十分艱巨的任務。物聯(lián)網(wǎng)市場碎片化嚴重，廠商數(shù)以萬計，缺少統(tǒng)一的標準。目前有關物聯(lián)網(wǎng)的技術規(guī)范過多，每家科技企業(yè)都各自為陣，只推廣自有技術。本文旨在于概述目前市場所有的可用技術，不深入介紹廠商的具體通信協(xié)議。

　　IoT網(wǎng)關的設計挑戰(zhàn)

　　節(jié)點連接: 將網(wǎng)關連接到物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點，需要選用一種近距離射頻(RF)通信技術。選擇射頻技術時需要比較各種參數(shù)，例如頻帶、調(diào)制方法、信道數(shù)量、數(shù)據(jù)速率、延遲、穩(wěn)健性等。此外，還要考慮本地行業(yè)法規(guī)的相關規(guī)定。如果是節(jié)點類型相同的同構網(wǎng)絡，射頻技術選擇就比較容易。相反，如果網(wǎng)內(nèi)有多種不同的節(jié)點，有不同的需求，射頻選擇就會復雜很多。

　　后臺連接: IoT網(wǎng)關與節(jié)點的連接可以使用近距離射頻技術，而網(wǎng)關與互聯(lián)網(wǎng)的連接則需要遠距離通信技術。選擇這項技術時需要考慮帶寬需求和本地現(xiàn)有可用的連接技術，還要考慮是否是關鍵應用。因為每個地區(qū)的網(wǎng)絡連接技術都不盡相同，所以準備多個后臺連接方法是一個不錯的主意。

　　管理服務器: 物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點作為獨立的實體，通常不接受網(wǎng)絡設備(通過網(wǎng)關)的訪問請求。較為普遍做法是通過中央服務器管理網(wǎng)絡節(jié)點，同時IoT網(wǎng)關為服務器提供通信支持，因此，我們需要選擇網(wǎng)關與管理服務器之間的通信協(xié)議。

　　本地智能: 在真云架構中，節(jié)點將全部數(shù)據(jù)發(fā)送到云端進行處理和控制。不過，這種設定并不是很理想，因為毫無價值的數(shù)據(jù)也會發(fā)到云服務器，導致帶寬浪費、服務器負荷增加，甚至連接斷開時還會丟失數(shù)據(jù)。邊緣計算概念解決了這個問題。如果IoT網(wǎng)關在本地承擔大部分決策工作，只向云端發(fā)送過慮后的有價值的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)運行將會變得更加高效。出于靈活性考慮，網(wǎng)關決策邏輯可以由服務器設定。本地智能程度和類型取決于實際應用，如果會影響網(wǎng)關設計決策，應給予深度考慮。

　　需要考慮的功率因素: 網(wǎng)關電源也會影響我們的設計定案。因為廣泛用于物聯(lián)網(wǎng)設備，所以傳感器網(wǎng)絡應盡可能從環(huán)境中汲取能量。

　　數(shù)據(jù)安全: 這是決定大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)能成敗的關鍵要素。隨著網(wǎng)絡成更多應用(某些應用實際上是關鍵應用)的重要組成部分，數(shù)據(jù)安全變得更加重要。安全問題應落實到每一個設計階段，而在設計任務全部完成后再增加安全功能的做法是錯誤的。

　　可維護: 這是一個經(jīng)常被忽視的需求。歷史經(jīng)驗告訴我們，沒有系統(tǒng)是完美無缺的。不管部署前做過多少測試，部署后還會發(fā)現(xiàn)安全缺陷、隱患和漏洞。IoT網(wǎng)關和節(jié)點必須支持現(xiàn)場維護和更新功能。設備維護不應只依賴遠程維護，還應有更多的聯(lián)網(wǎng)方法可選。

　　下面我們詳細討論現(xiàn)有聯(lián)網(wǎng)技術，以及每種連接技術可用于哪些場景。

　　節(jié)點連接技術

　　目前，藍牙、Wi-Fi、NFC、ZigBee是大家非常熟悉的無線通信技術。此外，新興聯(lián)網(wǎng)技術，例如Sub GHz、Thread、ANT、Z-Wave，可直接用于智能家居、智慧城市、智能照明和智能表計。

　　根據(jù)實際應用情況，功耗、數(shù)據(jù)速率、工作頻率、電池續(xù)航能力是決定選擇哪一種或一些聯(lián)網(wǎng)技術的主要因素。本文后面的表1比較了當今主要無線通信技術的特性。

　　后臺連接:

　　網(wǎng)關與管理服務器(后臺)的連接需要選擇回程連接技術以及通信協(xié)議。回程連接是IoT網(wǎng)關到ISP互聯(lián)網(wǎng)服務提供商端點之間的遠距離連接。2G/3G/LTE等移動通信技術是當前最熱的回程鏈路技術。此外，智能路燈等應用還可以使用電力線通信(PLC)技術。高帶寬應用可以選用光纖通信技術。沒有被移動網(wǎng)絡覆蓋的邊遠地區(qū)，可以選用衛(wèi)星通信或微波點對點連接技術。

　　通信協(xié)議

　　有很多通信協(xié)議可用于IoT網(wǎng)關與云服務器之間的通信。這里我們討論一些比較熱門的技術及其優(yōu)缺點。

　　Plain HTTP: 這是目前普及度最高的網(wǎng)絡協(xié)議，被服務器廠商廣泛接受，得到互聯(lián)網(wǎng)標準的支持，兼容性問題最少，無縫支持RESTful API。不過，這項技術的缺點是開銷太大，體現(xiàn)在HTTP報頭和基于文本的格式方面。Plain HTTP雖然運行在TCP之上，但還是一種無狀態(tài)協(xié)議，不適合即時通信應用?？蛻舳吮仨毎l(fā)送一個請求信號，才能收到服務器的應答(命令)。為收到服務器的更新信息，客戶端必須不斷地輪詢服務器。

　　CoAP: 資源受限型應用協(xié)議，可以認為是二進制版的HTTP，對HTTP協(xié)議的一些局限性做了改進，擁有非常準確的報頭，支持二進制數(shù)據(jù)格式，因此降低了開銷;可運行在TCP或其它傳輸層甚至SMS之上。CoAP數(shù)據(jù)包很容易轉換成HTTP包。不過，因為缺乏對互聯(lián)網(wǎng)基礎設施的支持，此技術不能很好地兼容防火墻、代理服務器和路由器。因此，這項協(xié)議通常只適用于傳感器網(wǎng)絡內(nèi)的私有網(wǎng)絡。

　　Web sockets: 這是一個互聯(lián)網(wǎng)標準支持的新的網(wǎng)絡協(xié)議，采用與HTTP相同的尋址和握手方法，兼容現(xiàn)有網(wǎng)絡基礎設施。在完成握手對話后，立即轉換成TCP之上的雙工通信，適合即時雙向通信，特別適合主機共享的虛擬主機環(huán)境和代理服務器后面的網(wǎng)關。

　　MQTT: 也是一個深受市場歡迎的運行在TCP層之上(可選)的網(wǎng)絡協(xié)議，有一個主題訂閱模式，更適合向相關網(wǎng)關廣播信息，同時還適用于網(wǎng)關與服務器通信，具有一些適合物聯(lián)網(wǎng)應用的功能，例如，最后一條消息永久存在和遺囑消息。

　　AMQP: 這或許是最適合網(wǎng)關與服務器通信的網(wǎng)絡協(xié)議。該協(xié)議的作用相當于一個存儲隊列，即便臨時斷網(wǎng)，也確保數(shù)據(jù)包不會丟失。

　　XMPP: 可擴展消息處理與現(xiàn)場協(xié)議，是聊天客戶端廣泛使用的即時通信協(xié)議，對很多功能進行了標準化，例如，用戶驗證和消息ID。不過，因為技術規(guī)范十分復雜，數(shù)據(jù)交換采用冗長的XML格式，所以不適合物聯(lián)網(wǎng)應用。

　　圖1: 意法半導體的無線網(wǎng)橋解決方案

　　IoT網(wǎng)關平臺架構

　　這里介紹一個我們自主開發(fā)的靈活可變的傳感器數(shù)據(jù)監(jiān)控設計方案。傳感器數(shù)據(jù)監(jiān)控是一種普通應用，對安全或可靠性沒有特殊的要求。

　　無線網(wǎng)橋IoT網(wǎng)關: 無線網(wǎng)橋是基于STM32的IoT網(wǎng)關平臺方案，提供多種不同的通信連接技術，如圖1所示。通信系統(tǒng)由藍牙、Wi-Fi、Sub-GHz和NFC近距離通信組成。每種通信技術都有自身的優(yōu)勢。Wi-Fi用于在網(wǎng)關平臺與云端平臺之間傳輸物或節(jié)點數(shù)據(jù)，藍牙用于網(wǎng)關平臺與安卓應用程序之間交換物或節(jié)點數(shù)據(jù)，而Sub-GHz技術用于在網(wǎng)關平臺與物或節(jié)點之間傳送數(shù)據(jù)。在無線網(wǎng)橋平臺上，藍牙、Wi-Fi和Sub-GHz模塊通過UART線與STM32通信，而NFC收發(fā)器通過SPI線與STM32通信，如何確保STM32微控制器與不同的通信設備配合而不會延遲，高效處理所有請求，是這個平臺設計的一大挑戰(zhàn)。這個網(wǎng)關平臺架構可以幫助我們利用不同的通信技術滿足不同的用例需求。我們在這個網(wǎng)關方案上增加一個應用層，充當云應用與物之間的網(wǎng)絡橋梁。這個6LoWPAN網(wǎng)絡的操作系統(tǒng)是Contiki OS。手機應用軟件通過藍牙接口與網(wǎng)關通信。

　　主要通信元件

　　Sub-GHz模塊: 網(wǎng)關通過SPIRIT1 Sub-GHz模塊與6LoWPAN網(wǎng)絡中的“物”通信。SPIRIT1模塊是超低功耗的高集成度射頻模塊，支持868 MHz / 915 Mhz ISM雙頻工作。該模塊基于SPIRIT1 RF sub-GHz收發(fā)器(內(nèi)置SMPS電源)、STM32L1微控制器、內(nèi)部濾波器/平衡不平衡轉換器芯片天線。UART主機接口可通過一個標準固件庫直接連接外部微控制器，利用點對點通信和AT命令簡化射頻配置、數(shù)據(jù)傳輸接收。

　　Wi-Fi模塊: Wi-Fi模塊將無線網(wǎng)橋網(wǎng)關連接到云端應用。SPWF01Sx智能Wi-Fi模塊是一款獨立的即插即用的802.11 b/g/n解決方案，內(nèi)置功率放大器和32位STM32微控制器。模塊還集成時鐘芯片和穩(wěn)壓器。

　　近距離通信: 該網(wǎng)關平臺將CR95HF收發(fā)器用作NFC讀寫設備，與“物”上的NFC無源標簽通信，配置設備。CR95HF是13.56-MHz多協(xié)議非接觸式收發(fā)器。

　　藍牙模塊: SPBT2632Cxx藍牙模塊是一個小尺寸的功能完成的射頻平臺，適用于家庭自動化設備與藍牙設備和手機之間的數(shù)據(jù)傳輸。

　　物架構

　　在本解決方案中，物基于多傳感器-RF平臺，共有兩個組件(STEVAL-IDI002V2和STEVAL-IDI003V2)。STEVAL-IDI002V2是主板，集成了STM32L1 Cotex-M3微控制器、雙接口EEPROM和Sub Ghz通信接口。STM32L1運行基于Contiki3x的6LoWPAN協(xié)議棧。選擇這款微控制器是考慮到超低功耗的要求。雙接口EEPROM使多傳感器射頻平臺能夠存儲傳感器送來的數(shù)據(jù)，讓用戶可以選擇在NFC手機上查看數(shù)據(jù)。

　　STEVAL-IDI003V2電路板集成多個傳感器，例如MEMS加速度傳感器、MEMS壓力傳感器、MEMS濕度傳感器、MEMS麥克風和光傳感器。給整個系統(tǒng)供電的是一枚鋰電池。

　　圖2: 射頻傳感器節(jié)點(物)

　　在6LoWPAN網(wǎng)絡內(nèi)，多傳感器射頻平臺是‘物’，無線網(wǎng)橋(網(wǎng)關)上的Sub-GHz射頻模塊是根節(jié)點。傳感器節(jié)點讀取傳感器數(shù)據(jù)，并通過6LoWPAN網(wǎng)絡將其發(fā)送到根節(jié)點。傳感器節(jié)點還有GPIO端口，用于控制致動器。

　　IoT網(wǎng)關提供本地和遠程連接選項，以訪問傳感器數(shù)據(jù)和節(jié)點上的致動器(圖4)

　　Web訪問: 遠程用戶可以使用管理服務器提供的Web界面查看傳感器數(shù)據(jù)，向致動器發(fā)送命令。

　　安卓應用軟件: 本地用戶可以用藍牙手機訪問節(jié)點。在完成手機與無線網(wǎng)橋平臺配對后，手機應用軟件可以使用節(jié)點的功能。

　　NFC支持: 無線網(wǎng)橋支持NFC讀寫功能。這個通信功能可用于配置節(jié)點(射頻信道等)和網(wǎng)關(Wi-Fi和藍牙設置等)。

　　管理服務器應用設計

　　我們還設計了一個叫做ST Cloud Bridge的云端應用，在內(nèi)置傳感器/致動器的“物”或節(jié)點與終端用戶之間搭起一座互動橋梁。圖3是該云端應用的框圖。物或節(jié)點將數(shù)據(jù)上傳到ST Cloud Bridge云應用，然后獲取命令和配置信息。終端用戶可以監(jiān)視傳感器數(shù)據(jù)流，針對各種情況設置提醒通知。該平臺還能開通、控制和配置節(jié)點。Cloud Bridge云應用主要由兩個部件組成：設備模塊和web模塊。設備模塊與傳感器/致動器節(jié)點互動，而web模塊處理用戶所用的web客戶端和移動客戶端。這兩個模塊通過共享物體或云端服務總線交互操作，該解決方案運行在Azure網(wǎng)站平臺上，提供數(shù)據(jù)安全功能，只與注冊過的節(jié)點交互，所以數(shù)據(jù)完整性不會受到影響。該云應用準許“物”通過網(wǎng)關使用基于REST的標準API。

　　對于物聯(lián)網(wǎng)管理應用來說，支持多個協(xié)議十分重要。我們必須有設備管理模塊、監(jiān)視模塊、上報模塊和開通模塊。

　　考慮到物聯(lián)網(wǎng)應用固有的負載易變性，IaaS是企業(yè)托管云應用的首選方式。現(xiàn)在很多云服務提供商開始提供物聯(lián)網(wǎng)專用服務，使物聯(lián)網(wǎng)應用的開發(fā)維護變得更加方便快捷。

　　圖3: 節(jié)點管理云應用

　　物聯(lián)網(wǎng)應用

　　家庭自動化

　　智能家居：這些應用讓用戶能夠遠程監(jiān)控安防設備和家電，還可以提高能源使用效率，例如，當用戶外出時，自動關閉家電電源。

　　智慧城市:

　　智能路燈: 通過監(jiān)視環(huán)境光和交通流量等參數(shù)，市政管理者可以控制路燈亮度和開關燈時間，節(jié)省大量電能。如果路燈出現(xiàn)故障，系統(tǒng)會立即報修，降低意外事故風險或犯罪率。

　　智能表計: 無線連接的表計可實現(xiàn)遠程抄表和一些應用，例如，階梯式電價和雙向計量電能表。智能電表還能偵測并上報盜電、電路漏電等事件。

　　智能停車場: 基于接近檢測傳感器的智能停車場是另一種物聯(lián)網(wǎng)應用，能夠為駕駛員提前發(fā)送空車位信息，避免交通擁堵問題，使按停車時間收費的計價也更加準確。

　　智慧農(nóng)業(yè)：通過對濕度和營養(yǎng)進行精確監(jiān)視，系統(tǒng)可提示澆灌和施肥時間，從而節(jié)省水和化肥成本，同時大幅提高產(chǎn)量。實踐證明，當與天氣預報配合使用時，該系統(tǒng)可讓農(nóng)民切實受益。

　　健康

　　這是即將到來的物聯(lián)網(wǎng)應用，將會給終端用戶的健康護理帶來革命性變化。各種穿戴傳感器收集病患的體溫、血壓等重要生理參數(shù)，然后通過IoT網(wǎng)關發(fā)送到病患線上健康檔案，為用戶建立一個準確的生理參數(shù)檔案。對于醫(yī)護專業(yè)人士來說，與病患病健康史相關的數(shù)據(jù)是一個有效的診斷工具，可以實時分析這些數(shù)據(jù)，在緊急情況下，可以快速行動，立即搶救病患。

　　工業(yè)

　　在監(jiān)視和優(yōu)化工業(yè)生產(chǎn)過程方面，物聯(lián)網(wǎng)同樣可以發(fā)揮重要作用。低功耗傳感器節(jié)點的問世在工業(yè)自動化領域開辟一條新的途徑。低功耗傳感器節(jié)點在以前還是一個不小的挑戰(zhàn)，除用于工業(yè)自動化應用領域外，還能進入對人類有害或不能進入的危險環(huán)境替代人類工作。

　　結論

　　我們提出了一個能夠連接6LoWPAN網(wǎng)絡中的“物”且支持手機和云應用的通用IoT網(wǎng)關平臺方案?！拔铩彼B接的網(wǎng)關是IPv6網(wǎng)絡中的IoT無線網(wǎng)關。該系統(tǒng)解決方案可以定制，以適用于不同的用例。高品質開源網(wǎng)格網(wǎng)絡協(xié)議的出現(xiàn)，例如，Contiki，有助于物聯(lián)網(wǎng)加快進入消費領域。對于所有的物聯(lián)網(wǎng)應用，安全性依然是一個充滿挑戰(zhàn)的問題，這無需言明。雖然現(xiàn)有安全技術還能撐住，但是，隨著物聯(lián)網(wǎng)不斷普及，我們將會發(fā)現(xiàn)更多安全挑戰(zhàn)。業(yè)界依然在努力尋找更好的低成本/低功耗的解決方案，建立一個安全的物聯(lián)網(wǎng)。半導體制程進步、成本降低、更好的電源管理技術以及能源回收技術將會為物聯(lián)網(wǎng)世界打開另一扇大門。

　　圖4: IoT網(wǎng)關接口