物联网数据处理网关的设计

摘要：提出了物联网数据的一站式处理服务模式，给出了支持最广泛的接入、使网关具备可管理和灵活部署能力的设计方法；同时以EP9315处理器及相关传感器为硬件平台，以．Net Micro Framework作为网关嵌入式操作系统，并包含数据处理中间件，使各类数据感知终端能够高效率、低成本、一致性地轻松接入物联网；以便建立可支持多种接口通讯协议，具有统一的标准数据格式输出，数据配置策略灵活的物联网数据处理网关系统。
关键词：物联网；网关；数据处理中间件；．Net Micro Framework

0 引言
物联网在2010年以来受到各方面的追捧，从国家政策到地方政府专项规划，再到企业，都投入了极大的精力和极高的热情。在物联网产业发展的起步阶段，由于缺乏统一规范和一致性的标准化引领，各行业在数据信息系统和行业数据网络建设中都遇到了障碍，也走了不少弯路。这主要存在以下几个问题：
(1)传感器接口不统一造成设备入网的极大困难工业领域的一些行业安装了大批的仪器仪表和传感器探头，多达上千类别和品种(品牌)，然而，这些种类繁多的设备都是由不同的制造商生产的，每一种设备的数据接口和数据输出格式都是由制造商自行确定的，而且各不相同，从而造成数据不能被系统识别和辨认，也无法将诸多设备一致性接入到统一的传输网络中。
(2)数据通信协议众多且不规范，造成设备的二次安装，成本巨大安装在许多行业内的仪器仪表和传感器设备虽然数量众多，但都没有一个统一规范的数据通信模式，也没有遵从规范的数据通信协议，因而引发了建网工程成本的大幅度上升，每次现场安装都是一次小型集成，高额的成本代价使整个工程得不偿失。
(3)分割式、重复式建设造成了新的信息孤岛地方各级管理在地域上都有自己的管理范围，形成了各地管理都在着力搭建本地区的环境监测网络，出现了不同的省网、市网或县网。这种分头建网、重复建网的方式所产生的弊端是，一方面造成资源浪费，另一方面由于网与网之间互不兼容，不能做到互通互联和数据共享，进而又产生许多新的封闭型的信息孤岛；也不能实现资源利用的最大化。
因此，本文提出面向物联网感知层提供物联网数据的一站式处理服务模式，使数以万计的各类数据感知终端能够高效率、低成本、一致性地轻松接入物联网网络；对海量数据实现全面资源化、智能化管理；实现物联网传感节点异构数据的实时集成、支持多种接口通讯协议、统一标准数据格式输出，对网关功能模块进行组件化处理，对数据配置策略进行灵活性处理的物联网数据处理网关系统。

1 系统总体设计
为了提供物联网数据一站式处理服务，支持最广泛的接入，使网关具备可管理和灵活的部署能力，本文把物联网数据处理网关设计分为传感器接入网关设备、感知数据处理中间件、网关配置应用软件三部分。图1所示是物联网数据处理网关的功能结构图。

图1中，传感器接入网关设备负责处理各种传感器设备的接入、驱动管理、设备管理：感知数据处理中间件负责数据采集、设备管理、数据处理、数据存储、规则管理和制定，实现数据格式转换、通讯协议转换、数据安全策略等功能；网关配置应用软件负责网关现场管理配置工具、远程配置管理工具、传感器数据智能分析报告界面，实现工业现场的检测状态、配置数据、配置策略、配置设备的管理、数据错误处理策略配置、数据本地访问配置以及传感各项指标状态、传感器状态、警报与定位的数据报告等。

2 传感器接入网关的硬件设计
物联网数据处理系统平台的硬件实体是传感器接入网关设备。该设备器件采用工业级，低功耗设计；具备USB、Uart、SPI、I2C等传感器硬件接口，并具备WIFI、ZigBee、Internet、TD-SCDMA等通讯接口接入能力。表1所列是物联网数据处理网关的硬件组成及技术参数。

网关设备包含硬件接口、处理器、显示设备、控制器、通讯模块等，具体如图2所示。

3 系统软件设计
3．1 感知数据处理中间件
该中间件主要涉及感知数据处理相关的程序开发，是运行在网关设备上的程序；中间件包括设备管理、数据处理、数据存储、规则管理和制定，实现数据格式转换、通讯协议转换、数据安全策略等功能。其具体的数据处理流程图如图3所示。
本数据处理中间件的数据流程分为以下7步：
步骤1：将传感器产生的各种电气信号经接口驱动处理转换为原始数据；
步骤2：将原始数据在数据处理模块中根据数据配置策略和错误处理策略，将正确的数据生成xml文件；
步骤3：把原始数据在数据处理模块中复制一份副本，并将副本数据压缩备份存储在指定的本地数据库中；
步骤4：对不符合配置策略的数据和错误数据经过错误诊断分析，对不能修正的数据根据错误控制策略决定是否报警及采取相应措施；
步骤5：对生成的xml在安全模块中根据加密策略及算法生成加密文件；
步骤6：将加密文件在安全模块中复制一份副本，并将副本数据压缩备份存储在指定的本地数据库中；
步骤7：把数据加密形成文件通过通信模块发送到远程客户端或者本地专用手持接收设备中供用户使用。
3．2 网关配置应用软件
网关配置应用软件包含网关现场管理配置工具、远程配置管理工具、传感器数据智能分析报告界面，可实现工业现场的检测状态、配置数据、配置策略、配置设备的管理、数据错误处理策略配置、数据本地访问配置以及传感各项指标状态、传感器状态、警报与定位的数据报告等。图4所示是本系统的网关配置管理流程图。