摘要：提出了物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的一站式處理服務模式，給出了支持最廣泛的接入、使網(wǎng)關具備可管理和靈活部署能力的設計方法；同時以EP9315處理器及相關傳感器為硬件平臺，以．Net Micro Framework作為網(wǎng)關嵌入式操作系統(tǒng)，并包含數(shù)據(jù)處理中間件，使各類數(shù)據(jù)感知終端能夠高效率、低成本、一致性地輕松接入物聯(lián)網(wǎng)；以便建立可支持多種接口通訊協(xié)議，具有統(tǒng)一的標準數(shù)據(jù)格式輸出，數(shù)據(jù)配置策略靈活的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理網(wǎng)關系統(tǒng)。
關鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；網(wǎng)關；數(shù)據(jù)處理中間件；．Net Micro Framework

0 引言
    物聯(lián)網(wǎng)在2010年以來受到各方面的追捧，從國家政策到地方政府專項規(guī)劃，再到企業(yè)，都投入了極大的精力和極高的熱情。在物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的起步階段，由于缺乏統(tǒng)一規(guī)范和一致性的標準化引領，各行業(yè)在數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)和行業(yè)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡建設中都遇到了障礙，也走了不少彎路。這主要存在以下幾個問題：
    (1)傳感器接口不統(tǒng)一造成設備入網(wǎng)的極大困難工業(yè)領域的一些行業(yè)安裝了大批的儀器儀表和傳感器探頭，多達上千類別和品種(品牌)，然而，這些種類繁多的設備都是由不同的制造商生產(chǎn)的，每一種設備的數(shù)據(jù)接口和數(shù)據(jù)輸出格式都是由制造商自行確定的，而且各不相同，從而造成數(shù)據(jù)不能被系統(tǒng)識別和辨認，也無法將諸多設備一致性接入到統(tǒng)一的傳輸網(wǎng)絡中。
    (2)數(shù)據(jù)通信協(xié)議眾多且不規(guī)范，造成設備的二次安裝，成本巨大安裝在許多行業(yè)內的儀器儀表和傳感器設備雖然數(shù)量眾多，但都沒有一個統(tǒng)一規(guī)范的數(shù)據(jù)通信模式，也沒有遵從規(guī)范的數(shù)據(jù)通信協(xié)議，因而引發(fā)了建網(wǎng)工程成本的大幅度上升，每次現(xiàn)場安裝都是一次小型集成，高額的成本代價使整個工程得不償失。
    (3)分割式、重復式建設造成了新的信息孤島地方各級管理在地域上都有自己的管理范圍，形成了各地管理都在著力搭建本地區(qū)的環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡，出現(xiàn)了不同的省網(wǎng)、市網(wǎng)或縣網(wǎng)。這種分頭建網(wǎng)、重復建網(wǎng)的方式所產(chǎn)生的弊端是，一方面造成資源浪費，另一方面由于網(wǎng)與網(wǎng)之間互不兼容，不能做到互通互聯(lián)和數(shù)據(jù)共享，進而又產(chǎn)生許多新的封閉型的信息孤島；也不能實現(xiàn)資源利用的最大化。
    因此，本文提出面向物聯(lián)網(wǎng)感知層提供物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的一站式處理服務模式，使數(shù)以萬計的各類數(shù)據(jù)感知終端能夠高效率、低成本、一致性地輕松接入物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡；對海量數(shù)據(jù)實現(xiàn)全面資源化、智能化管理；實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)傳感節(jié)點異構數(shù)據(jù)的實時集成、支持多種接口通訊協(xié)議、統(tǒng)一標準數(shù)據(jù)格式輸出，對網(wǎng)關功能模塊進行組件化處理，對數(shù)據(jù)配置策略進行靈活性處理的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理網(wǎng)關系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設計
    為了提供物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)一站式處理服務，支持最廣泛的接入，使網(wǎng)關具備可管理和靈活的部署能力，本文把物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理網(wǎng)關設計分為傳感器接入網(wǎng)關設備、感知數(shù)據(jù)處理中間件、網(wǎng)關配置應用軟件三部分。圖1所示是物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理網(wǎng)關的功能結構圖。

    圖1中，傳感器接入網(wǎng)關設備負責處理各種傳感器設備的接入、驅動管理、設備管理：感知數(shù)據(jù)處理中間件負責數(shù)據(jù)采集、設備管理、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、規(guī)則管理和制定，實現(xiàn)數(shù)據(jù)格式轉換、通訊協(xié)議轉換、數(shù)據(jù)安全策略等功能；網(wǎng)關配置應用軟件負責網(wǎng)關現(xiàn)場管理配置工具、遠程配置管理工具、傳感器數(shù)據(jù)智能分析報告界面，實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場的檢測狀態(tài)、配置數(shù)據(jù)、配置策略、配置設備的管理、數(shù)據(jù)錯誤處理策略配置、數(shù)據(jù)本地訪問配置以及傳感各項指標狀態(tài)、傳感器狀態(tài)、警報與定位的數(shù)據(jù)報告等。
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2 傳感器接入網(wǎng)關的硬件設計
    物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)平臺的硬件實體是傳感器接入網(wǎng)關設備。該設備器件采用工業(yè)級，低功耗設計；具備USB、Uart、SPI、I2C等傳感器硬件接口，并具備WIFI、ZigBee、Internet、TD-SCDMA等通訊接口接入能力。表1所列是物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理網(wǎng)關的硬件組成及技術參數(shù)。

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    網(wǎng)關設備包含硬件接口、處理器、顯示設備、控制器、通訊模塊等，具體如圖2所示。

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3 系統(tǒng)軟件設計
3．1 感知數(shù)據(jù)處理中間件
    該中間件主要涉及感知數(shù)據(jù)處理相關的程序開發(fā)，是運行在網(wǎng)關設備上的程序；中間件包括設備管理、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、規(guī)則管理和制定，實現(xiàn)數(shù)據(jù)格式轉換、通訊協(xié)議轉換、數(shù)據(jù)安全策略等功能。其具體的數(shù)據(jù)處理流程圖如圖3所示。
    本數(shù)據(jù)處理中間件的數(shù)據(jù)流程分為以下7步：
    步驟1：將傳感器產(chǎn)生的各種電氣信號經(jīng)接口驅動處理轉換為原始數(shù)據(jù)；
    步驟2：將原始數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)處理模塊中根據(jù)數(shù)據(jù)配置策略和錯誤處理策略，將正確的數(shù)據(jù)生成xml文件；
    步驟3：把原始數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)處理模塊中復制一份副本，并將副本數(shù)據(jù)壓縮備份存儲在指定的本地數(shù)據(jù)庫中；
    步驟4：對不符合配置策略的數(shù)據(jù)和錯誤數(shù)據(jù)經(jīng)過錯誤診斷分析，對不能修正的數(shù)據(jù)根據(jù)錯誤控制策略決定是否報警及采取相應措施；
    步驟5：對生成的xml在安全模塊中根據(jù)加密策略及算法生成加密文件；
    步驟6：將加密文件在安全模塊中復制一份副本，并將副本數(shù)據(jù)壓縮備份存儲在指定的本地數(shù)據(jù)庫中；
    步驟7：把數(shù)據(jù)加密形成文件通過通信模塊發(fā)送到遠程客戶端或者本地專用手持接收設備中供用戶使用。
3．2 網(wǎng)關配置應用軟件
    網(wǎng)關配置應用軟件包含網(wǎng)關現(xiàn)場管理配置工具、遠程配置管理工具、傳感器數(shù)據(jù)智能分析報告界面，可實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場的檢測狀態(tài)、配置數(shù)據(jù)、配置策略、配置設備的管理、數(shù)據(jù)錯誤處理策略配置、數(shù)據(jù)本地訪問配置以及傳感各項指標狀態(tài)、傳感器狀態(tài)、警報與定位的數(shù)據(jù)報告等。圖4所示是本系統(tǒng)的網(wǎng)關配置管理流程圖。

    進入配置管理界面時，首先要進行用戶身份驗證。用戶身份驗證是對訪問者訪問權限的認定，不同訪問權限對應不同的數(shù)據(jù)訪問量以及管理權限。完成用戶登錄后，進入主菜單界面(即一級配置界面)。本界面主要分為5個主配置項，分別為接口驅動配置、數(shù)據(jù)處理策略配置、數(shù)據(jù)錯誤處理策略配置、設備控制管理配置和交互界面管理設置。
    接口驅動配置主要是為外界傳感器和硬件接口提供驅動的添加、卸載和配置參數(shù)等操作。“驅動參數(shù)設置”二級界面下又分為設備對象化參數(shù)設定和設備驅動基本參數(shù)的三級界面。在數(shù)據(jù)處理單元中可對數(shù)據(jù)進行分類。“設備驅動基本參數(shù)”可根據(jù)不同設備和硬件接口類型進行詳細的參數(shù)設定。
    數(shù)據(jù)處理策略配置主要是為用戶進行數(shù)據(jù)篩選、甄別錯誤、整理數(shù)據(jù)和加密規(guī)則以及數(shù)據(jù)庫配置等操作提供參數(shù)配置。二級界面分為數(shù)據(jù)庫存儲配置、數(shù)據(jù)處理策略、數(shù)據(jù)串配置和安全配置策略。
    數(shù)據(jù)錯誤處理策略配置主要定義了處理錯誤數(shù)據(jù)的機制和策略。其二級界面包括錯誤診斷策略配置、數(shù)據(jù)修正策略配置和報警策略配置。錯誤診斷項會分析數(shù)據(jù)串中各字節(jié)數(shù)值，判斷其中出錯的部分，并在數(shù)據(jù)串中對錯誤標識符位進行標注。錯誤修正項在錯誤診斷項完成后，可對錯誤字節(jié)根據(jù)規(guī)則進行修正。報警選項可對不能修正的數(shù)據(jù)進行分析，如果符合報警策略，則發(fā)出警報。
    數(shù)據(jù)本地訪問配置主要針對人機交互界面的訪問方式配置和訪問安全設置。二級界面分為訪問界面參數(shù)設置、訪問數(shù)據(jù)參數(shù)設置和訪問安全設置。訪問界面參數(shù)主要包括界面的布局、瀏覽方式和顯示本地時間設置等。訪問數(shù)據(jù)參數(shù)設置主要包括可瀏覽數(shù)據(jù)項、數(shù)據(jù)顯示形式、數(shù)據(jù)排列形式和查詢數(shù)據(jù)條件等。訪問安全設置又分為三個三級界面，包括訪問權限設定，即登錄用戶訪問數(shù)據(jù)權限、登錄密碼設定和訪問權限對應訪問數(shù)據(jù)項和控制項的配置；訪問設備ID的設定，即每個可連接到本設備的訪問設備的ID值；設備自身故障診斷就是通過此項使設備進行一次本身硬件設備的故障自檢。

4 結語
    本文設計了一種物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理網(wǎng)關系統(tǒng)，介紹了該系統(tǒng)的軟硬件設計方法，提出了物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的一站式處理服務模式。該模式可支持最廣泛的接入能力，而且網(wǎng)關具備可管理和靈活的部署能力。實踐證明，本系統(tǒng)可對數(shù)據(jù)標識進行全面資源化和智能化管理，有能力提供數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)商用的一切支撐服務，可支撐行業(yè)管理行為和行業(yè)決策行為，使管理能力和決策能力得到提高，從而有效提高工作效率和工作質量，使物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)應用集成水平上一個新臺階。