CN106161220A - 物联网网关设备 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种兼容性强、集成度高以及通信安全度高的物联网网关设备。本发明提供的物联网网关设备，设置在由与现场设备相连接的至少一个节点装置组成的通信网络中，用于与外部通信装置进行通信连接，具有这样的特征，包括：中心节点单元，基于预定通信规则与每个节点装置进行通信；有线通信单元，以有线方式与外部通信装置相通信连接；无线通信单元，以无线方式与外部通信装置相通信连接；以及网络管理单元，用于对节点装置进行网络管理，其中，预定通信规则包含：自动入网机制、MESH组网机制、时间同步机制以及跳频机制，网络管理包含为节点装置分配入网私有密钥和通信密钥。

Description

物联网网关设备

技术领域

本发明属于物联网领域，具体涉及一种兼容性强、集成度高以及通信安全度高的物联网网关设备。

背景技术

随着网络技术的快速发展，信息的交换与通信已由人与人之间，逐渐扩展到了物与物之间，由此产生了物联网这一概念。物联网是通过射频识别、红外感应器、全球定位***、激光扫描器等信息传感设备，按照统一的协议标准，把物与互联网连接起来，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。

物联网通信***主要包含节点模块和网关设备两大部分。其中，节点模块的数量与现场设备的信息传感装置的数量相匹配，即、节点模块与信息传感装置相一一对应连接。而且，所有的节点模块与网关设备之间基于预定通信规则相通信连接。这样，当现场设备产生运行数据信息时，首先，经由信息传感装置传输至相应的节点模块，然后，由节点模块将运行数据信息发送至网关设备，最后由网关设备将运行数据信息发送到外网中相应的远程监控设备。

这里，网关设备又称网间连接器、协议转换器，是多个网络间提供数据转换服务的计算机***或设备。也可以说，网关设备就是不同网之间的连接器，就是数据要从一个网到另外一个网时要经过“协商”的设备。

一般，网关设备与远程监控设备之间多是单一的通信方式，当现场环境发生改变时，需要更换另一个网关设备，这使得网关设备的使用收到很大限制，造成资源浪费。而且该物联网通信***中的节点模块与网关设备之间通信的安全性不高。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种兼容性强、集成度高以及通信安全度高的物联网网关设备。

本发明提供了一种物联网网关设备，设置在由与现场设备相连接的至少一个节点装置组成的通信网络中，用于与外部通信装置进行通信连接，具有这样的特征，包括：中心节点单元，基于预定通信规则与每个节点装置进行通信；有线通信单元，以有线方式与外部通信装置相通信连接；无线通信单元，以无线方式与外部通信装置相通信连接；以及网络管理单元，用于对节点装置进行网络管理，其中，预定通信规则包含：自动入网机制、MESH组网机制、时间同步机制以及跳频机制，网络管理包含为节点装置分配入网私有密钥和通信密钥。

在本发明提供的物联网网关设备中，还可以具有这样的特征：其中，自动入网机制为：当存在待入网的节点装置时，该待入网节点装置首先对预定范围内的其它节点装置发出的信息进行侦听，在侦听到任意一个节点装置的信息后，待入网节点装置将入网请求信息发送至被侦听到的节点装置从而发送至物联网网关设备，物联网网关设备对待入网节点装置进行入网信息配置，实现该待入网节点装置自动入网。

在本发明提供的物联网网关设备中，还可以具有这样的特征：其中，MESH组网机制为：每个通信部的网络层协议中预先设定多个通信链路。

在本发明提供的物联网网关设备中，还可以具有这样的特征：其中，时间同步机制为：一旦节点装置与物联网网关设备进行通信，物联网网关设备则对该节点装置的时钟信息进行同步。

在本发明提供的物联网网关设备中，还可以具有这样的特征：其中，跳频机制为：节点装置基于物联网网关设备分配的信道切换使用进行通信。

在本发明提供的物联网网关设备中，还可以具有这样的特征：其中，有线通信单元包含：有线通信模块，以有线方式与外部通信装置相通信连接；和有线通信接口，与有线通信模块相连接，无线通信单元包含：无线通信模块，以无线方式与外部通信装置相通信连接；和无线通信接口，与无线通信模块相连接，用于连接天线装置。

在本发明提供的物联网网关设备中，还可以具有这样的特征：其中，有线通信接口包含：USB接口、RS232接口、RS485接口、CAN接口以及以太网接口，有线通信模块包含分别与USB接口、RS232接口、RS485接口、CAN接口以及以太网接口相匹配的通信电路模块或芯片模块。

在本发明提供的物联网网关设备中，还可以具有这样的特征：其中，无线通信模块包含：GPRS模块、3G模块、4G模块以及WiFi模块，无线通信接口为SMA接口。

在本发明提供的物联网网关设备中，还可以具有这样的特征，还包括：时钟电路单元，用于提供时间信息；和保护电路单元，用于对物联网网关设备进行电器保护。

在本发明提供的物联网网关设备中，还可以具有这样的特征，还包括：报警单元，用于在现场设备发生故障时发出报警信息；和电源管理单元，与外部供电装置相连接，用于提供额定工作电压。

发明的作用与效果

根据本发明所涉及的物联网网关设备，因为中心节点模块与每个节点装置之间能够基于预定通信规则进行通信，从而实现数据传输，通过有线通信接口使得有线通信模块能够以有线方式与外部通信装置相通信连接，通过在无线通信接口上连接天线装置使得无线通信模块能够以无线方式与外部通信装置相通信连接，所以，本发明的物联网网关设备能够实现多种方式的通信连接，兼容性强、集成度高、适用范围广，节约资源。

附图说明

图1是本发明的实施例中物联网***的结构示意图；以及

图2是本发明的实施例中物联网网关设备的结构框图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明的物联网网关设备作具体阐述。

在本实施例中，以农业智能大棚的物联网***为例进行详细说明。

图1是本发明的实施例中物联网***的结构示意图。

如图1所示，物联网***1000包括大棚200以及用于实现对该大棚200进行监控的物联网通信子***100。

在本实施例中，大棚200整体作为一个现场设备，用于进行农业生产。为了使大棚200所形成的空间中的农作物或植物生长良好，在大棚200中安装有温度传感器210、光照传感器220、灌溉控制阀230以及空气质量传感器240。该四个传感器作为信息传感装置，分别用于实时采集大棚200所形成的内环境的湿度信息、光照强度信息、阀门状态信息以及空气质量信息。

物联网通信子***100用于实现对大棚200的运行数据信息(即、湿度信息、光照强度信息、阀门状态信息以及空气质量信息)进行远程监控。它包含四个节点装置10、一个物联网网关设备20以及通过通信网络30与物联网网关设备20相通信连接的外部通信装置40。

四个节点装置10与大棚200中的温度传感器210、光照传感器220、灌溉控制阀230以及空气质量传感器240一一对应连接。每个节点装置10集成了符合WirelessHart协议标准的射频收发器和微处理器，开始工作后，四个节点装置10之间可自动组成蜂窝型网状网络结构(即、MESH自组网机制)，并且基于预先设定的通信规则与物联网网关设备20之间进行通信。

物联网网关设备20，一方面与四个节点装置10相通信连接，另一方面与外部通信装置40相通信连接，从而实现大棚200与外部通信装置40之间的通信连接。例如，物联网网关设备20接收节点装置10发来的运行数据信息后，进一步对接收到的运行数据信息进行协议转换处理，然后通过通信网络30将转换处理后的运行数据信息发送至外部通信装置40中。

外部通信装置40，一方面通过通信网络30接收物联网网关设备20发送来的运行数据信息，从而对该运行数据信息进行存储、分析等处理操作。另一方面可以让用户基于当前的运行数据信息发送相应的控制信息给物联网网关设备20，物联网网关设备20基于预定通信规则将接收到的控制信息发送至相对应的节点装置10，节点装置10将该控制信息传输给相应的传感器，使得大棚200执行与该控制信息相对应的操作。这里，外部通信装置40为PC机；控制信息的形式为电磁波信号。

具体地，以阀门状态信息为例，客户通过外部通信装置40发出控制信息(例如“完全打开阀门”、“打开一半阀门”、“关闭阀门”等)，该控制信息经由通信网络30将其发送至物联网网关设备20中，物联网网关设备20基于预定通信规则将接收到的控制信息发送至与灌溉控制阀230相连接的节点装置10中，该节点装置10将该控制信息传输给灌溉控制阀230，该灌溉控制阀230的控制器基于接收到的控制信息执行相应的操作(即、打开阀门或关闭阀门)。

图2是本发明的实施例中物联网网关设备的结构框图。

如图2所示，物联网网关设备20包括网关主体单元20a、中心(AP)节点单元20b、有线通信单元20c、无线通信单元20d、网络管理单元20e、存储单元20f、时钟电路单元20g、保护电路单元20h、电源管理单元20i以及报警单元20j。

中心节点单元20b、有线通信单元20c、无线通信单元20d、存储单元20f、网络管理单元20e、时钟电路单元20g、保护电路单元20h、电源管理单元20i以及报警单元20j都与网关主体单元20a相连接，并在网关主体单元20a的驱动下进行工作。另外，网关主体单元20a用于对节点装置10发送来的运行数据信息进行协议转换处理，或者对外部通信装置40发送来的控制信息进行协议转换处理。

中心节点单元20b集成在网关主体单元20a中，它自身还集成了符合WirelessHart协议标准的射频收发器和微处理器，与四个节点装置10基于预定通信规则进行通信，从而实现接收节点装置10发送来的运行数据信息发送，或者实现将进行协议转换处理后的控制信息发送至节点装置10。经测试，在中心节点单元20b与四个节点装置10中，点对点的通信距离能够达到2KM。

有线通信单元20c集成在网关主体单元20a中，用于与外部通信装置40以有线方式进行通信连接，即、以有线方式将进行协议转换处理后的运行数据信息发送至外部通信装置40，或者，以有线方式接收外部通信装置40发送来的控制信息。

有线通信单元20c包含图中未显示的有线通信模块和有线通信接口。有线通信接口与有线通信模块相连接，用于让网线等数据传输线接入，从而使有线通信模块实现进行有线通信。这里，有线通信接口包含图中未显示的USB接口、RS232接口、RS485接口、CAN接口、以太网接口、SPI接口以及IIC接口等多种通信接口。相应地，有线通信单元20c则分别包含与USB接口、RS232接口、RS485接口、CAN接口、以太网接口、SPI接口以及IIC接口通信接口相匹配的通信电路模块或芯片模块；此时，通信网络30为以太网。

无线通信单元20d集成在网关主体单元20a中，用于与外部通信装置40以无线方式进行通信连接，即、以无线方式将进行协议转换处理后的运行数据信息发送至外部通信装置40，或者，以无线方式接收外部通信装置40发送来的控制信息。

无线通信单元20d包含图中未显示的无线通信模块和无线通信接口。无线通信接口与无线通信模块相连接，用于与图中未显示的天线装置相连接，从而使无线通信模块实现进行无线通信。这里，无线通信单元20d包含图中未显示的GPRS模块、3G模块、4G模块以及WiFi模块；无线通信接口为SMA接口。相应地，通信网络30为2G网络、3G网络、4G网络以及WiFi网络。

网络管理单元20e集成在网关主体单元20a中，对所有的节点装置10进行网络管理，从而保证每个节点装置10都能够正常运行。具体地，

网络管理单元20e可以增加、删除以及修改节点装置10及其参数信息(包括网络ID、设备地址、频点等信息)；可以在节点装置10发送入网请求信息时分配入网私有密钥便于该节点装置10入网，并进一步为该节点装置10分配唯一的通信密钥，在通信过程中用于对数据包进行加密，从而确保通信安全；可以为所有的节点装置10分配多个信道便于该节点装置10与其它的节点装置进行跳频通信；还可以管理所有的节点装置10之间的通信路径，便于不相邻的两个节点装置10之间进行通信时路由最佳通信路径。

存储单元20f集成在网关主体单元20a中，对中心节点单元20b接收到的运行数据信息或外部通信装置40发送来的控制信息进行存储。

时钟电路单元20g集成在网关主体单元20a中，用于提供时间信息，便于中心节点单元20b与四个节点装置10之间进行时间同步，从而保证通信的安全可靠。

保护电路单元20h集成在网关主体单元20a中，用于对整个物联网网关设备20进行电器保护，如、防静电、防浪涌、防雷击等。

电源管理单元20i集成在网关主体单元20a中，与图中未显示的外部供电装置相连接，用于将外部供电装置提供的外部电压转换为物联网网关设备20工作所需的额定工作电压，并提供给网关主体单元20a。

报警单元20m集成在网关主体单元20a中，用于在现场设备(即大棚200中的各种智能装置)发生故障时发出报警信息，从而让监控人员及时获知设备故障信息，及时采取解决措施。

当中心节点单元20b与其它四个节点装置10之间基于预定通信规则进行通信时，该中心节点单元20b可以看作一个节点装置10。这里的预定通信规则为：它包含自动入网机制、MESH组网机制、时间同步机制以及跳频机制。具体地，

自动入网机制为：

当节点装置10需要入网时，首先通过网络管理单元20e手动增加该节点装置10，并配置其参数信息(包括网络ID、设备地址、频点等信息)，然后基于该节点装置10的参数信息生成入网私有密钥和通信密钥。

进一步，待入网的节点装置10对预定范围内的其它节点装置10发出的广播信息进行侦听，当收到信息后，它就将其入网请求信息经由被侦听到的节点装置10发送至物联网网关设备20，物联网网关设备20收到该入网请求信息后，将入网私有密钥发送给该节点装置10，从而实现该新的节点装置10自动入网，最后再将通信密钥发送给该节点装置10。

MESH组网机制为：

每个节点装置10的通信部的网络层协议中预先设定了多个通信链路，使得该节点装置10能够直接与多个其它的节点装置10进行通信。

例如，如图1所示，与湿度传感器210相连接的节点装置10的通信部的网络层协议中预先设定了至少四个通信链路，使得该节点装置10能够与物联网网关设备20、光照传感器220、灌溉控制阀230以及空气质量传感器240直接进行通信。

因此，图1中的四个节点装置10开始工作后，就能够自动形成蜂窝型网格状网络(即MESH自组网机制)，具有路由冗余机制。这样，即使有一个或多个节点装置10发生故障，通过冗余机制，也能够实现将与该发生故障的节点装置10相连接的传感器采集到的运行数据信息发送至物联网网关设备20中。

时间同步机制为：

一旦任意一个节点装置10与物联网网关设备20之间进行通信时，不论是侦听到广播帧，还是收到命令帧回复，物联网网关设备20则对该节点装置10的时钟信息(即、时间戳)进行同步，使得节点装置10的时钟信息与物联网网关设备20的时钟信息保持一致，便于物联网网关设备20中的网络管理单元20e对所有的节点装置10进行网络管理，使得所有的节点装置10按照既定的时序稳定地进行通信。

跳频机制为：

基于网络管理单元20e对节点装置10所进行入网信息配置中包含的预先分配多个信道供该节点装置10通信时使用，在后续的通信过程中，该节点装置10基于分配的多个信道逐个切换进行使用。

基于以上各机制组成的预定规则进行通信，使得节点装置10与物联网网关设备20之间的通信更安全、更稳定、更快速、更可靠。

实施例的作用与效果

根据本实施例所涉及的物联网网关设备，因为中心节点模块与每个节点装置之间能够基于预定通信规则进行通信，从而实现数据传输，通过有线通信接口使得有线通信模块能够以有线方式与外部通信装置相通信连接，通过在无线通信接口上连接天线装置使得无线通信模块能够以无线方式与外部通信装置相通信连接，所以，本实施例的物联网网关设备能够实现多种方式的通信连接，兼容性强、集成度高、适用范围广，节约资源。

上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

在本实施例中，外部供电装置为220V直流电源，而在本发明的物联网网关设备中，外部供电装置还可以为现场设备。

在本实施例中，客户端为PC机，而在本发明的物联网网关设备中，外部通信装置还可以为移动通信装置，例如智能手机或平板电脑等。

Claims (10)

1.一种物联网网关设备，设置在由与现场设备相连接的至少一个节点装置组成的通信网络中，用于与外部通信装置进行通信连接，其特征在于，包括：

中心节点单元，基于预定通信规则与每个所述节点装置进行通信；

有线通信单元，以有线方式与所述外部通信装置相通信连接；

无线通信单元，以无线方式与所述外部通信装置相通信连接；以及

网络管理单元，用于对所述节点装置进行网络管理，

其中，所述预定通信规则包含：自动入网机制、MESH组网机制、时间同步机制以及跳频机制，

所述网络管理包含为所述节点装置分配入网私有密钥和通信密钥。

2.根据权利要求1所述的物联网网关设备，其特征在于：

其中，所述自动入网机制为：

当存在待入网的所述节点装置时，该待入网节点装置首先对预定范围内的其它所述节点装置发出的信息进行侦听，在侦听到任意一个所述节点装置的信息后，所述待入网节点装置将入网请求信息发送至被侦听到的所述节点装置从而发送至所述物联网网关设备，所述物联网网关设备对所述待入网节点装置进行入网信息配置，实现该待入网节点装置自动入网。

3.根据权利要求1所述的物联网网关设备，其特征在于：

其中，所述MESH组网机制为：

每个所述通信部的网络层协议中预先设定多个通信链路。

4.根据权利要求1所述的物联网网关设备，其特征在于：

其中，所述时间同步机制为：

一旦所述节点装置与所述物联网网关设备进行通信，所述物联网网关设备则对该节点装置的时钟信息进行同步。

5.根据权利要求1所述的物联网网关设备，其特征在于：

其中，所述跳频机制为：

所述节点装置基于所述物联网网关设备分配的信道切换使用进行通信。

6.根据权利要求1所述的物联网网关设备，其特征在于：

其中，所述有线通信单元包含：

有线通信模块，以有线方式与所述外部通信装置相通信连接；和

有线通信接口，与所述有线通信模块相连接，

所述无线通信单元包含：

无线通信模块，以无线方式与所述外部通信装置相通信连接；和

无线通信接口，与所述无线通信模块相连接，用于连接天线装置。

7.根据权利要求6所述的物联网网关设备，其特征在于：

其中，所述有线通信接口包含：USB接口、RS232接口、RS485接口、CAN接口以及以太网接口，

所述有线通信模块包含分别与所述USB接口、所述RS232接口、所述RS485接口、所述CAN接口以及所述以太网接口相匹配的通信电路模块或芯片模块。

8.根据权利要求6所述的物联网网关设备，其特征在于：

其中，所述无线通信模块包含：GPRS模块、3G模块、4G模块以及WiFi模块，

所述无线通信接口为SMA接口。

9.根据权利要求1所述的物联网网关设备，其特征在于，还包括：

时钟电路单元，用于提供时间信息；和

保护电路单元，用于对所述物联网网关设备进行电器保护。

10.根据权利要求1所述的物联网网关设备，其特征在于，还包括：

报警单元，用于在所述现场设备发生故障时发出报警信息；和

电源管理单元，与外部供电装置相连接，用于提供额定工作电压。