一种适用于多源异构物联网的网关设备及其实现方法

本发明涉及物联网技术领域，特别涉及一种适用于多源异构物联网的网关设备及其实现方法。

背景技术：

物联网网关是物联网内各节点接入互联网的中间设备，其主要功能是在物联网与互联网之间进行协议的转换，从物联网节点采集数据并上传到网络服务器，及从网络服务器向物联网节点下发控制指令。物联网网关的功能和性能决定了物联网的应用潜能。

在物联网应用场景中，网络服务器采集传感器数据、向执行器下发指令是最基本的需求。首先，由于不同物联网供应商采用的传输技术不同，使用的传输协议也不相同；采集数据及指令种类繁多，格式也不相同。因此，系统集成时会出现不兼容的困难。其次，面对众多的节点设备，网关应具有注册认证管理能力；大量节点共享有限的带宽资源，这也需要对数据传输优先权进行管理。

目前大部分物联网网关都是单一协议转发，通用性不足，难以满足多源、异构物联网中多种协议并存的场景。现有技术中，申请号为cn202010575014.1的专利申请公开了一种带有gps定位和多通讯组网模式的物联网网关设备，所涉及的无线网络部分包括lora通讯模块和ble蓝牙通讯模块。其中，lora通讯模块通过远程通讯模块进行外部设备与云平台之间的信息交互；ble蓝牙通讯模块通过串行通讯接口uart和/或通用输入输出接口gpio模块，实现与计算单元模块之间的数据交互。申请号为cn202010642454.4的专利申请公开了一种家居智能物联网网关设备，所涉及的网关单元与zigbee通讯模块实现双向连接，而zigbee通讯模块与家居设备终端实现双向连接；网关单元与无线通讯模块实现双向连接，无线通讯模块与移动控制终端实现双向连接。

但上述现有技术仅涉及少数几种协议转换的普通网关功能，无法适应物联网中多源异构节点接入的需求，且未涉及节点管理。

技术实现要素：

本发明提供了一种适用于多源异构物联网的网关设备及其实现方法，以解决现有技术无法适应物联网中多源异构节点接入和节点管理需求的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：

一方面，本发明提供了一种适用于多源异构物联网的网关设备，包括主机和汇聚节点群；其中，所述汇聚节点群中包括与待连接至服务器的物联网群中的各不同类型的物联网节点一一对应的多个汇聚节点；所述物联网群中的各物联网节点分别通过所述汇聚节点群中对应的汇聚节点与所述主机相连；

所述主机用于通过所述汇聚节点群将所述物联网群中各物联网节点的多源异构数据进行汇聚，并对汇聚的数据进行解析及规范化处理后，上传到所述服务器，以及将所述服务器的指令下发到所述物联网群中的相应物联网节点。

进一步地，所述主机包括物联网接口模块、第一协议转换模块、数据管理模块、第二协议转换模块和以太网接口模块；其中，

所述汇聚节点群中的各汇聚节点分别与所述物联网接口模块相连；所述物联网接口模块所采集的来自物联网节点的数据按其来源在所述第一协议转换模块中被解析，然后送入所述数据管理模块进行统一的结构化整理，形成统一格式的数据，并缓存在所述数据管理模块的表单中；所述数据管理模块统一格式后的数据经所述第二协议转换模块转换成tcp/ip协议格式，从所述以太网接口模块送至所述主机之外，再经路由器送入位于互联网中的服务器；

所述服务器所发出的指令，经所述路由器进入所述以太网接口模块，再经所述第二协议转换模块解析出目的地址和动作代码，送入所述数据管理模块并缓存在所述表单内；然后，按目的地址所属的物联网类型，所述第一协议转换模块将动作代码进行格式转换，并送入所述物联网接口模块中的相应接口，继而送至相应的汇聚节点，最终送至所述物联网群中的相应物联网节点。

进一步地，所述汇聚节点与物联网接口模块采用点对点多通道方式和/或总线方式相连。

进一步地，所述数据管理模块具体用于：对所述物联网节点的注册、认证和属性进行设置，以及对进入所述主机的数据进行存储、检索及修改。

进一步地，所述网关设备还包括管理节点；所述管理节点在获得授权后，用于访问数据管理模块内的表单，实现修改物联网节点的属性，对表单内数据进行清洗和边缘计算，以提高数据品质、压缩数据传输量和节省网络带宽占用。

另一方面，本发明还提供了一种适用于多源异构物联网的网关设备的实现方法，该实现方法包括：

在网关的物联网一侧设置汇聚节点群；其中，所述汇聚节点群中每一汇聚节点连接一个已存在的物联网节点，实现所述网关与所述物联网节点的连接；

在网关内设置协议转换模块，根据数据包的来源和对应汇聚节点的种类，实施对应类型的协议转换，自动适应异构协议的物联网节点。

进一步地，所述实现方法还包括：

在网关内设置数据管理模块，首先将物联网节点的属性和物联网节点的通信数据记录在表单中，然后再实施数据传输。

进一步地，该方法还包括设置管理节点，在获得授权后辅助数据管理模块，以便能够借助主机之外的软硬件资源，提供足够的数据处理能力。

进一步地，网关与各汇聚节点之间的通信采用总线方式或对每个汇聚节点配备一个专用接口；

若有新物联网节点加入某一物联网，则被这一物联网对应的汇聚节点发现并建立起连接，继而将新增加的物联网节点登录到表单中；若有物联网节点退出某一物联网，则这一物联网的汇聚节点将感知并从表单中删除该物联网节点；

若有物联网新加入互联网，可在网关与各汇聚节点之间的通信总线上挂入一个新的汇聚节点；若有物联网退出互联网，只需撤下或关闭当前退出的物联网所对应的汇聚节点。

进一步地，所述实现方法还包括：在数据管理模块的表单中设置各物联网节点的优先权属性，按优先权为相应物联网节点分配传输带宽。

本发明提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

本发明通过设置汇聚节点和协议转换模块，能够根据数据包的来源、对应汇聚节点的种类，实施对应类型的协议转换，由此，自动适应异构协议的物联网。网关与各汇聚节点之间的通信采用总线方式或对每个汇聚节点配备一个专用接口，避免了不同汇聚节点在数据并发时的电平冲突，且在多线程软件支持下，网关可同时接受不同汇聚节点的并发数据，由此，保障了网关与物联网群之间数据传输的实时性。而且，本发明的网关还具备节点管理功能，以表单形式管理各节点的属性和数据，通过对新增节点的注册认证，能够保证数据安全；此外，本发明的网关能够自动适应物联网节点及物联网的规模及种类的变化。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的网关设备的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的网关设备的工作流程示意图。

附图标记说明：

1、主机；

11、物联网接口模块；12、第一协议转换模块；13、数据管理模块；

14、以太网接口模块；15；第二协议转换模块；

2、汇聚节点群；

3、管理节点；

4、路由器；

5、物联网群；

6、服务器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

本实施例提供了一种适用于多源异构物联网的网关设备，如图1所示，本实施例的网关设备主要结构包括：主机1、汇聚节点群2以及管理节点3，与路由器4一起实现物联网群5与位于互联网中的服务器6之间的连接。

其中，所述汇聚节点群2中包括与待连接至服务器6的物联网群5中的各不同类型的物联网节点一一对应的多个汇聚节点；所述物联网群5中的各物联网节点分别通过所述汇聚节点群2中对应的汇聚节点与所述主机1相连；

所述主机1用于通过所述汇聚节点群2将所述物联网群5中各物联网节点的多源异构数据进行汇聚，并对汇聚的数据进行解析及规范化处理后，上传到所述服务器6，以及将所述服务器6的指令下发到所述物联网群5中的特定节点。

可选地，物联网群5中可以包括zigbee、bluetooth、lora、uwb、433mhz、wifi、rs485等物联网节点，相应地，汇聚节点群2中包括zigbee协调器节点、bluetooth汇聚节点、lora集中器节点、uwb锚点、433mhz中心节点、wifi路由器、rs485节点等，当然，可以理解的是，本实施例并不限定物联网群5和汇聚节点群2中的节点种类及数量；汇聚节点群2中节点的多样性，保证了本实施例的网关设备对异构物联网的兼容能力。

具体地，在本实施例中，所述主机1包括物联网接口模块11、第一协议转换模块12、数据管理模块13、第二协议转换模块15和以太网接口模块14；在多核微处理器及操作系统支持下工作。

所述汇聚节点群2中的各汇聚节点与物联网接口模块11相连；所述物联网接口模块11所采集的来自物联网节点的数据按其来源在所述第一协议转换模块12中被解析，然后送入所述数据管理模块13进行统一的结构化整理，形成统一格式的数据，并缓存在数据管理模块13的表单中；所述数据管理模块13统一格式后的数据经所述第二协议转换模块15转换成tcp/ip协议格式，从以太网接口模块14送至主机1之外，再经路由器4送入位于互联网中的服务器6。

所述服务器6所发出的指令，经所述路由器4进入所述以太网接口模块14，再经所述第二协议转换模块15解析出目的地址和动作代码，送入所述数据管理模块13并缓存在所述表单内；然后，按目的地址所属的物联网类型，所述第一协议转换模块12将动作代码进行格式转换，并送入所述物联网接口模块11中的相应接口，继而送至相应的汇聚节点，最终送至物联网群5中的相应节点。

其中，在本实施例中，汇聚节点群2中的各汇聚节点与物联网接口模块11之间的连接，在硬件上采用了点对点多通道方式(图中单连线)或总线方式(双连线)，能够适应物联网群5规模的扩展或缩减；在软件中依靠操作系统的多线程支持，保证了对物联网群5中所有物联网的实时性接入。

所述数据管理模块13对节点、数据进行管理，包括对节点的注册、认证、属性设置，和对数据的检索、修改。

进一步地，考虑到数据管理模块13仅为主机1的一部分，其软硬件资源均受限，本实施例还另行设置了独立的、具有更丰富软硬件资源的管理节点3；以辅助数据管理模块13，增强其管理能力；管理节点3在获得授权后，可访问数据管理模块13内的表单，可以修改节点的属性，可以对表单内数据进行清洗和边缘计算等复杂处理，以提高数据品质、压缩数据传输量和节省网络带宽占用。

此外，本实施例还提供了一种适用于多源异构物联网的网关设备的实现方法，该适用于多源异构物联网的网关设备的实现方法包括：

在网关的物联网一侧设置汇聚节点群；其中，汇聚节点群中每一汇聚节点连接一个已存在的物联网节点，实现网关与物联网群及其中海量节点的连接。

其中，网关与各汇聚节点之间的通信采用总线方式，或对每个汇聚节点配备一个专用接口，避免不同汇聚节点在数据并发时的电平冲突；进一步，在多线程软件支持下，网关可同时接受不同汇聚节点的并发数据。由此，保障了网关与物联网群之间数据传输的实时性。

在网关内设置协议转换模块，其能够根据数据包的来源和对应汇聚节点的种类，实施对应类型的协议转换，由此自动适应异构协议的物联网。

在网关内设置数据管理模块，首先将节点属性和节点数据记录在表单中，然后再实施数据传输，此表单为管理节点及数据提供了空间。以表单形式管理各节点的属性和数据，通过对新增节点的注册认证，可以保证数据安全。

其中，考虑到数据管理模块作为网关的一部分，软硬件资源受限，难以具备强大计算能力，为此进一步设置了独立的管理节点，在获得授权后可辅助实施管理。由于管理节点位于网关主机之外，其软硬件资源可视需求灵活配置。位于主机之外的管理节点可以辅助数据管理模块对节点、数据的管理，修改、增减节点属性，或对数据进行清洗、边缘计算等深度处理，提升来自物联网噪声环境中的数据质量，压缩冗余数据、降低信道负荷。此外，还可以在数据管理模块的表单中设置各节点的优先权属性，物联网接口模块、以太网接口模块将按该优先权为本节点分配传输带宽，保障优先权高的节点数据优先传输。

此外，需要说明的是，本实施例的网关既可以在专门定制的嵌入式系统中开发成实体的、独立的网关，也可以在原有计算机中开发兼容的软件网关app。

基于上述，本实施例的网关设备的工作流程如图2所示，具体说明如下：

1.启动主机

启动网关的主机1，在操作系统引导下自动加载物联网接口模块11、第一协议转换模块12、数据管理模块13、第二协议转换模块15、以太网接口模块14，进入预热状态。

2.主机激活汇聚节点群

主机1将激活汇聚节点群2，其中的各节点主动接入物联网群5中已经存在的各物联网内，并与物联网内的各节点建立起数据连接，收集各节点的属性及数据。

3.主机对节点的管理

汇聚节点收集到物联网中各节点的属性及数据，经物联网接口模块11、第一协议转换模块12送入数据管理模块13，生成节点管理表单，记录节点的名称、地址、注册入网时间等属性和节点发送的数据。至此，主机1的启动工作全部完成，进入待机状态。

4.主机的待机运行

主机1进入待机状态，等待接收来自路由器4或物联网群5的数据包。一旦接收到数据包，将根据数据类型分别按三种方法处理。(1)如果是上行的新节点数据，主机将在数据管理模块13的表单中增加该节点条目，包括节点的名称、地址、注册入网时间等属性和节点发送的数据。(2)如果是来自管理节点3的下行数据，将相应地修改表单中的节点属性，或修改节点数据。依靠这种途径，可以借助管理节点的计算资源，实施在普通网关中难以承受的数据清洗、边缘计算等复杂处理。(3)如果数据带有目的地址，则进行协议转换并上行或下行转发。不属于上述类型的数据，则不进行任何处理。

此外，若有新物联网节点加入某一物联网，则被这一物联网的汇聚节点发现并建立起连接，继而将新增加的物联网节点登录到表单中；类似地，若有物联网节点退出某一物联网，则这一物联网的汇聚节点将感知并从表单中删除该物联网节点；由此，网关能够自动适应物联网节点规模的扩张或缩减。

若有新的物联网加入互联网，则只需在汇聚节点群中增加一个汇聚节点，并将其用总线方式、或增加一个专用接口的方式连接到物联网接口模块中；类似地，若有某物联网退出互联网，则只需物理撤除或以软件关闭当前退出的物联网所对应的汇聚节点。由此，只需增、减汇聚节点，就可以方便地适应物联网规模、种类的变化。

综上，本实施例通过设置汇聚节点和协议转换模块，能够根据数据包的来源、对应汇聚节点的种类，实施对应类型的协议转换，由此，自动适应异构协议的物联网。网关与各汇聚节点之间的通信采用总线方式或对每个汇聚节点配备一个专用接口，避免了不同汇聚节点在数据并发时的电平冲突，且在多线程软件支持下，网关可同时接受不同汇聚节点的并发数据，由此，保障了网关与物联网群之间数据传输的实时性。而且，本网关还具备节点管理功能，以表单形式管理各节点的属性和数据，通过对新增节点的注册认证，可保证数据安全；此外，本实施例的网关能够自动适应物联网节点规模及物联网种类的变化。

此外，需要说明的是，本发明可提供为方法、装置或计算机程序产品。因此，本发明实施例可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明实施例可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质上实施的计算机程序产品的形式。

本发明实施例是参照根据本发明实施例的方法、终端设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理终端设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理终端设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理终端设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理终端设备上，使得在计算机或其他可编程终端设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程终端设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。

最后需要说明的是，以上所述是本发明优选实施方式，应当指出，尽管已描述了本发明优选实施例，但对于本技术领域的技术人员来说，一旦得知了本发明的基本创造性概念，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。