本發(fā)明屬于物聯(lián)網(wǎng)領域，具體涉及一種兼容性強、集成度高以及通信安全度高的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關設備。

背景技術：

隨著網(wǎng)絡技術的快速發(fā)展，信息的交換與通信已由人與人之間，逐漸擴展到了物與物之間，由此產(chǎn)生了物聯(lián)網(wǎng)這一概念。物聯(lián)網(wǎng)是通過射頻識別、紅外感應器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設備，按照統(tǒng)一的協(xié)議標準，把物與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進行信息交換和通信，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡。

物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)主要包含節(jié)點模塊和網(wǎng)關設備兩大部分。其中，節(jié)點模塊的數(shù)量與現(xiàn)場設備的信息傳感裝置的數(shù)量相匹配，即、節(jié)點模塊與信息傳感裝置相一一對應連接。而且，所有的節(jié)點模塊與網(wǎng)關設備之間基于預定通信規(guī)則相通信連接。這樣，當現(xiàn)場設備產(chǎn)生運行數(shù)據(jù)信息時，首先，經(jīng)由信息傳感裝置傳輸至相應的節(jié)點模塊，然后，由節(jié)點模塊將運行數(shù)據(jù)信息發(fā)送至網(wǎng)關設備，最后由網(wǎng)關設備將運行數(shù)據(jù)信息發(fā)送到外網(wǎng)中相應的遠程監(jiān)控設備。

這里，網(wǎng)關設備又稱網(wǎng)間連接器、協(xié)議轉(zhuǎn)換器，是多個網(wǎng)絡間提供數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換服務的計算機系統(tǒng)或設備。也可以說，網(wǎng)關設備就是不同網(wǎng)之間的連接器，就是數(shù)據(jù)要從一個網(wǎng)到另外一個網(wǎng)時要經(jīng)過“協(xié)商”的設備。

一般，網(wǎng)關設備與遠程監(jiān)控設備之間多是單一的通信方式，當現(xiàn)場環(huán)境發(fā)生改變時，需要更換另一個網(wǎng)關設備，這使得網(wǎng)關設備的使用收到很大限制，造成資源浪費。而且該物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)中的節(jié)點模塊與網(wǎng)關設備之間通信的安全性不高。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明是為了解決上述問題而進行的，目的在于提供一種兼容性強、集成度高以及通信安全度高的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關設備。

本發(fā)明提供了一種物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關設備，設置在由與現(xiàn)場設備相連接的至少一個節(jié)點裝置組成的通信網(wǎng)絡中，用于與外部通信裝置進行通信連接，具有這樣的特征，包括：中心節(jié)點單元，基于預定通信規(guī)則與每個節(jié)點裝置進行通信；有線通信單元，以有線方式與外部通信裝置相通信連接；無線通信單元，以無線方式與外部通信裝置相通信連接；以及網(wǎng)絡管理單元，用于對節(jié)點裝置進行網(wǎng)絡管理，其中，預定通信規(guī)則包含：自動入網(wǎng)機制、MESH組網(wǎng)機制、時間同步機制以及跳頻機制，網(wǎng)絡管理包含為節(jié)點裝置分配入網(wǎng)私有密鑰和通信密鑰。

在本發(fā)明提供的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關設備中，還可以具有這樣的特征：其中，自動入網(wǎng)機制為：當存在待入網(wǎng)的節(jié)點裝置時，該待入網(wǎng)節(jié)點裝置首先對預定范圍內(nèi)的其它節(jié)點裝置發(fā)出的信息進行偵聽，在偵聽到任意一個節(jié)點裝置的信息后，待入網(wǎng)節(jié)點裝置將入網(wǎng)請求信息發(fā)送至被偵聽到的節(jié)點裝置從而發(fā)送至物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關設備，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關設備對待入網(wǎng)節(jié)點裝置進行入網(wǎng)信息配置，實現(xiàn)該待入網(wǎng)節(jié)點裝置自動入網(wǎng)。

在本發(fā)明提供的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關設備中，還可以具有這樣的特征：其中，MESH組網(wǎng)機制為：每個通信部的網(wǎng)絡層協(xié)議中預先設定多個通信鏈路。

在本發(fā)明提供的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關設備中，還可以具有這樣的特征：其中，時間同步機制為：一旦節(jié)點裝置與物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關設備進行通信，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關設備則對該節(jié)點裝置的時鐘信息進行同步。

在本發(fā)明提供的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關設備中，還可以具有這樣的特征：其中，跳頻機制為：節(jié)點裝置基于物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關設備分配的信道切換使用進行通信。

在本發(fā)明提供的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關設備中，還可以具有這樣的特征：其中，有線通信單元包含：有線通信模塊，以有線方式與外部通信裝置相通信連接；和有線通信接口，與有線通信模塊相連接，無線通信單元包含：無線通信模塊，以無線方式與外部通信裝置相通信連接；和無線通信接口，與無線通信模塊相連接，用于連接天線裝置。

在本發(fā)明提供的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關設備中，還可以具有這樣的特征：其中，有線通信接口包含：USB接口、RS232接口、RS485接口、CAN接口以及以太網(wǎng)接口，有線通信模塊包含分別與USB接口、RS232接口、RS485接口、CAN接口以及以太網(wǎng)接口相匹配的通信電路模塊或芯片模塊。

在本發(fā)明提供的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關設備中，還可以具有這樣的特征：其中，無線通信模塊包含：GPRS模塊、3G模塊、4G模塊以及WiFi模塊，無線通信接口為SMA接口。

在本發(fā)明提供的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關設備中，還可以具有這樣的特征，還包括：時鐘電路單元，用于提供時間信息；和保護電路單元，用于對物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關設備進行電器保護。

在本發(fā)明提供的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關設備中，還可以具有這樣的特征，還包括：報警單元，用于在現(xiàn)場設備發(fā)生故障時發(fā)出報警信息；和電源管理單元，與外部供電裝置相連接，用于提供額定工作電壓。

發(fā)明的作用與效果

根據(jù)本發(fā)明所涉及的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關設備，因為中心節(jié)點模塊與每個節(jié)點裝置之間能夠基于預定通信規(guī)則進行通信，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，通過有線通信接口使得有線通信模塊能夠以有線方式與外部通信裝置相通信連接，通過在無線通信接口上連接天線裝置使得無線通信模塊能夠以無線方式與外部通信裝置相通信連接，所以，本發(fā)明的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關設備能夠?qū)崿F(xiàn)多種方式的通信連接，兼容性強、集成度高、適用范圍廣，節(jié)約資源。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的實施例中物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；以及

圖2是本發(fā)明的實施例中物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關設備的結(jié)構(gòu)框圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明實現(xiàn)的技術手段、創(chuàng)作特征、達成目的與功效易于明白了解，以下實施例結(jié)合附圖對本發(fā)明的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關設備作具體闡述。

在本實施例中，以農(nóng)業(yè)智能大棚的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)為例進行詳細說明。

圖1是本發(fā)明的實施例中物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

如圖1所示，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)1000包括大棚200以及用于實現(xiàn)對該大棚200進行監(jiān)控的物聯(lián)網(wǎng)通信子系統(tǒng)100。

在本實施例中，大棚200整體作為一個現(xiàn)場設備，用于進行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。為了使大棚200所形成的空間中的農(nóng)作物或植物生長良好，在大棚200中安裝有溫度傳感器210、光照傳感器220、灌溉控制閥230以及空氣質(zhì)量傳感器240。該四個傳感器作為信息傳感裝置，分別用于實時采集大棚200所形成的內(nèi)環(huán)境的濕度信息、光照強度信息、閥門狀態(tài)信息以及空氣質(zhì)量信息。

物聯(lián)網(wǎng)通信子系統(tǒng)100用于實現(xiàn)對大棚200的運行數(shù)據(jù)信息(即、濕度信息、光照強度信息、閥門狀態(tài)信息以及空氣質(zhì)量信息)進行遠程監(jiān)控。它包含四個節(jié)點裝置10、一個物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關設備20以及通過通信網(wǎng)絡30與物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關設備20相通信連接的外部通信裝置40。

四個節(jié)點裝置10與大棚200中的溫度傳感器210、光照傳感器220、灌溉控制閥230以及空氣質(zhì)量傳感器240一一對應連接。每個節(jié)點裝置10集成了符合WirelessHart協(xié)議標準的射頻收發(fā)器和微處理器，開始工作后，四個節(jié)點裝置10之間可自動組成蜂窩型網(wǎng)狀網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)(即、MESH自組網(wǎng)機制)，并且基于預先設定的通信規(guī)則與物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關設備20之間進行通信。

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關設備20，一方面與四個節(jié)點裝置10相通信連接，另一方面與外部通信裝置40相通信連接，從而實現(xiàn)大棚200與外部通信裝置40之間的通信連接。例如，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關設備20接收節(jié)點裝置10發(fā)來的運行數(shù)據(jù)信息后，進一步對接收到的運行數(shù)據(jù)信息進行協(xié)議轉(zhuǎn)換處理，然后通過通信網(wǎng)絡30將轉(zhuǎn)換處理后的運行數(shù)據(jù)信息發(fā)送至外部通信裝置40中。

外部通信裝置40，一方面通過通信網(wǎng)絡30接收物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關設備20發(fā)送來的運行數(shù)據(jù)信息，從而對該運行數(shù)據(jù)信息進行存儲、分析等處理操作。另一方面可以讓用戶基于當前的運行數(shù)據(jù)信息發(fā)送相應的控制信息給物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關設備20，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關設備20基于預定通信規(guī)則將接收到的控制信息發(fā)送至相對應的節(jié)點裝置10，節(jié)點裝置10將該控制信息傳輸給相應的傳感器，使得大棚200執(zhí)行與該控制信息相對應的操作。這里，外部通信裝置40為PC機；控制信息的形式為電磁波信號。

具體地，以閥門狀態(tài)信息為例，客戶通過外部通信裝置40發(fā)出控制信息(例如“完全打開閥門”、“打開一半閥門”、“關閉閥門”等)，該控制信息經(jīng)由通信網(wǎng)絡30將其發(fā)送至物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關設備20中，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關設備20基于預定通信規(guī)則將接收到的控制信息發(fā)送至與灌溉控制閥230相連接的節(jié)點裝置10中，該節(jié)點裝置10將該控制信息傳輸給灌溉控制閥230，該灌溉控制閥230的控制器基于接收到的控制信息執(zhí)行相應的操作(即、打開閥門或關閉閥門)。

圖2是本發(fā)明的實施例中物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關設備的結(jié)構(gòu)框圖。

如圖2所示，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關設備20包括網(wǎng)關主體單元20a、中心(AP)節(jié)點單元20b、有線通信單元20c、無線通信單元20d、網(wǎng)絡管理單元20e、存儲單元20f、時鐘電路單元20g、保護電路單元20h、電源管理單元20i以及報警單元20j。

中心節(jié)點單元20b、有線通信單元20c、無線通信單元20d、存儲單元20f、網(wǎng)絡管理單元20e、時鐘電路單元20g、保護電路單元20h、電源管理單元20i以及報警單元20j都與網(wǎng)關主體單元20a相連接，并在網(wǎng)關主體單元20a的驅(qū)動下進行工作。另外，網(wǎng)關主體單元20a用于對節(jié)點裝置10發(fā)送來的運行數(shù)據(jù)信息進行協(xié)議轉(zhuǎn)換處理，或者對外部通信裝置40發(fā)送來的控制信息進行協(xié)議轉(zhuǎn)換處理。

中心節(jié)點單元20b集成在網(wǎng)關主體單元20a中，它自身還集成了符合WirelessHart協(xié)議標準的射頻收發(fā)器和微處理器，與四個節(jié)點裝置10基于預定通信規(guī)則進行通信，從而實現(xiàn)接收節(jié)點裝置10發(fā)送來的運行數(shù)據(jù)信息發(fā)送，或者實現(xiàn)將進行協(xié)議轉(zhuǎn)換處理后的控制信息發(fā)送至節(jié)點裝置10。經(jīng)測試，在中心節(jié)點單元20b與四個節(jié)點裝置10中，點對點的通信距離能夠達到2KM。

有線通信單元20c集成在網(wǎng)關主體單元20a中，用于與外部通信裝置40以有線方式進行通信連接，即、以有線方式將進行協(xié)議轉(zhuǎn)換處理后的運行數(shù)據(jù)信息發(fā)送至外部通信裝置40，或者，以有線方式接收外部通信裝置40發(fā)送來的控制信息。

有線通信單元20c包含圖中未顯示的有線通信模塊和有線通信接口。有線通信接口與有線通信模塊相連接，用于讓網(wǎng)線等數(shù)據(jù)傳輸線接入，從而使有線通信模塊實現(xiàn)進行有線通信。這里，有線通信接口包含圖中未顯示的USB接口、RS232接口、RS485接口、CAN接口、以太網(wǎng)接口、SPI接口以及IIC接口等多種通信接口。相應地，有線通信單元20c則分別包含與USB接口、RS232接口、RS485接口、CAN接口、以太網(wǎng)接口、SPI接口以及IIC接口通信接口相匹配的通信電路模塊或芯片模塊；此時，通信網(wǎng)絡30為以太網(wǎng)。

無線通信單元20d集成在網(wǎng)關主體單元20a中，用于與外部通信裝置40以無線方式進行通信連接，即、以無線方式將進行協(xié)議轉(zhuǎn)換處理后的運行數(shù)據(jù)信息發(fā)送至外部通信裝置40，或者，以無線方式接收外部通信裝置40發(fā)送來的控制信息。

無線通信單元20d包含圖中未顯示的無線通信模塊和無線通信接口。無線通信接口與無線通信模塊相連接，用于與圖中未顯示的天線裝置相連接，從而使無線通信模塊實現(xiàn)進行無線通信。這里，無線通信單元20d包含圖中未顯示的GPRS模塊、3G模塊、4G模塊以及WiFi模塊；無線通信接口為SMA接口。相應地，通信網(wǎng)絡30為2G網(wǎng)絡、3G網(wǎng)絡、4G網(wǎng)絡以及WiFi網(wǎng)絡。

網(wǎng)絡管理單元20e集成在網(wǎng)關主體單元20a中，對所有的節(jié)點裝置10進行網(wǎng)絡管理，從而保證每個節(jié)點裝置10都能夠正常運行。具體地，

網(wǎng)絡管理單元20e可以增加、刪除以及修改節(jié)點裝置10及其參數(shù)信息(包括網(wǎng)絡ID、設備地址、頻點等信息)；可以在節(jié)點裝置10發(fā)送入網(wǎng)請求信息時分配入網(wǎng)私有密鑰便于該節(jié)點裝置10入網(wǎng)，并進一步為該節(jié)點裝置10分配唯一的通信密鑰，在通信過程中用于對數(shù)據(jù)包進行加密，從而確保通信安全；可以為所有的節(jié)點裝置10分配多個信道便于該節(jié)點裝置10與其它的節(jié)點裝置進行跳頻通信；還可以管理所有的節(jié)點裝置10之間的通信路徑，便于不相鄰的兩個節(jié)點裝置10之間進行通信時路由最佳通信路徑。

存儲單元20f集成在網(wǎng)關主體單元20a中，對中心節(jié)點單元20b接收到的運行數(shù)據(jù)信息或外部通信裝置40發(fā)送來的控制信息進行存儲。

時鐘電路單元20g集成在網(wǎng)關主體單元20a中，用于提供時間信息，便于中心節(jié)點單元20b與四個節(jié)點裝置10之間進行時間同步，從而保證通信的安全可靠。

保護電路單元20h集成在網(wǎng)關主體單元20a中，用于對整個物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關設備20進行電器保護，如、防靜電、防浪涌、防雷擊等。

電源管理單元20i集成在網(wǎng)關主體單元20a中，與圖中未顯示的外部供電裝置相連接，用于將外部供電裝置提供的外部電壓轉(zhuǎn)換為物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關設備20工作所需的額定工作電壓，并提供給網(wǎng)關主體單元20a。

報警單元20m集成在網(wǎng)關主體單元20a中，用于在現(xiàn)場設備(即大棚200中的各種智能裝置)發(fā)生故障時發(fā)出報警信息，從而讓監(jiān)控人員及時獲知設備故障信息，及時采取解決措施。

當中心節(jié)點單元20b與其它四個節(jié)點裝置10之間基于預定通信規(guī)則進行通信時，該中心節(jié)點單元20b可以看作一個節(jié)點裝置10。這里的預定通信規(guī)則為：它包含自動入網(wǎng)機制、MESH組網(wǎng)機制、時間同步機制以及跳頻機制。具體地，

自動入網(wǎng)機制為：

當節(jié)點裝置10需要入網(wǎng)時，首先通過網(wǎng)絡管理單元20e手動增加該節(jié)點裝置10，并配置其參數(shù)信息(包括網(wǎng)絡ID、設備地址、頻點等信息)，然后基于該節(jié)點裝置10的參數(shù)信息生成入網(wǎng)私有密鑰和通信密鑰。

進一步，待入網(wǎng)的節(jié)點裝置10對預定范圍內(nèi)的其它節(jié)點裝置10發(fā)出的廣播信息進行偵聽，當收到信息后，它就將其入網(wǎng)請求信息經(jīng)由被偵聽到的節(jié)點裝置10發(fā)送至物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關設備20，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關設備20收到該入網(wǎng)請求信息后，將入網(wǎng)私有密鑰發(fā)送給該節(jié)點裝置10，從而實現(xiàn)該新的節(jié)點裝置10自動入網(wǎng)，最后再將通信密鑰發(fā)送給該節(jié)點裝置10。

MESH組網(wǎng)機制為：

每個節(jié)點裝置10的通信部的網(wǎng)絡層協(xié)議中預先設定了多個通信鏈路，使得該節(jié)點裝置10能夠直接與多個其它的節(jié)點裝置10進行通信。

例如，如圖1所示，與濕度傳感器210相連接的節(jié)點裝置10的通信部的網(wǎng)絡層協(xié)議中預先設定了至少四個通信鏈路，使得該節(jié)點裝置10能夠與物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關設備20、光照傳感器220、灌溉控制閥230以及空氣質(zhì)量傳感器240直接進行通信。

因此，圖1中的四個節(jié)點裝置10開始工作后，就能夠自動形成蜂窩型網(wǎng)格狀網(wǎng)絡(即MESH自組網(wǎng)機制)，具有路由冗余機制。這樣，即使有一個或多個節(jié)點裝置10發(fā)生故障，通過冗余機制，也能夠?qū)崿F(xiàn)將與該發(fā)生故障的節(jié)點裝置10相連接的傳感器采集到的運行數(shù)據(jù)信息發(fā)送至物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關設備20中。

時間同步機制為：

一旦任意一個節(jié)點裝置10與物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關設備20之間進行通信時，不論是偵聽到廣播幀，還是收到命令幀回復，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關設備20則對該節(jié)點裝置10的時鐘信息(即、時間戳)進行同步，使得節(jié)點裝置10的時鐘信息與物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關設備20的時鐘信息保持一致，便于物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關設備20中的網(wǎng)絡管理單元20e對所有的節(jié)點裝置10進行網(wǎng)絡管理，使得所有的節(jié)點裝置10按照既定的時序穩(wěn)定地進行通信。

跳頻機制為：

基于網(wǎng)絡管理單元20e對節(jié)點裝置10所進行入網(wǎng)信息配置中包含的預先分配多個信道供該節(jié)點裝置10通信時使用，在后續(xù)的通信過程中，該節(jié)點裝置10基于分配的多個信道逐個切換進行使用。

基于以上各機制組成的預定規(guī)則進行通信，使得節(jié)點裝置10與物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關設備20之間的通信更安全、更穩(wěn)定、更快速、更可靠。

實施例的作用與效果

根據(jù)本實施例所涉及的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關設備，因為中心節(jié)點模塊與每個節(jié)點裝置之間能夠基于預定通信規(guī)則進行通信，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，通過有線通信接口使得有線通信模塊能夠以有線方式與外部通信裝置相通信連接，通過在無線通信接口上連接天線裝置使得無線通信模塊能夠以無線方式與外部通信裝置相通信連接，所以，本實施例的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關設備能夠?qū)崿F(xiàn)多種方式的通信連接，兼容性強、集成度高、適用范圍廣，節(jié)約資源。

上述實施方式為本發(fā)明的優(yōu)選案例，并不用來限制本發(fā)明的保護范圍。

在本實施例中，外部供電裝置為220V直流電源，而在本發(fā)明的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關設備中，外部供電裝置還可以為現(xiàn)場設備。

在本實施例中，客戶端為PC機，而在本發(fā)明的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關設備中，外部通信裝置還可以為移動通信裝置，例如智能手機或平板電腦等。