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物联网中WSN与网关的研究

范文

高丽

摘要：近年来，物联网（IoT）技术已经引起了很多关注，其能使不可识别的对象成为可识别的、互连的智能对象。物联网应用离不开互联网，事物信息需要上传到互联网，使得全球互联网用户可以共享事物信息。无线传感器网络（WSN），作为物联网的基本技术，可以收集、传输信息。而将信息传送到Internet需要网关作为桥接点。该文主要论述了物联网中无线传感器网络（WSN）和传～Internet网连接所用到的网关及其相关研究。

关键词：物联网；互联网；WSN；网关

1概述

计算机技术和互联网技术的快速发展，推动了物联网的发展。作为一种新兴技术，物联网（IoT）技术允许嵌入有线/无线通信接口的多个智能对象自动地彼此通信和交互，有望为改变现有工业系统运行提供更好的解决方案。物联网的发展可以支持各种应用，包括智能电网，智能交通，医学和医疗保健，智能艺术，智能物流，智能生活等。在物联网方面，无线传感器网络发挥着重要作用，改变着人们生活，提供着各种信息。网关实现了无线传感器网络和传统Internet网络之间的互连。

2互联网与物联网

2.1互联网

如今，全世界约有二十亿人使用互联网浏览网络，发送和接收电子邮件，访问多媒体内容和服务，玩游戏，使用社交网络应用程序等等。令人值得注意的是互联网将作为机器与智能对象通信、对话、计算的全球平台。可以预见，在未来十年内，互联网将作为经典网络和网络对象的无缝结构存在。因特网作为基础设施网络连接到终端用户的终端，它的常规概念将被淘汰，而这使得形成普遍计算环境的“智能”对象概念有更大的发展空间。

但是互联网基础设施不会消失。相反，它将保持在全球信息共享和传播的重要作用，并且在广泛的服务和技术中，使物理对象和计算/通信能力互连。

2.2物联网

术语物联网最早由Kevin Ashton于1999年在供应链管理的背景下提出的。然而，随着物联网的发展，该定义涵盖了更广泛的应用，如医疗保健，公用事业，运输等。虽然“things”的定义随着技术的发展而改变，但是主要目标保持不变一在没有人类干预的情况下，计算机仍能感知信息。依赖于传感，通信，网络，和信息处理技术的众多连接设备组成了全球网络基础设施，IoT就可以被认为是一个全球网络基础设施。从结构上看，物联网可以分为：应用层，网络层和感知层。物联网结构如图1所示。

物联网（IoT）通过利用无线电频率识别（RFID），无线，移动和传感器设备，为构建强大的工业系统和应用提供了一个机会。loT的基本技术是RFID技术，其允许微芯片通过无线通信将识别信息发送到读取器。通过RFID读取器，人们可以自动识别，跟踪和监视附着有RFID标签的任何物体。RFID已经广泛应用于物流，制药生产，零售和供应链管理。物联网的另一个基础技术是传感器技术。大量的传感器集成到网络中形成无线传感网络（WSN），使互连的智能传感器监测和采集数据。WSN主要应用于环境监测，医疗监控，工业监控，交通监控等。RFID和WSN的进步促进了物联网的发展。除此之外，随着条形码，云计算技术，智能手机，社交网络等的不断发展，对支持物联网有着重要意义。物联网关键技术如图2所示。

由于对诸如RFID标签，嵌入式传感器，执行器节点等各种有能力的无线技术的适应，物联网已经走出了它的婴儿期，将互联网转变为完全集成的未来互联网。随着无线通信，智能手机和传感器网络技术的发展，越来越多的网络事物和智能对象开始加人物联网。

3WSN与网关

3.1WSN

无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）作为物联网的基本启用技术，将多个空间分布式自主传感器集成到网络中，并通过无线通信协作传递数据。无线传感器网络的示意图如图3所示。在WSN中，节点分为汇聚节点（Sink节点）和传感节点（Sensor节点）。传感节点采集数据，以多跳的方式传送到汇聚节点，汇聚节点将收到的数据通过有线或无线方式传输到远端的用户。无线传感网络是由大量节点设备组成的，单个节点设备的计算能力、存储能力和通信带宽都是有限的。如果需要传感器节点长时间工作，能源消耗最小化是十分有必要的。

3.2网关

传感器网络为了实现远距离传输信息，通过无线网络将传感器节点收集的信息通过sink节点连入互联网中，这种跨传感器网络和传统Internet网络的节点就是网络网关雏形。在实际应用中，WSN网络不能以一个独立的通信形式存在。网络中检测到的数据需要上传到互联网，在传感器网络和互联网之间存在的桥接点就是网关。网络可以通过网络网关连接到更高级别的系统。在传感器网络和通过因特网传输的数据方面，这些网关具有建设性控制。在文献中，利用网关的战略位置，提出了智能电子健康网关，从成本效益分析的角度阐述了智能电子健康网关的功能及其提供的服务。

4网关研究

4.1WSN网关

无线传感器网络（WSN）网关的发展，对有限的基础设施导致频繁的电力短缺和网络不可靠性的站点是一种挑战。在中，提出了一个低功耗，低成本的802.15.4和802.11兼容解决方案，它使用开源软件来满足本地条件。系统优先应用于缺乏稳定的电源和可靠的网络基础设施的偏遠地区。该系统基于Fox嵌入式Linux板，并配备了USB闪存驱动器和USB WiFi适配器。将WSN的数据需要存储在具有电池备份的服务器中，这样当公用电源不可用时，也可以保证电力的连续供应。

常规的网关节点类似于传感器主要局限于在一个特定的固定或移动WSN方案来操作的节点，而增强型的WSN网关设备可以兼容多种无线传感器网络之间的传输。作为高级移动终端出现的智能手机，特别适合这种作用。文献中把增加了WSN网关功能的智能手机作为网关，在蜂窝网络中利用传感器收集和汇总数据。在文献中，关于定期专用传感器和网关节点问题，作者研究了具备WSN网关功能的智能手机在无线传感器网络中发挥的作用。并给出了一个实际的例子一一个具有网关增强型功能的智能手机通过蓝牙连接三星i8910手机和VESNA传感器节点。

4.2异构网关

物联网可通过无线方式连接智能对象来建立，但由于它们使用不同的标准，有的甚至在不同的频率上工作，而使得已嵌入到智能对象或控制器中的各种无线技术（包括蓝牙，Zig-Bee，WiFi和红外技术）不能交换信息。为了在异构网络中提供信息交换，文献提出了可与异构网络集成的物联网多接口网关，其可以将信息转换为可被各种智能对象识别的数据。在实验中，物联网多接口网关可以用于数字艺术或一些智能空间，可自动控制传统电视，空调，智能电表，血压计，智能手机等。实验表明物联网网关可以交换数据在各种智能对象中使用不同的无线技术，并保证数据转换时间的稳定性。

4.3家庭网关

针对家庭自动化和智能家庭的研究越来越多，其研究重点在于如何利用HVAC（Heating，Ventilation and Air Conditioning）系统控制房间的采暖，通风，空气调节。HVAC系统的各种智能控制系统可以在文献中找到。文献提出了一种基于传感器网络的新型智能家居控制系统，使家庭网络更智能和自动化。文中给出了智能家居设备的描述和标准实践，用来满足在住宅或轻型商业环境下，智能能源所需的需求响应和负载管理。文献提出了一个基于云的智能家庭理论框架，使家庭自动化，可移动和互连。文中建议使用云计算和Web服务完善六个智能家庭应用一家庭娱乐，安全，环境，健康，信息和通信，家用电器。为了节省能源和降低智能家居的成本，文献提出了一种新型的智能家居控制系统，使用Android手机作为临时家庭网关，而不是默认家庭网关。其目的主要是通过预测用户行为自动关闭未使用的设备以节省能耗。

5总结

随着互联网和物联网的发展，人们日常生活的各个方面有着极大改善。而在物联网发展中，物联网网关未来的挑战有以下两个方面：1）针对无线传感器网络（WSN）网关的发展，需要解决频繁的电力短缺和网络不可靠性。2）开发一种异构网络网关，它能够集成异构网络中各种智能对象无线通信技术，并且设计的网关可以提高物联网网络的传输效率。

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