无线传感器网络网关技术

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此无线传感器网络网关由网关开发板、显示屏、
CC2530模块等组成，如所示。
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图10-5 网关外观
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10.4.1 网关开发板
网关开发板以STM32F107VCT6为核心处理器，外部集 成了串口、USB、CC2530插槽、SD卡插槽、蜂鸣器、以太
网等。
STM32F107VCT6处理器基于ARM V7架构的Cortex-M3 内核，主频为72 MHz，内部含有256K字节的FLASH和64K 字节的SRAM。
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10个定时计数器。
14个通信接口。 网关开发板的STM32F107VCT6处理器可以完成以下两
种主要协议的转换：
以太网↔串口。 以太网↔USB。
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10.4.2 CC2530模块
CC2530是Zigbee芯片的一种，广泛使用于2.4G片上系 统解决方案。建立在基于IEEE802.15.4标准的协议之上，支
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10.2 网关的分类
网关根据应用领域的不同，分类也不同，一般可以分 为协议网关、应用网关和安全网关。
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10.2.1 协议网关
协议网关通常在不同协议的网络间做协议转换工作， 这是网关最常见的功能。协议转换必须在数据链路层以上
的所有协议层都运行，而且要对节点使用这些协议层的进
程透明。协议转换必须考虑两个协议之间特定的相似性和 差异性，所以协议网关的功能比较复杂。协议网关中比较 典型的代表是专用网关和两层协议网关。
当类型不同而协议又差别很大时，可以利用网关实现多个
物理上或逻辑上独立的网络间的连接。由于协议转换的复 杂性，一般只进行一对一的转换或者少数集中应用协议的 转换。
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可以用于广域网互联，也可以用于局域网互联。对具
有不同网络体系结构而且物理上又彼此独立的网络，可以 使用网关连接起来。被连接的两个网络可以是相同的，也
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图10-6 网关协议转化过程
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小结
通过本章的学习，学生应该能够掌握：
网关又称网间连接器，协议转换器，是多个网络间提 供数据转换服务的计算机系统或设备。 协议网关在不同协议的网络区域作协议转化。 应用网关是在应用层连接两部分应用程序的网关，是 在不同数据格式间翻译数据的系统。 安全网关类似于防火墙，网关可以是本地的，也可以 是远程的。
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第10章 网 关 技 术
10.1 概述
10.2 网关的分类
10.3 网关的特点与功能
10.4 WSN网关
小结
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本章目标
理解无线传感器网关特点和功能。 理解无线传感器网关的分类。
掌握无线传感器网络网关系统原理。
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学习导航
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10.1 概述
网关，又称网间连接器。网关在传输层上实现网络互 联，是最复杂的网络互联设备，用于两个或两个以上高层 协议不同的网络互联。网关的结构类似于路由器设备，不 同的是互联层。网关既可以用于广域网互联，也可以用于 局域网互联，是一种充当协议转换重任的计算机系统或设 备。
数据处理方面：具有数据吞吐量大、计算能力、存储 能力要求高等特点。
在通信距离方面：网关的传输范围比普通的无线传感
器网络节点较远，以保证数据传输到外网的监控中心。 在采用无线网络作为网关和监控中心的传输媒介时， 要保证网关能与最近的基站通信。
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10.3.2 网关的功能
广义上的网关具有以下功能： 协议转换能力。
可以是不同的。用网关互联的两个网络在物理上可以是同
一个网络。 无线传感器网络由成百上千个节点组成，且一般部署 在环境比较恶劣的场合。在恶劣的环境中，频繁地为数量 巨大的节点更换电池是不现实的。因此，无线传感器网络 网关节点的能源供给都是一次性电池。无线传感器网络网 关具有以下特点：
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能耗方面：具有寿命长，高能效、低成本等特点。
持Zigbee2006、Zigbee2007和ZigbeePro协议。CC2530芯片
支持“Zigbee协议↔串口”协议的转化。 在无线传感器网络数据采集和传输的过程中，CC2530 模块通过无线可以接收到其他传感器节点的数据，此无线 通信协议为Zigbee协议。
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10.4.3 网关协议的转换
网关的主要作用就是通过协议转换将数据发送出去。 将CC2530模块插入到网关开发板的CC2530插槽中，便成为
于某种特定的应用系统的协议转换。
应用网关典型应用是在不同数据格式间翻译数据，接 收一种格式的输入，将之翻译，然后以新的格式发送。如 所示，输入、输出接口可以是分立的，也可以使用同一网 络相连。
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图10-3 应用网关数据格式转换
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应用网关可以用于局域网客户机与外部数据源相连，
这种网关本地主机提供了与远程交互式应用的连接。将应 用的逻辑和执行代码置于局域网中，客户端避免了低带宽、
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1. 专用网关
专用网关能够在传统的大型机系统和迅速发展的分布 式系统间建立桥梁。典型的专用网关把基于PC的客户端连
到局域网边缘的转换器。该转换器通过X.25网络提供对大
型机系统的访问。专用网关示意图如所示。 专用网关示意图演示了从PC客户端到网关的过程，网 关将IP数据通过X.25广域网传送给大型机系统。这些网关 通常需要安装在连接到局域网的计算机上的单功能的电路 板中，这使其价格低，并且较容易升级。
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无线传感器网络网关在完成协议转换的同时，可以承
担组建和管理无线传感器网络的诸多工作。 无线传感器网关是协议网关的一种，主要完成不同协
议之间的转化。
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10.3 网关的特点与功能
网关是一种不同的网络协议相互转换的设备，但是在 设计无线传感器网络网关时，必须要考虑传感器网络的特 点，所以在设计无线传感器网络网关时，必须考虑其特殊 的特点和功能。本节将介绍广义网关和无线传感器网络网 关的特点和功能。
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10.3.1 网关的特点
广义上的网关有以下两个特点： 连接不同协议的网络。在一个大型的计算机网络中，
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无线传感器网络网关节点是无线传感器网络的控制中
心，能够主动扫描其覆盖范围内的所有传感器节点，管理 整个无线监测网络完整的路由表，接收来自其他节点的数
据，并对数据进行校正、融合等处理，通过GPRS或者以太
网等网络基础设施发送到远程监控中心。同时对于监控中 心所发出的指令给予相应的处理。网关节点通常连接两个 或多个相互独立的网络，需要在传输层以上对不同的协议 进行转换，因此对中央控制器的数据传输和运算能力有较 高的要求。
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STM32F107VCT6 MCU的主要硬件资源如下：
ARM CM3内核，最高频率可达72 MHz。 60针和100针两种管脚配置，多种封装方式。
64～256 K字节FLASH存储器，64 K字节SRAM存储器。
2.0～3.6 V电源。 2个12位，1 μs A/D转换器(16通道)。 2个12位D/A转换器。 12通道DMA控制器。 支持SWD和JTAG调试接口。
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图10- 2 不同的协议帧格式
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协议网关利用两层协议帧结构的共同点，例如MAC地
址，提供帧结构不同部分的转换，使两层协议互通。第一 代局域网需要独立的设备来提供协议网关，现在多协议交
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换集线器通常提供高带宽主干，在不同的帧类型间作为协
议网关。
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10.2.2 应用网关
应用网关是在应用层连接两部分应用程序的网关，是 在不同数据格式间翻译数据的系统。这类网关一般只适合
型主机的通用工具。
在网络中安全网关是指一种将内部网和公众访问网分 开的方法，实际上是一种网关隔离技术。安全网关是在两 个网络通讯时执行的一种访问控制尺度，它允许合法的数 据进入网络，同时将不合法的数据隔离在网络外部。安全 网关具有很好的保护作用，入侵者必须穿越安全网关的防 线，才能接触到目标计算器。此外，可以将安全网关配置 成不同的保护级别。
高延迟的广域网的特点，使得客户端的响应时间更短。应
用网关将请求发送给相应的计算机来获取数据，如果需要 可以将数据格式转换成客户所要求的格式。所示为局域网 与外部数据转换。
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图10-4 局域网与外部数据转换
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10.2.3 安全网关
安全网关类似于防火墙，网关可以是本地的，也可以 是远程的。目前，网关已成为网络上每个用户都能访问大
网关开发板的一部分。其协议转化过程如所示。
CC2530模块通过Zigbee协议接收到其他支持Zigbee协 议节点发送的数据后，将此数据经过“Zigbee协议↔串口” 的转化，通过串口可以将数据传输至网关开发板的 STM32F107VCT6处理器中。 网关开发板的STM32F107VCT6处理器可以通过处理将 协议转换为以太网，将数据通过以太网发送出去。
流量控制能力。
各个网络之间可靠传输信息的能力。 路由选择能力。 将数据分组分段和重装的能力。 无线传感器网络网关在完成协议转换的同时，可以承 担组建和管理无线传感器网络的诸多工作，具体功能如下：
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扫描并选定数据传输的物理信道，分配无线传感器网
络内的网络，发送广播同步帧，初始化无线传感器网络设 备。
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图10- 1 专用网关示意图
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2. 两层协议网关
两层协议网关提供局域网到局域网的转换。在使用不 同帧类型或时钟频率的局域网间的互连可能就需要这种转
换。
所有的IEEE802标准都共享公共介质访问层，但是不同 的标准之间的帧结构可能不同，例如：IEEE802.3标准和 IEEE802.5标准。如所示。不同标准间帧结构的不同导致两 种协议之间不能直接通信。
配合无线传感器网络所采用的MAC算法和理由协议，
协助节点完成与邻居节点连接的建立和路由的形成。 对接收数据进行协议转换。 对从各个节点接收到的数据的具体应用和需求以及当 前的带宽，自适应的启动数据融合算法，降低数据冗余度。 处理来自监控中心的控制命令。
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10.4 WSN网关
无线传感器网络网关属于协议网关的一种，可以转换 不同的协议。在无线传感器网络中汇聚节点用于连接传感 器网络、互联网和Internet等外部网络，可实现几种通信协 议之间的转换，所以在无线传感器网络中可以认为汇聚节 点是无线传感器网络的网关。本节将介绍一种以Zigbee技术 为基础的无线传感器网络网关。