一種物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)及數(shù)據(jù)加密方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)及數(shù)據(jù)加密方法，屬于物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域。所述物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)從下至上依次包括通信硬件抽象層、應(yīng)用層通信協(xié)議層、協(xié)議適配層、協(xié)議轉(zhuǎn)換控制層和人機接口；所述通信硬件抽象層：將各種通信方式抽象為通信模塊；所述應(yīng)用層通信協(xié)議層：對通信硬件抽象層的數(shù)據(jù)按照其對應(yīng)的應(yīng)用層通信協(xié)議進行封裝，把封裝好的數(shù)據(jù)包提交給協(xié)議適配層進行解析；所述協(xié)議適配層：把應(yīng)用層通信協(xié)議層提供的數(shù)據(jù)包，按照協(xié)議樹進行識別解析后，然后提交給協(xié)議轉(zhuǎn)換控制層的協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊；所述協(xié)議轉(zhuǎn)換控制層：對協(xié)議適配層、應(yīng)用層通信協(xié)議層進行控制，并向人機接口層提供調(diào)用服務(wù)。
【專利說明】一種物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)及數(shù)據(jù)加密方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，具體涉及一種物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)及數(shù)據(jù)加密方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 數(shù)據(jù)是信息的載體，是信息世界中的重要資源；數(shù)據(jù)采集一直倍受人們的關(guān)注。數(shù) 據(jù)采集網(wǎng)關(guān)完成數(shù)據(jù)的采集、存儲轉(zhuǎn)發(fā)，通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，軟硬件資源的管理等功能，是工農(nóng) 業(yè)自動化、信息化、智能化領(lǐng)域中的關(guān)鍵設(shè)備。對建筑能耗數(shù)據(jù)監(jiān)測管理控制是節(jié)能的重要 保障。
[0003] 數(shù)據(jù)采集起始于20世紀(jì)50年代，1956年美國首先研宄了用在軍事上的數(shù)據(jù)采集 測試系統(tǒng)。目前，國際上技術(shù)先進的國家已經(jīng)把數(shù)據(jù)采集技術(shù)廣泛應(yīng)用在軍事、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療 衛(wèi)生、航空電子設(shè)備及宇航技術(shù)、工業(yè)等領(lǐng)域。20世紀(jì)90年代末期，伴隨著傳感器技術(shù)、通 信技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)突飛猛進地發(fā)展和日趨成熟，在世界范圍內(nèi)開始出現(xiàn)具有感知能 力、計算能力和通信能力的微型傳感器，因此人們也開始關(guān)注由這些微型傳感器設(shè)備組成 的傳感器網(wǎng)絡(luò)。傳感器網(wǎng)絡(luò)通過各種有線或無線等近程通信方式感知采集惡劣環(huán)境、工業(yè) 現(xiàn)場的數(shù)據(jù)，它可以在獨立的環(huán)境下運行，但這不便于對數(shù)據(jù)的實時分析處理及決策；也可 以通過網(wǎng)關(guān)連接到互聯(lián)網(wǎng)，用戶可以隨時方便地遠程訪問管理及控制，這便是物聯(lián)網(wǎng)的基 本網(wǎng)絡(luò)模型架構(gòu)，如圖1所示。顯然，物聯(lián)網(wǎng)海量信息的重要來源之一是傳感器網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)關(guān) 扮演者傳感器網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)之間橋梁的角色。
[0004] 2005年，國際電信聯(lián)盟（ITU)發(fā)布了《ITU互聯(lián)網(wǎng)報告2005 :物聯(lián)網(wǎng)》，正式給出了 物聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)涵。自此，各國政府均十分看重物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，紛紛制定物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展規(guī)劃；各個 商業(yè)機構(gòu)著手研發(fā)相關(guān)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品；各個學(xué)術(shù)研宄組織機構(gòu)積極制定物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和攻 克物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)技術(shù)難題。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)尚不夠成熟，但智能交通、智能物流、智能醫(yī)療、智能 家居領(lǐng)域以及個人及社交領(lǐng)域都有物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用案例，公共建筑能耗數(shù)據(jù)監(jiān)測管理控制是物 聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用熱門研宄之一。
[0005] 數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)是建筑能耗監(jiān)測平臺中的重要設(shè)備，市場上已有專門從事嵌入式通訊協(xié) 議網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品開發(fā)和銷售的廠商，如Woodhead、prolinx、Schneider等；三維力控的通信網(wǎng)關(guān) pFieldComm、至遠電子的NDAM數(shù)據(jù)采集模塊、高信軟件的多協(xié)議數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)GXcomm以及 浙江中控的WNC201。此類產(chǎn)品專注于通訊協(xié)議的轉(zhuǎn)換，而專門為建筑能耗數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域開 的產(chǎn)品發(fā)展還不成熟，更不用說物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用環(huán)境下多通信接口、智能監(jiān)管等需求。江南大學(xué) 研制出了能采集符合DL/T645多功能電表通信規(guī)約、CJ/T188用戶計量儀表傳輸條件的第 一代智能數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)；合肥工業(yè)大學(xué)、山東建筑大學(xué)、重慶大學(xué)等高校都在積極開發(fā)研制智能 數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)。然而，他們主要把精力放在硬件設(shè)計上，而且沒有考慮到以后更多的升級應(yīng) 用于物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域。嵌入式技術(shù)是數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)研制中最重要的技術(shù)之一，嵌入式軟件是嵌入式 系統(tǒng)的靈魂，軟件設(shè)計是數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)的核心問題。針對此問題，現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用環(huán)境下數(shù)據(jù) 采集網(wǎng)關(guān)的軟件框架結(jié)構(gòu)，主要是從軟件模型出發(fā)，沒有結(jié)合具體的實際應(yīng)用。針對物聯(lián)網(wǎng) 安全威脅問題，現(xiàn)有技術(shù)對物聯(lián)網(wǎng)安全隱患及措施做了綜述，但不同應(yīng)用的安全需求、安全 等級是不同的，具體采取何種措施也是根據(jù)需求制定的。目前建筑能耗數(shù)據(jù)采集均基于企 事業(yè)內(nèi)部網(wǎng)，因此來自外部網(wǎng)絡(luò)的攻擊還不能構(gòu)成安全威脅。在不久的將來，物聯(lián)網(wǎng)的廣泛 應(yīng)用，勢必外部網(wǎng)絡(luò)也須訪問建筑能耗數(shù)據(jù)，這就得考慮安全因素。針對建筑能耗數(shù)據(jù)安全 問題，目前還沒有引起國內(nèi)外生成數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)廠商的重視。
[0006] 現(xiàn)存物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)架構(gòu)基本都是圖2的結(jié)構(gòu)，核心處理層有的進行了進一步分層， 有的直接當(dāng)作一層，只是劃分為更多的模塊。這樣的設(shè)計存在如下3點不合理的地方：
[0007] 層次劃分方面：顯然，這樣的設(shè)計是受物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的影響，把近程通信和 遠程通信看著是兩個獨立的層次，核心層為協(xié)議解析、管理控制等模塊。這樣的架構(gòu)思路， 沒有從應(yīng)用的角度出發(fā)，導(dǎo)致應(yīng)用擴展時，對中間層模塊的修改難以實施。在軟件架構(gòu)設(shè)計 時，應(yīng)該摒棄對網(wǎng)絡(luò)拓撲的考慮，專注于軟件層次的合理劃分。
[0008] 模塊間的調(diào)用方面：從圖2可以看出，核心處理層既調(diào)用了感知層提供的服務(wù)，又 調(diào)用了廣域接入層的服務(wù)。根據(jù)軟件分層設(shè)計思想：上一層的模塊只能調(diào)用其下一層提供 的服務(wù)和同一層的模塊。根據(jù)這一思想，從軟件角度出發(fā)，感知接入層和廣域接入層屬同一 層。另外，當(dāng)核心處理層不進行進一步的分層，由于模塊較多，該層的調(diào)用關(guān)系將過于復(fù)雜。
[0009] 模塊粗細粒度方面：對于每一種通信方式，劃分為一個模塊比較合理。但對于核心 處理層，諸如管理控制模塊、應(yīng)用服務(wù)模塊，這樣的劃分粒度過大?；蛟S是由于物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng) 用太廣泛，當(dāng)研宄軟件架構(gòu)時，不太好把這些模塊細化。但當(dāng)具體某一物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用時，此類 模塊必須進一步細化。
[0010] 總之，目前物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)存在的問題是可擴張性差，層次劃分混亂，不易利于軟件代 碼的實現(xiàn)。
[0011] 另外，互聯(lián)網(wǎng)設(shè)計者最初沒有考慮到網(wǎng)絡(luò)安全問題，導(dǎo)致互聯(lián)網(wǎng)發(fā)生成千上萬次 安全事故；物聯(lián)網(wǎng)是在互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上拓展延伸而來的，安全威脅比互聯(lián)網(wǎng)更加錯綜復(fù)雜。 雖然物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)尚不成熟，但安全威脅的防范必須深入探討研宄。
[0012] 根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)層次架構(gòu)，可以把物聯(lián)網(wǎng)的安全威脅分解為傳感層威脅、傳輸層威脅、 應(yīng)用層威脅。各層既存在相同的安全威脅，也有各自不同的地方。傳感層的組網(wǎng)方式是多 種多樣的，不同的組網(wǎng)方式有各種不同的安全隱患，如RFID系統(tǒng)有如下三類安全隱患：1) 對于可以多次寫入或可重編程的RDID電子標(biāo)簽（如支持ISO標(biāo)準(zhǔn)的RFID)，任何能夠接觸 RFID閱讀器的用戶或者非法分子自建的一個閱讀器可以與RFID電子標(biāo)簽進行通信，讀取、 篡改甚至刪除電子標(biāo)簽的內(nèi)容非常容易；對于只允許一次寫入的電子標(biāo)簽，不存在篡改刪 除電子標(biāo)簽的內(nèi)容，但仍然可以讀取電子標(biāo)簽的內(nèi)容。2)對于缺乏身份認(rèn)證的RFID系統(tǒng)， 非法者可以偽造電子標(biāo)簽與閱讀器進行通信，進而與后臺服務(wù)系統(tǒng)通信，造成諸多的不安 全因素。3)由于讀取電子標(biāo)簽的閱讀器不對標(biāo)簽擁有者做出任何提示，對于移動RFID電子 標(biāo)簽，標(biāo)簽的所有者很容易暴露自己的彳丁蹤而自己暈不所知。在物聯(lián)網(wǎng)中存在多種異構(gòu)網(wǎng) 絡(luò)，這就要求傳輸能夠高效的將不同架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)起來，這將導(dǎo)致傳輸層面臨跨網(wǎng)絡(luò)認(rèn) 證問題，將可能受到拒絕服務(wù)（DoS)攻擊、中間人攻擊、異步攻擊、合謀攻擊等；從某種意義 上講，任何一個非法者只要能接入任何一個連入物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)，都可能對整個物聯(lián)網(wǎng)造成 威懾 [15]。應(yīng)用層擁有海量來自大量終端的數(shù)據(jù)，首先可能存在的隱患是遭到拒絕服務(wù)，來 自各種異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)的虛假請求、偽造數(shù)據(jù)使應(yīng)用層處理能力下降甚至癱瘓 [12];其次，應(yīng)用層 中人工介入的成分比傳感層、傳輸層多，可能存在故意破壞數(shù)據(jù)等不良行為，更有可能的是 因為操作不當(dāng)引起的數(shù)據(jù)信息丟失等；可以這樣說，竊取、破壞應(yīng)用層數(shù)據(jù)比在傳輸層、網(wǎng) 絡(luò)層容易得多，一個不是十分專業(yè)的計算機人員就能做到。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0013] 本發(fā)明的目的在于解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的難題，提供一種物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集網(wǎng) 關(guān)及數(shù)據(jù)加密方法，可擴張性好、層次劃分清楚且利于軟件代碼的實現(xiàn)，并實現(xiàn)高效加密。
[0014] 本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：
[0015] -種物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)，從下至上依次包括通信硬件抽象層、應(yīng)用層通信協(xié)議 層、協(xié)議適配層、協(xié)議轉(zhuǎn)換控制層和人機接口；
[0016] 所述通信硬件抽象層：將各種通信方式抽象為通信模塊；
[0017] 所述應(yīng)用層通信協(xié)議層：對通信硬件抽象層的數(shù)據(jù)按照其對應(yīng)的應(yīng)用層通信協(xié)議 進行封裝，把封裝好的數(shù)據(jù)包提交給協(xié)議適配層進行解析；
[0018] 所述協(xié)議適配層：把應(yīng)用層通信協(xié)議層提供的數(shù)據(jù)包，按照協(xié)議樹進行識別解析 后，然后提交給協(xié)議轉(zhuǎn)換控制層的協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊；
[0019] 所述協(xié)議轉(zhuǎn)換控制層：對協(xié)議適配層、應(yīng)用層通信協(xié)議層進行控制，并向人機接口 層提供調(diào)用服務(wù)；
[0020] 人機接口：直接使用協(xié)議轉(zhuǎn)換控制層提供的服務(wù)，對物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)進行可 視管理。
[0021] 所述通信硬件抽象層包括近程通信模塊和遠程通信模塊；
[0022] 近程通信模塊包括各種近程通信方式的抽象；
[0023] 所述遠程通信模塊包括各種遠程通信方式的抽象。
[0024] 所述應(yīng)用層通信協(xié)議層包括DLT645、CJT188、Modbus、FTP和HTTP。
[0025] 所述協(xié)議適配層包括協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊和協(xié)議解析模塊；
[0026] 所述協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊對各種應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)包進行轉(zhuǎn)換后遞交給協(xié)議解析模塊；
[0027] 所述協(xié)議解析模塊對數(shù)據(jù)包進行解析。
[0028] 所述協(xié)議轉(zhuǎn)換控制層包括遠程管理模塊、控制模塊、存儲模塊和安全模塊；根據(jù)需 求，能夠增添、刪除模塊。
[0029] 所述遠程管理模塊接收人機接口發(fā)送來的管理節(jié)點的命令；
[0030] 所述控制模塊直接管理所述通信硬件抽象層、應(yīng)用層通信協(xié)議層、協(xié)議適配層；
[0031] 所述存儲模塊將對數(shù)據(jù)包進行解包后的有效數(shù)據(jù)進行本地存儲；
[0032] 所述安全模塊把協(xié)議轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)包進行加解密處理、建立安全通信連接以及協(xié) 商口令。
[0033] 所述遠程管理模塊和控制模塊是以服務(wù)器方式運行。
[0034] 所述存儲模塊上的數(shù)據(jù)庫采用輕量級嵌入式數(shù)據(jù)庫sqlite3。
[0035] 所述安全模塊采用的數(shù)據(jù)加密方法為將KLEIN算法中的移位操作設(shè)計為移動隨 機位：r，16 < r < 63。
[0036] 所述加密方法中，第一個加解密隨機數(shù)在密鑰協(xié)商階段產(chǎn)生，以后加解密的隨機 數(shù)是上次加密產(chǎn)生的密文的第8個字節(jié)映射為一個16至63之間的數(shù)。
[0037] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)可擴張性 好、層次劃分清楚且利于軟件代碼的實現(xiàn)，能夠較好地適應(yīng)需求的變更，數(shù)據(jù)加密方法保證 了物聯(lián)網(wǎng)涉避免受到安全威脅，同時實現(xiàn)了加密的高效性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0038] 圖1網(wǎng)關(guān)在物聯(lián)網(wǎng)中的示意圖
[0039] 圖2現(xiàn)有物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的架構(gòu)圖 [0040] 圖3本發(fā)明數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)的架構(gòu)圖
[0041] 圖4本發(fā)明網(wǎng)關(guān)下三層模塊調(diào)用關(guān)系圖
[0042] 圖5本發(fā)明網(wǎng)格上四層模塊調(diào)用關(guān)系圖
[0043] 圖6-1是本發(fā)明加密算法中的輪加密改進示意圖
[0044] 圖6-2是本發(fā)明加密算法中的輪密鑰擴展改進示意圖。

【具體實施方式】
[0045] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細描述：
[0046] 數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)以能耗數(shù)據(jù)采集為案例，根據(jù)國務(wù)院《民用建筑節(jié)能條例》，住建部《民用 建筑能耗和節(jié)能信息統(tǒng)計報表制度》《關(guān)于加強國家機關(guān)辦公建筑和大型公共建筑節(jié)能管 理工作的實施意見》《國家機關(guān)辦公建筑和大型公共建筑節(jié)能監(jiān)管體系建設(shè)實施方案》《國 家機關(guān)辦公建筑及大型公共建筑分項能耗數(shù)據(jù)采集技術(shù)導(dǎo)則》《國家機關(guān)辦公建筑及大型 公共建筑數(shù)據(jù)中心建設(shè)與維護技術(shù)導(dǎo)則》《國家機關(guān)辦公建筑及大型公共建筑分項能耗數(shù) 據(jù)傳輸技術(shù)導(dǎo)則》《國家機關(guān)辦公建筑和大型公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)軟件開發(fā)指導(dǎo)說明書》 《可再生能源建筑應(yīng)用示范項目數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)導(dǎo)則》（試行）《高等學(xué)校節(jié)約型校園建 設(shè)管理與技術(shù)導(dǎo)則》（試行）《高等學(xué)校校園建筑節(jié)能監(jiān)管系統(tǒng)建設(shè)技術(shù)導(dǎo)則》《高等學(xué)校校 園建筑節(jié)能監(jiān)管系統(tǒng)運行管理技術(shù)導(dǎo)則》《高等學(xué)校校園建筑能耗統(tǒng)計審計公示辦法》《高 等學(xué)校校園設(shè)施節(jié)能運行管理辦法》《高等學(xué)校節(jié)約型校園指標(biāo)體系及考核評價辦法》等相 關(guān)文件，必須滿足以下基本要求：
[0047] (1)智能數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)能夠采集不同類型計量儀表的數(shù)據(jù)，包含電度表（如單相電度 表、三相電度表以及多功能電度表）、水表、燃氣表以及冷熱量表等。這也是物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)采集 多種類型數(shù)據(jù)的表現(xiàn)。
[0048] (2)計量儀表和智能數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)之間的通信協(xié)議應(yīng)符合國家有關(guān)部門的規(guī)定和行業(yè) 標(biāo)準(zhǔn)。對于電度表，最好參考國標(biāo)DL/T 645-1997《多功能電表通信規(guī)約》設(shè)計通信方式； 對于水表、燃氣表以及冷熱量表，最好按照國標(biāo)CJ/T 188-2004《用戶計量儀表數(shù)據(jù)傳輸技 術(shù)條件》進行通信方式設(shè)計。這樣有利于使用不同廠商提供的智能計量儀表。
[0049] (3)數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)能夠盡可能多地對能耗表數(shù)據(jù)進行采集，至少能夠采集32臺計量儀 表的數(shù)據(jù)。
[0050] (4)數(shù)據(jù)中心接收網(wǎng)關(guān)采集的數(shù)據(jù)應(yīng)該有實時查詢和定時推送兩種模式，且定時 周期可以進行靈活配置。
[0051] (5)為防止數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)丟失或遭到破壞，智能數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)能夠?qū)Σ杉臄?shù)據(jù)進 行本地存儲，至少應(yīng)能保存2周的數(shù)據(jù)。另外，對于因為網(wǎng)關(guān)與數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)故障發(fā)生的丟 失的數(shù)據(jù)，本地保存的數(shù)據(jù)必須在網(wǎng)絡(luò)故障恢復(fù)后重傳至數(shù)據(jù)中心。
[0052] (6)保障數(shù)據(jù)中心與智能網(wǎng)關(guān)通信機密性的方式要求通過對稱加密算法進行點對 點的加密，密鑰管理由數(shù)據(jù)中心進行統(tǒng)一分發(fā)管理與回收處理。
[0053] (7)智能數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)能夠向多個數(shù)據(jù)中心推送數(shù)據(jù)，多個管理平臺也能夠同時查詢 網(wǎng)關(guān)采集的實時數(shù)據(jù)。
[0054] (8)為便于現(xiàn)場安裝與維護人員的工作，智能數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)應(yīng)具備本地配置和管理的 功能，同時，數(shù)據(jù)管理平臺在管理中心也能夠進行遠程配置與管理。數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)能夠診斷傳感 器節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)故障并向數(shù)據(jù)中心上報，同時對與網(wǎng)關(guān)自身的故障信息，也要求網(wǎng)向數(shù)據(jù)管 理中心上報。這體現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)智能數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)可管理性的特點。
[0055] 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)不僅能采集建筑能耗數(shù)據(jù)，在增加硬件模塊和相應(yīng)的軟件模塊時，還 能夠采集物聯(lián)網(wǎng)其他應(yīng)用領(lǐng)域的數(shù)據(jù)。物聯(lián)網(wǎng)分為感知層、傳輸層、應(yīng)用層的三層結(jié)構(gòu)，網(wǎng) 關(guān)，作為連接感知層和傳輸層的橋梁，扮演著重要的角色。雖然物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)因應(yīng)用領(lǐng)域的不 同有不同的需求，但應(yīng)由以下三點共同特征：
[0056] (1)多種通信接口 ：智能傳感設(shè)備通過不同通信技術(shù)（Zigbee、Bluetooth、RS485、 〇八^8118、11?1)連接至網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)也有多種連接方式（?51隊26/36、1^^、1^隊051等）至互 聯(lián)網(wǎng)。網(wǎng)關(guān)擁有那些通信接口取決于應(yīng)用需求、操作策略和實現(xiàn)方案等因素。
[0057] (2)協(xié)議轉(zhuǎn)換：傳感層網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議往往與應(yīng)用層通信協(xié)議不同，這就需要網(wǎng) 關(guān)把傳感層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與應(yīng)用層協(xié)議進行相互轉(zhuǎn)換，這是網(wǎng)關(guān)最基本的功能需求。
[0058] (3)可管理性：一方面網(wǎng)關(guān)需要通過后臺服務(wù)實現(xiàn)自我管理（認(rèn)證、狀態(tài)、移動 等）；一方面網(wǎng)關(guān)需要實現(xiàn)智能傳感設(shè)備的管理（認(rèn)證、控制、診斷、維護等）。
[0059] 網(wǎng)關(guān)在物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)中起著數(shù)據(jù)上傳和命令下達的作用。傳感器網(wǎng)采集的數(shù)據(jù)通過 近程通信方式（如Zigbee、Z-wave、RFID、Blue_tooth、RS485)匯聚到數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)解析、 壓縮數(shù)據(jù)后，通過遠程通信方式（如CDMA2000、WIFI、ADSL、Ethernet)上傳到數(shù)據(jù)中心。物 聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用平臺通過遠程通信方式把命令下發(fā)到數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)，數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)解析命令，通過近程通 信方式，轉(zhuǎn)發(fā)至傳感網(wǎng)。
[0060] 本發(fā)明的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)的架構(gòu)如圖3所示，包括：
[0061] 通信硬件抽象層：不管是近程通信還是遠程通信，都有多種通信方式；不同的通 信方式的通信協(xié)議是不同的，對應(yīng)于一個抽象的通信模塊。
[0062] 應(yīng)用層通信協(xié)議層：與互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用一樣，不同的應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用層的通信協(xié)議一般 不同；物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用比互聯(lián)網(wǎng)更加廣泛，應(yīng)用協(xié)議更加多，網(wǎng)關(guān)采集一個應(yīng)用領(lǐng)域的數(shù)據(jù)，就 得實現(xiàn)這個領(lǐng)域的應(yīng)用通信協(xié)議。該層主要是對硬件抽象層的數(shù)據(jù)按照某一應(yīng)用層通信協(xié) 議進行封包，把封裝好的數(shù)據(jù)包提交給協(xié)議適配層進行解析。同理，協(xié)議轉(zhuǎn)換控制層也要對 該層進行管理。
[0063] 協(xié)議適配層：近程通信應(yīng)用層數(shù)據(jù)包一般較小，數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)一般要把遠程通信的應(yīng) 用層協(xié)議解析為近程通信協(xié)議。該層只有協(xié)議解析這一功能模塊，它把應(yīng)用層通信協(xié)議提 供的數(shù)據(jù)包，按照協(xié)議樹進行識別解析后，提交給協(xié)議轉(zhuǎn)換控制層的協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊。
[0064] 協(xié)議轉(zhuǎn)換控制層：該層相當(dāng)于已有文獻中的核心處理層，包括多個模塊。根據(jù)需 求，可以增添刪除相應(yīng)模塊。如需管理遠程傳感器節(jié)點，就得增加遠程管理控制模塊；如需 本地存儲數(shù)據(jù)，得增加存儲模塊；如需考慮安全因素；得增加安全模塊。各個模塊的完善程 度，取決于應(yīng)用要求。其中協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊，可以說是網(wǎng)關(guān)的最基本的功能。具體使用時，遠 程控制模塊接受人機界面發(fā)送來的管理節(jié)點的命令（休眠、喚醒、重啟、口令修改），通過協(xié) 議轉(zhuǎn)換模塊，再傳遞給協(xié)議解析模塊?？刂颇K可以直接控制管理其下的3個層次。協(xié)議 轉(zhuǎn)換模塊要對各種應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)包進行適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換后遞交給協(xié)議解析模塊。存儲模塊把數(shù) 據(jù)包進行解包后的有效數(shù)據(jù)進行本地存儲。安全模塊負責(zé)把協(xié)議轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)包進行加解 密處理，安全通信連接的建立，口令協(xié)商等工作。網(wǎng)關(guān)協(xié)議轉(zhuǎn)換控制層中的遠程管理模塊、 控制模塊是以服務(wù)器方式運行的。
[0065] 人機接口：為了便于網(wǎng)關(guān)的管理，提供一個簡單美觀的人機接口是必要的，最佳的 方式是通過web方式管理。該層直接使用協(xié)議轉(zhuǎn)換控制層提供的各種服務(wù)，對網(wǎng)關(guān)進行可 視管理。
[0066] 按照三層架構(gòu)的觀點來看本網(wǎng)關(guān)軟件架構(gòu)，可以把人機接口層看做是表示層 (UIL)，把協(xié)議轉(zhuǎn)換控制層看作業(yè)務(wù)邏輯層（BLL)，把最下面的3層看做是數(shù)據(jù)訪問層 (DAL)，只是其數(shù)據(jù)來源于通信設(shè)備，而非數(shù)據(jù)庫。
[0067] 通信硬件抽象層，實際上就是各個硬件設(shè)備的驅(qū)動文件。在Linux操作系統(tǒng)中，1/ 0設(shè)備也當(dāng)作文件方式進行訪問，應(yīng)用層通信協(xié)議對I/O設(shè)備的訪問，就相當(dāng)于對普通文件 的訪問。一般情況下，不同的應(yīng)用層通信協(xié)議，會讀取不同I/O設(shè)備，如DLT645、CJT188協(xié) 議對應(yīng)于近程通信設(shè)備，F(xiàn)TP、HTTP協(xié)議對應(yīng)于遠程通信設(shè)備，而Modbus協(xié)議即可采用遠程 通信方式，也可以采用近程通信方式。其次，協(xié)議轉(zhuǎn)換控制層的控制模塊還需對設(shè)備進行管 理，如添加刪除測試設(shè)備等操作。其模塊間的關(guān)系如圖4、圖5所示。
[0068] 網(wǎng)關(guān)在物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)中起著數(shù)據(jù)上傳和命令下達的作用。傳感器網(wǎng)采集的數(shù)據(jù)通過 近程通信方式（如Zigbee、Z-wave、RFID、Blue_tooth、RS485)匯聚到數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)解析、 壓縮數(shù)據(jù)后，通過遠程通信方式（如CDMA2000、WIFI、ADSL、Ethernet)上傳到數(shù)據(jù)中心。物 聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用平臺通過遠程通信方式把命令下發(fā)到數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)，數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)解析命令，通過近程通 信方式，轉(zhuǎn)發(fā)至傳感網(wǎng)。
[0069] 具體實施時，本發(fā)明以SBC6020嵌入式單板機為硬件平臺，把板上5路RS232接口 轉(zhuǎn)換成RS485接口以實現(xiàn)更多能耗表設(shè)備數(shù)據(jù)的采集；在Mini PCI接口上增加相應(yīng)的模塊 可以實現(xiàn)無線方式采集傳感器網(wǎng)的數(shù)據(jù)。利用板上CF卡插槽實現(xiàn)數(shù)據(jù)的本地存儲。數(shù)據(jù)的 遠程傳輸可以通過以太網(wǎng)接口，也可以通過Mini PCI接口增加相應(yīng)的無線通信模塊實現(xiàn)。
[0070] 具體來說，本發(fā)明網(wǎng)關(guān)采用的是基于愛特梅爾（Atmel)公司AT91SAM9G20工業(yè)級 處理器的嵌入式單板計算機SBC6020 :CPU內(nèi)核是ARM 926EJ-S，工作頻率約為400MHz ;擁 有7路串口，其中6路是RS232,1路是RS485,擁有1路現(xiàn)場工業(yè)總線接口 CAN-Bus2. 0 ;具 備2個以太網(wǎng)接口，其中一個網(wǎng)卡在AT91SAM9G20芯片上，另一個是單板機上；具有3路USB 接口，其中1路是USB從設(shè)備接口，2路是USB主設(shè)備接口；AT91SAM9G20芯片上有4路模/ 數(shù)轉(zhuǎn)換控制器；其上還有1路CF卡插槽。SBC6020單板機采用了最可靠健壯的工業(yè)物理結(jié) 構(gòu)，多種工業(yè)總線控制接口，可以在-l〇°C?70°C溫度環(huán)境下穩(wěn)定工作，可以滿足各種條件 苛刻的工業(yè)應(yīng)用環(huán)境，完全符合工業(yè)應(yīng)用要求，其硬件配置如表1所示：
[0071]

【權(quán)利要求】
1. 一種物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)，其特征在于；所述物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)從下至上依次包 括通信硬件抽象層、應(yīng)用層通信協(xié)議層、協(xié)議適配層、協(xié)議轉(zhuǎn)換控制層和人機接口； 所述通信硬件抽象層；將各種通信方式抽象為通信模塊； 所述應(yīng)用層通信協(xié)議層；對通信硬件抽象層的數(shù)據(jù)按照其對應(yīng)的應(yīng)用層通信協(xié)議進行 封裝，把封裝好的數(shù)據(jù)包提交給協(xié)議適配層進行解析； 所述協(xié)議適配層；把應(yīng)用層通信協(xié)議層提供的數(shù)據(jù)包，按照協(xié)議樹進行識別解析后，然 后提交給協(xié)議轉(zhuǎn)換控制層的協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊； 所述協(xié)議轉(zhuǎn)換控制層；對協(xié)議適配層、應(yīng)用層通信協(xié)議層進行控制，并向人機接口層提 供調(diào)用服務(wù)； 人機接口；直接使用協(xié)議轉(zhuǎn)換控制層提供的服務(wù)，對物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)進行可視管 理。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)，其特征在于：所述通信硬件抽象層包 括近程通信模塊和遠程通信模塊； 近程通信模塊包括各種近程通信方式的抽象； 所述遠程通信模塊包括各種遠程通信方式的抽象。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)，其特征在于：所述應(yīng)用層通信協(xié)議層 包括 DLT645、CJT188、Modbus、FTP 和 HTTP。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)，其特征在于：所述協(xié)議適配層包括協(xié) 議轉(zhuǎn)換模塊和協(xié)議解析模塊； 所述協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊對各種應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)包進行轉(zhuǎn)換后遞交給協(xié)議解析模塊； 所述協(xié)議解析模塊對數(shù)據(jù)包進行解析。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)，其特征在于：所述協(xié)議轉(zhuǎn)換控制層包 括遠程管理模塊、控制模塊、存儲模塊和安全模塊；根據(jù)需求，能夠增添、刪除模塊； 所述遠程管理模塊接收人機接口發(fā)送來的管理節(jié)點的命令； 所述控制模塊直接管理所述通信硬件抽象層、應(yīng)用層通信協(xié)議層、協(xié)議適配層； 所述存儲模塊將對數(shù)據(jù)包進行解包后的有效數(shù)據(jù)進行本地存儲； 所述安全模塊把協(xié)議轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)包進行加解密處理、建立安全通信連接W及協(xié)商口 令。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)，其特征在于：所述遠程管理模塊和控 制模塊是W服務(wù)器方式運行。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)，其特征在于：所述存儲模塊上的數(shù)據(jù) 庫采用輕量級嵌入式數(shù)據(jù)庫sqlite3。
8. 權(quán)利要求1至7任一所述物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)采用的加密方法，其特征在于：所述 方法為將KLEIN算法中的移位操作設(shè)計為移動隨機位r，16《r《63。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的加密方法，其特征在于：所述加密方法中，第一個加解密隨機 數(shù)在密鑰協(xié)商階段產(chǎn)生，W后加解密的隨機數(shù)是上次加密產(chǎn)生的密文的第8個字節(jié)映射為 一個16至63之間的數(shù)。
【文檔編號】H04L12/66GK104468609SQ201410816850
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月23日
【發(fā)明者】張桂玲, 司云修, 柯永振, 王占剛, 萬振凱, 賈林 申請人:天津市初志科技有限公司, 天津工業(yè)大學(xué)