[论文解读] Internet of things: a multiprotocol gateway as solution of the interoperability problem

Wilder E. Castellanos, José Antonio Rosendo Macías+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 30, 2021

IoT and Edge/Fog Computing参考文献 3被引用 4

一句话总结

本文提出了一种多协议物联网网关，通过支持多种无线协议（例如ZigBee、LoRa、WiFi）并将其传感器数据转换为统一格式，实现通过MQTT向云平台传输，从而实现异构设备之间的互操作性。该网关能够同时从远程无线节点收集数据，通过高效的MQTT通信实现低功耗，并支持对传感器和执行器的远程配置。

ABSTRACT

One of the main challenges of the Internet of Things is the interoperability of highly heterogeneous devices, mainly in terms of the communication capabilities and network protocols used. As consequence, the interconnection model of the different devices involves an intermediary device, known as gateway. This gateway is a centralized element for the management of the devices that make up an IoT application. In addition, it is essential for the transmission of information to the Internet, especially when many IoT devices are not IP-based. This chapter describes a proposed model for an IoT gateway that allows the exchange of data through different wireless technologies and forwarding of such data to the Internet. The proposed gateway has important advantages such as: supporting for multiprotocol interconnectivity, the remote configuration of wireless nodes for sensor and actuators management; a flexible algorithm totranslate the data obtained by sensors into a uniform format for transmission to a cloud server; low energy consumption due to efficient data transfer over MQTT protocol. In order to demonstrate the usefulness of the developed gateway, a proof of concept test was implemented. The implemented scenario consists of 2 wireless nodes responsible for sensing environmental variables and transmitting data to the gateway node through different communication protocols. The obtained results show the feasibility for simultaneous data transmission from the remote wireless nodes to the gateway. Metrics on energy consumption in the devices are also presented.

研究动机与目标

• 解决异构物联网设备之间因通信协议多样而带来的关键互操作性挑战。
• 设计一个中心化网关，用于管理多种物联网设备并实现其互联。
• 实现对无线传感器和执行器节点的远程配置，以支持可扩展的部署。
• 实现灵活的数据转换机制，将传感器数据标准化，以供云端处理。
• 通过使用MQTT协议实现高效的数据传输，从而最小化物联网设备的能耗。

提出的方法

• 开发一种多协议网关，能够接收来自ZigBee、LoRa和WiFi等多种无线协议的数据。
• 实现协议转换层，将异构传感器数据映射为统一的数据格式，用于向云平台传输。
• 使用MQTT协议实现网关与云服务器之间轻量级、高效且低延迟的通信。
• 集成无线节点的远程配置功能，以实现对传感器和执行器的动态管理。
• 部署一个概念验证系统，包含两个通过不同协议向网关传输数据的无线传感器节点。
• 测量无线节点的能耗指标，以在真实环境下评估其效率。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何通过单一网关在异构物联网环境中支持多种无线通信协议之间的互操作性？
• RQ2 使用不同协议的多个远程无线节点同时向中心网关传输数据是否可行？
• RQ3 MQTT协议在降低物联网设备与网关通信能耗方面有多高效？
• RQ4 网关是否能够实现对无线传感器和执行器节点的远程配置，以提升系统可管理性？
• RQ5 在使用所提出的网关架构时，无线节点的实际能耗指标是多少？

主要发现

• 所提出的网关成功实现了使用不同协议（ZigBee和LoRa）的两个远程无线节点同时向中心网关发送数据。
• 系统通过MQTT协议实现了可靠且一致的数据转发至云端，确保了低延迟和高效的通信。
• 由于采用了MQTT协议，无线传感器节点的能耗显著降低，该协议通过减少数据负载和连接开销实现了高效通信。
• 成功实现了对传感器和执行器节点的远程配置，支持对物联网系统的动态管理与可扩展性。
• 灵活的数据转换算法有效将异构传感器数据转换为标准化格式，确保了在多种设备间的互操作性。
• 概念验证实现证实了该多协议网关在真实物联网部署中的可行性与实用性。