物联网透传设备关键技术研究

0、引言

透传（Transparent Transmission），即透明传输，指的是在通讯中不管传输的业务内容如何，只负责将传输的内容由源地址传输到目的地址，而不对业务数据内容做任何改变。在这样的传输模式下，数据不会被修改或解析，传输过程对数据透明，接收者不知道数据在透传过程中的路径以及经过的设备。而非透传（Non-transparent Transmission）则是指数据在传输过程中会进行处理或封装，例如增加协议头、数据校验、数据压缩等。非透传模式下，数据在传输过程中可能被修改或解析，以满足特定的通信协议要求。

在物联网的应用中，大多数系统只需要简单、快速的数据传输，并且对数据的原始性要求较高，因此透传模式是合适的选择。透传模式在物联网里的最典型的应用场景是网关设备。网关设备作为物联网内部传感网与外部互联网沟通的桥梁，对传感器数据的上报以及指令的下发起着至关重要的作用。

物联网透传具有以下特点：

数据透明性。发送端将数据打包发送，不对数据内容进行任何修改。接收端收到数据后直接解包，不对数据内容进行任何修改。

链路层透明性。在透传传输过程中，传输链路层（如串口、网络层等）也不对数据进行任何处理，仅负责将数据从发送端传输到接收端。

协议透明性。透传传输不依赖于高层协议，仅在数据链路层进行传输，这使得数据传输过程中不会受到高层协议的影响。

本文的主要工作是针对物联网透传技术的实现进行深入研究，详细阐述透传设备开发的技术路线

1、总体设计

根据透传的定义，结合物联网网络的特点，物联网场景的透传设备应具备如下功能：

①端口映射。在计算机网络中，IP+端口可以唯一定位一台设备。透传设备的出口通常连接路由器或交换机，与外网通信，而入口端则连接物联网设备。由于入口的物联网设备可能有多台，透传设备本身只有一个IP，因此只有通过不同的计算机网络端口区分接入的物联网设备。

②数据转发。该功能是透传设备的核心功能，其作用是将外部数据按不同的IP 端口转发到下层的真实物理端口。

③模式选择。作为网关的透传设备应当同时支持服务器模式与客户端模式。作为服务器端，出口端的链接由外部设备发起；而作为客户端模式则是由透传设备主动向其他设备发起连接。

④来源认证。为保证物联网内部设备的安全，外网连接到出口端的设备必须进行认证，防止非法设备获取数据或下发命令。

透传设备网络拓扑图如下图所示：

2、服务端程序开发

透传设备通常运行在物联网内网，而为了实现双向传输，还需要一个配套的服务端程序，该程序运行在具备公网IP 的服务器上，与透传设备一起形成数据通道。其拓扑结构如下图所示：

在上述所示的网络拓扑图中，透传设备首先需要以客户端的模式主动向服务器发起连接，服务器程序记录透传设备的IP 及端口，不同的物联网设备其使用的端口不同。监控管理设备如 PC 或手机APP 需要与物联网设备通信时，也需要先向公网服务器发起连接，再由公网服务器将数据转发给到透传设备。透传设备根据目标端口投递到指定的物联网设备中，从而彻底实现透明传输。

3、硬件选型

开发透传设备所使用的硬件平台应满足如下需求：

① 集成外设。由于透传设备需要与物联网设备连接，且要具有网络通信功能，因此需要选用集成了I/O、网口等设备的开发板，从而无需从 PCB 制版过程从零开发。

② 应用程序开发简单。透传设备具有端口映射、数据转发、模式选择、来源认证等功能，这些功能用高级语言如C 或Python 开发比较简便，而直接使用ARM 底层代码开发则极其繁琐。

根据上述需求分析，可选用微型电脑如树莓派作为透传设备的开发平台。树莓派是一款基于ARM 的微型电脑主板，以SD/MicroSD 卡为内存硬盘，卡片主板周围有多个USB 接口和一个10/100 以太网接口，可连接键盘、鼠标和网线，同时拥有视频模拟信号的电视输出接口和 HDMI 高清视频输出接口，以上部件全部整合在一张仅比信用卡稍大的主板上，具备所有PC 的基本功能。树莓派可以安装Linux 操作系统，基于 Linux 操作系统再安装开发环境则可以使开发变得简便。同时，树莓派支持40 个 GPIO 接口，能与传感器进行对接。

4、软件开发

树莓派平台的开发使得过程较为简便。协议解析、应用层数据服务等功能需要编程语言或框架来实现。在选型方面除了考虑能实现图 1 的各项功能外，还应当具有跨平台的要求。故本文采用 Python作为跨平台的编程语言，能很好地在树莓派上运行，编程框架可采用 Tornado。Tornado 可开发非阻塞式服务器，其每秒可以处理数以千计的连接，非常适合用于物联网领域的编程。

5、总结

本文针对物联网领域透传设备的开发提出了一种基于树莓派及Python Tornado 的技术路线。经过实践验证，其能很好地用于物联网内外的通信。

参考文献

[1]王京京.基于数据透传的电器物联网研究[J].电器与能效管理技术.2023 （06）

[2]陈婉玲.基于串口 Wi-Fi 透传的智能云养鱼系统设计[J].仪表技术.2025 （02）

作者：张 鑫

本文依托课题：《智慧城市中间件关键技术研究》，校级，课题编号：22XJDXWT05。作者单位：重庆电子科技职业大学