物联网平台层的主要功能(物联网网关的主要功能)

 

工业互联网越来越火爆，正在加速中国新型工业化、推进智能制造的发展进程。工业互联网的第一步，是通过工业网关，实现广泛的设备接入。那么，设备如何接入，市面上的设备接入方式有哪些，工业网关与工业AP、DTU这些传统关口又有什么区别呢？

首先，我们来了解一下什么是网关。网关从字面意义上来看，就是网络的闸口，好比高速收费站，任何数据通过时，都需要验一下。这个闸口的功能性也很多样，比如闸口两端的内容形式是不一样的，网关的作用是翻译器；又或者闸口会阻拦任何有问题的数据通过，那网关的作用就是过滤器。

什么是物联网网关？

物联网网关是物联网领域的一种通信设备。在物联网系统层次架构中的位置：感知层终端设备->网关->骨干网->运用。

能够提供上行和下行的连接以及提供边缘计算的能力。南向下行连接感知层设备，北向上行连接传输通道（上位机、骨干网、远动机、云平台等）。

物联网网关的基本结构：南向接口北向接口安全管理与协议转换

北向接口需要接入互联网，所以通常的选择有 RJ45 以太网口、光纤接口、Wi-Fi 和 4G、NB-IoT 等蜂窝网络模组等。

南向接口用来连接物联网设备，除了刚说的 BLE、ZigBee、LoRa、Wi-Fi 这些无线技术的接口，常见的还有用在工控机（Industrial Personal Computer，工业控制计算机）上的 RJ45 以太网口、RS232、RS485 等有线接口。这里需要注意的是，每个网关设备的接口类型和个数不是固定的，因为网关产品一般会根据应用场景确定几个不同的规格型号。

不同型号的网关需要支持不同类型的协议，以及不同个数协议的转换，所以网关的协议转换功能一般采用插件的软件架构方式。

物联网网关的基本要求——严苛工业场景下长年无人值守稳定运行

物联网网关与传统的路由器、交换机工作环境不同。传统的路由器、交换机都在机房中，开着空调，有专门的工作人员做维护，。保证工作环境，如温度、湿度、空气质量等。而物联网网关的工作环境就比较差，它可能在室外、在高温高压、甚至在水中工作，环境比较恶劣。所以物联网面临着众多挑战。如：

挑战1：如何兼容各种本地设备各种复杂的通讯方式、接口、通道和协议？如何在苛刻的环境下可靠的工作？

挑战2：如何在建设中利旧，保护已有的投资？

挑战3：如何面对开放IP的安全问题？

挑战4：如何实现物联网的高效部署与运维？

众多的挑战便促生了工业物联网网关。

如何攻克挑战？

工业物联网网关集成了本地多传输通讯链路方式的集成和协议转换、通讯路由、数据交换、安全防护、稳定运行于一体的融合网关。它提供了工业级的标准设计，如：防震，防水，防电磁干扰等；并且支持多种接口，多种协议，能够统一的进行协议的转换，将下行链路传输过来的适用于物联网通信协议包装的数据转化成传统网络通信协议能识别的数据（IP数据），这样的话就能再上行链路上以IP数据传输；支持边缘计算，能够快速响应；还能提供全链路加密互联，有效降低来自感知层的业务风险；物联网网关支持智能运维：自助处理故障、远程测试与诊断。

如何兼容各种设备？需要物模型数据抽象传统的各种接入设备。什么是物模型？

物模型是物理实体的数字化模型，但主要针对的是物联网中应用的开发和设备的互操作。这个模型如果更进一步，集成了物理实体的各类数据，那就是物理实体的忠实映射。同时，在物理实体的整个生命周期中，它会和实体一起进化，积累各种信息和知识，并且促进物理实体的优化。这样的模型就是物理实体的数字孪生。设备影子用于缓存设备状态。应用程序可以通过设备影子直接获取设备最后一次更新的属性值，而无需每次都访问设备。设备在线时，可以直接获取应用指令；设备离线后，再次上线可以主动拉取应用指令。

如果设备网络稳定，很多应用程序请求获取设备状态，设备需要根据请求响应多次，即使响应的结果是一样的。但是可能设备本身处理能力有限，其实无法负载被请求多次的情况。使用设备影子机制，设备只需要主动同步状态给设备影子一次，多个应用程序请求设备影子获取设备状态，即可获取设备最新状态，做到应用程序和设备的解耦。比如，智能断路器电灯的开关状态这个属性，可以远程控制，也可以在本地通过物理开关改变。如果网络不稳定，那么平台上存储的状态，和设备的真实状态可能会不一致，导致后续操作逻辑错误。设备影子可以通过双向的同步，实现服务器端和设备端属性的一致，从而解决这个问题。

物联网网关主要功能

管理功能。物联网网关可以获取各节点的属性和实时状态信息，并实现对节点的状态控制、唤醒与睡眠、在线诊断等功能，同时支持通过二次编程实现对节点的自动化管理。

源寻址功能。寻址技术可确保各个节点的信息被精准实时地定位和查询，以满足跨域通信的需求。由于节点地址结构与DNS的域名结构不同，因此需要开发新的源寻址技术。

协议转换与数据格式标准化功能。为了实现无线传感网络与传统通信网络的数据交互，需要由网关充当协议转换的角色，将上传的标准格式数据进行统一封装，将下发的数据解包成标准格式数据，使得指令可被识别。

物联网网关通常基于工控计算机设计，以满足对性能和应用的需求，并对整个系统的资源进行管理。在工业应用中受实时性、稳定性、环境与成本限制，物联网网关常以无线广域网（WWAN）和本地现场总线的结合为主，以适应各种复杂的工业环境。现阶段较为成熟的无线广域网通信技术有GPRS技术、4G技术和卫星通信技术，而应用广泛的现场总线技术有CAN、PROFIBUS、LONWORKS、HART、MODBUS等。

数据传输可以在主动或被动的工作机制下运行。处于主动工作模式时，只有在被控数据产生变化，或设置定时任务时才会产生数据传输，其优点是简化了终端采集功能，并降低了运行功耗；处于被动工作模式时，只有在收到主动发出的查询指令时才会产生数据传输，给予了监控中心权限，但功耗升高，传输效率降低。物联网网关采用混合式数据传输机制，使用应答机制侦听双向数据，使用主动机制多阈值定时采集传输数据，从而兼顾了主动式和应答式的优点，在功耗与传输效率间取得了平衡。

物联网网关是否需要支持边缘计算？

在进行万物互联的时代，物联网设备的增多，导致了许多数据需要传输到云端进行分析，这也就对云端以及传输的带宽带了许多的压力，而且在传输的过程中，还会产生数据泄露的危险。将数据在边缘端进行计算，减少云端处理数据的压力，同时避免了数据泄露的危险。既满足行业数字化在敏捷连接、实时业务、数据优化、应用智能的需求也可以同时满足安全与隐私保护等方面的关键需求。

物联网从底层终端设备收集信息，通过物联网通信技术（如：ZigBee、RF、Wi-Fi、REthernet、RS-485、PLC等）接入网关再通过通信技术（3G、4G、Ethernet、LTE、xDSL等）接入网络，将信息传输到物联网平台（服务器），如果在平台做了规则策略则直接在平台处下发一条命令，通过传统的网络发送到网关再寻找到相应的设备将命令下发给设备，设备执行命令；如果没做规则策略，应用对接平台，则在应用端（手机APP）可以进行操作，将操作命令下发到平台，同样的原理，下发到物联网终端设备，执行命令。

如果网关到平台中间的传统网得不到保证的话，比如发生拥塞，高时延，数据就无法传输到平台，就无法保证业务实时性。所以就在网关处提供计算能力，也就是边缘计算。

边缘计算是靠近终端设备的网络边缘节点上，利用本地闲置资源进行计算，提供连接、计算、存储、控制与应用功能。满足用户实时、智能、安全和数据聚合等需求。

边缘计算的核心价值？

支持实时性业务

支持边缘智能分析处理

支持边缘智能分析处理

数据聚合、私有的安全域。

互联网小常识：IP规划的几种情况。IP地址划分（根据需求计算并申请网络地址）：根据需要子网数确定网络号位数根据主机数确定主机号位数，由这两项选择使用哪一类IP地址，并计算出子网掩码，然后计算网络地址、广播地址、主机地址。最终要体现出的是网络地址-主机地址-定向广播地址。

工业物联网网关适用的范围很广。如：充电桩、电力抄表、路灯、公交车、园区物联网等。提供低功耗、智能边缘计算、实时处理业务等功能。

物联网云平台系统架构

物联网云平台主要包含四大组件：

设备接入：可以在智能设备与云端之间建立安全的双向连接；

设备管理：服务有生命周期、设备分组、设备影子、物模型、数据解析、数据存储、在线调试、固件升级、远程配置、实时监控等；

规则引擎：规则引擎通过创建、配置规则，以实现数据流转和场景联动。主要作用是把物联网平台数据通过过滤转发到其他云计算产品上；

安全认证及权限管理

互联网小常识：SNMP优点：简单，易于实现、支持广泛、操作原于简捷、性能高。缺点：SNMP建立在无连接的传输协议之上，另外它是非面向对象的，不支持分布式管理。

1、实现工业现场设备远程控制；

2、实现设备固件远程升级，程序上下载，可灵活接入各种设备管理平台；

3、实现工业现场触摸屏远程控制和组态画面远程映射；

4、可同时与多台PLC或触摸屏远程通讯；

5、实现西门子、三菱、欧姆龙、施耐德、台达、汇川、和利时、松下、永宏、海为和 MODBUS 系列等PLC等主流协议硬件解析；

6、 实现PLC远程监控，PLC远程编程，PLC远程调试，PLC远程上下载，PLC远程控制，PLC数据采集，PLC远程通讯；

目前市场上设备接入硬件种类繁多，常见的有数采网关、工业AP、工业DTU、工业网关，还有边缘计算盒子和工业路由器等：

物联网数据采集网关，也叫工业物联网智能网关、无线数据采集网关、通讯采集网关，无线网关，工业通讯网关，工业以太网串口智能网关，RS485串口Modbus智能网关，属于无线传感器网络产品。具有高度集成化的特点，集数据接收、协议转换、无线通讯传输等功能，支持多种通讯协议和通讯方式，可采用4G，5G，wifi及以太网等多种通讯方式。

1.工业AP

基于各类无线连接（WIFI，蓝牙，LoRa）方式，实现与设备的连接与内部矩阵式组网，通过上位连接设备（网关，工控机）实现数据的传输。

2.工业DTU数据透传网关、数据传输单元

基于各类无线连接（WIFI，蓝牙，LoRa等）方式，实现单台设备数据的透明传输，利用串口转以太网的方式，将设备上的数据传输到上位机（就地监控系统、主机）或云端（远动站、物联网云平台、设备管理云平台）。由上位机或云端按照设备约定的数据协议解析。

3.工业网关

除了设备连接与网络传输之外，网关内置了协议栈，可以实现协议之间的转换，可在本地运行联动脚本实现对设备的控制，设置数据传输策略与逻辑判断，作为智能机可安装操作系统并搭配对应的外部/本地配置界面。

4.边缘计算物联网网关

在传统工业网关的各类功能（多设备连接、数据采集、协议转换、脚本执行等）以外，作为上位机可以接受来自工业AP/工业DTU/网关等下位设备的数据，通过设备本身的存储空间进行数据存储，选择应用数据上传云端，并利用设备自身芯片进行一些脚本与APP需求的本地运算与执行。

同时，作为扎根生产现场的边缘计算节点，具有轻量化、高性能、低功耗、接入方便等特点，可以在本地对海量设备数据进行处理与分析，提高运算效率，还能够作为工业互联和工业APP的载体，缩短工业互联网平台上各类业务操作响应时间，节约企业成本，性价比很高。

5.工业路由器

实现企业车间内不同无线模式（WIFI.蓝牙.以太网）接入设备的连接，并通过4G/5G网络将数据传输到云端服务器。

通俗来说，工业AP和工业DTU差不多，都是你给我什么，我就上传什么，不过我要是上不了网，工业DTU也能帮我把数据带上去。

工业网关能存点数据，也能上传点有用的数据，还能顺便控制下设备。

边缘计算网关，顾名思义，能进行计算，还能运行程序，只把需要的数据带在身边。

工业路由器就是数据传输，能保证车间现场环境下的设备连接，想尽办法把数据传出去。

除了以上介绍的常见设备接入硬件之外，还有PLC物联网模块和工控机。

6.PLC物联网模块

负责上传PLC的数据，通过物联网模块借助各类无线传输方式，将PLC本体与其他模块的数据上传到上位机或云端，同时借助PLC实现对设备的控制。

7.工控机

是边缘计算盒子的可替换版本，可外接显示器进行使用，基本功能与网络传输方式与边缘计算盒子相同，同样具有数据接收/数据存储/数据上传与本地计算和执行相应程序的功能，部分工控机为带触摸屏的一体机，在功能上较为强大，网关和边缘计算盒子能干的它都能做到。

互联网小常识：STP的配置任务包括：打开或关闭交换机的STP，设置STP的根网桥和备份网桥，配置生成树优先级、配置路径代价和配置STP可选功能等。

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