工业物联网网关

工业物联网
工业系统与高级计算、分析、传感技术及互联网的高度融合。

简单的说就是将机器、人连接。

工业物联网充分融合传感器、计算机网络、大数据分析处理等现代化技术，以低成本、低投资及高度适用性等优势，实现对工业生产流程的“泛在感知”，以更便捷、更高效的方式获取传统工业生产线上难以获取的重要过程参数，优化生产管理，提高生产效率。

●工业物联网的体系架构：
典型的物联网系统架构共有3个层次。

一是感知层，即利用RFID、传感器、二维码等随时随地获取物体的信息；二是网络层，通过电信网络与互联网的融合，将物体的信息实时准确地传递出去；三是应用层，把感知层得到的信息进行处理，实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理等实际应用。

●工业物联网关键技术：
无线网关
无线网关广义上理解为一个网络连接到另一个网络的接口，具体是指集成有简单路由功能的无线AP，即无线网关通过不同设置可完成无线网桥和无线路由器的功能，也可以直接连接外部网络（如WAN），同时实现AP功能。

一种无线网关功能分析：
(1)无线网络管理
由网关来启动一个新的无线网络，允许其他无线节点设备加入形成的网络：进行无线网络信息的维护，管理无线节点的网络加入及离开；与无线节点进行数据通信。

(2)协议转换
网关的功能主要体现在Zigbee无线通信协议与以太网通信协议的转换。

将无线节点的信息转化为以太网通信数据传送给上层服务器设备；将服务器下达给无线节点的控制信息通过网关传送给指定节点。

(3)支持Web访问
网关支持在没有上层服务器的情况下使用浏览器对节点进行在线访问和监控，平台兼容性强，便于实时数据分析和故障诊断。

物联网（The Internet of things）
是新一代信息技术的重要组成部分，可以看做是互联网的升级与扩展，根据国际电信联盟（ITU）的定义，物联网主要解决物品与物品（Thing to Thing，T2T），人与物品（Human to Thing，H2T），人与人（Human to Human，H2H）之间的互连。

通过以互联网为基础延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信。

简言之物联网就是“物物相连的互联网”。

物联网架构可分为三层：感知层、网络层和应用层，其中连接感知层和网络层的关键技术即物联网网关。

在物联网时代中，物联网网关将会是至关重要的环节。

无线网格网络
工业互联网、物联网、传统互联网、移动互联网、大数据之间的关系：
TSMP时间同步网格协议
物联网网关设计
物联网网关功能：
（1）广泛的接入能力
目前用于近程通信的技术标准很多，仅常见的WSN技术就包括Lonworks、ZigBee、6LowPAN、RUBEE 等。

各类技术主要针对某一应用展开，缺乏兼容性和体系规划，如Lonworks主要应用于楼宇自动化，RUBEE适用于恶意环境。

如何实现协议的兼容性、接口和体系规划，目前在国内外已经有多个组织在开展物联网网关的标准化工作，如3GPP、传感器工作组，以实现各种通信技术标准的互联互通。

（2）协议转换能力
从不同的感知网络到接入网络的协议转换，将下层的标准格式的数据统一封装，保证不同的感知网络的协议能够变成统一的数据和信令；将上层下发的数据包解析成感知层协议可以识别的信令和控制指令。

（3）可管理能力
强大的管理能力，对于任何大型网络都是必不可少的。

首先要对网关进行管理，如注册管理、权限管理、状态监管等。

网关实现子网内节点的管理，如获取节点的标识、状态、属性、能量等以及远程唤醒、控制、诊断、升级和维护等。

由于子网的技术标准不同，协议的复杂性不同，所以网关具有的管理能力不同。

本文提出基于模块化物联网网关方式来管理不同的感知网络、不同的应用，保证能够使用统一的管理接口技术对末梢网络节点进行统一管理。

层次结构：
1）业务服务层
业务服务层由消息接收模块和消息发送模块组成。

消息接收模块负责接收来自物联网业务运营管理系统的标准消息，将消息传递给标准消息构成层。

消息发送模块负责向业务运营管理系统可靠地传送感知延伸网络所采集的数据信息。

该层接收与发送的消息必须符合标准的消息格式。

（2）标准消息构成层
标准消息构成层由消息解析模块和消息转换模块组成。

消息解析模块解析来自业务服务层的标准消息，调用消息转换模块将标准消息转换为底层感知延伸设备能够理解的依赖于具体设备通信协议的数据格式。

当感知延伸层上传数据时，该层的消息解析模块则解析依赖于具体设备通信协议的消息，调用消息转换模块将其转换为业务服务层能够接收的标准格式的消息。

消息构成层是物联网网关的核心，完成对标准消息以及依赖于特定感知延伸网络的消息的解析，并实现两者之间的相互转换，达到统一控制和管理底层感知延伸网络，向上屏蔽底层网络通信协议异构性的目的。

（3）协议适配层
协议适配层保证不同的感知延伸层协议能够通过此层变成格式统一的数据和控制信令。

（4）感知延伸层
此层面向底层感知延伸设备，包含消息发送与消息接收两个子模块。

消息发送模块负责将经过消
息构成层转换后的可被特定感知延伸设备理解的消息发送给底层设备。

消息接收模块则接收来自底层设备的消息，发送至标准消息构成层进行解析。

感知延伸网络由感知设备组成，包括射RFID、GPS、视频监控系统、各类型传感器等。

感知延伸设备之间支持多种通信协议，可以组成Lonworks和Zigbee以及其他多种感知延伸网络。

信息交互流程
（1）最终用户产生符合标准数据格式的消息，并将其发送至网关业务服务层的消息接收模块。

（2）业务服务层消息接收模块将标准消息发送至标准消息构成层的消息解析模块。

（3）消息解析模块调用相应的消息转换功能，将标准信息转换为依赖于具体设备通信协议的消息。

（4）消息解析模块将转换为依赖于具体设备通信协议的消息传送至感知延伸服务层的消息发送模块。

（5）感知延伸服务层的消息发送模块选择合适的传输方式，将依赖设备通信协议的特定消息发送至具体的底层设备。

（6）底层设备根据特定消息执行信息采集操作，并将结果返回给网关感知延伸服务层的消息接收模块。

（7）网关的感知延伸服务层的消息接收模块将依赖设备通信协议的特定消息传送至标准消息构成层的消息解析模块。

（8）消息解析模块调用信息转换模块，将依赖于设备通信协议的特定消息转换为标准消息。

从图3可以看出，物联网网关解决了物联网网络内不同设备无法统一控制和管理的问题，达到屏蔽底层通信差异的目的，并使得最终用户无需知道底层设备的具体通信细节，实现对不同感知延伸层设备的统一访问。

关键技术
物联网网关系统设计中解决了以下几个关键技术。

软件交互协议的统一：物联网网关系统的设计思路是以模块化的方式实现软硬件的各个部分，使得模块之间的替换非常容易，以实现不同的感知延伸网络和接入网络互联，屏蔽底层通信差异。

其中硬件模块采用UART总线形式进行连接，软件则采用模块化可加载的方式运行，并将共同部分抽象成公共模块。

因此，支持新的数据汇聚模块和接入模块则只需要开发相应的硬件模块和驱动程序即可。

另外，添加统一的协议适配层（如图6所示），将应用数据统一提取出来，按照TLV（type，length，value）的方式进行组织，然后封装数据包。

使得在接入网络中传输的都是标准的IP数据包，其中封装了TLV格式的采集数据。

统一地址转换：不同的数据采集网络使用不同的编址方式，如ZigBee中有16位短地址，6LowPan 中有64位地址。

在应用中只需要能定位到具体的节点即可，不需要关心节点是采用IP地址还是16位短地址，也不关心节点间的组网是采用ZigBee还是6LowPan或者其他方式。

将这些地址转换为统一的表示方式，有利于应用的开发，因此在网关中实现一种地址映射机制，将IP或者16位短地址映射为统一的ID，在与应用交互过程中只需要关注这个ID即可。

具体的映射方式可以采用从1累加的方式，当网关接收到第一个节点数据时，将该节点的地址映射为1，后续的依次加1，将这个映射表保存在网关中。

同时还采用老化机制，在一定时间内没有收到该节点的数据时，将此条映射关系删除。

采集模块数据接口的统一：采集模块与网关之间定义AT指令集，节点通过ZigBee协议组网。

在与网关的接口之间只关注一些对采集模块的控制指令和数据交互指令，不关注具体的组网协议，实现组网协议无关性。

数据映射关系管理：如何管理网关连接的两种或多种系统中的设备在通信数据中的映射关系，即通常意义上的寻址，是很重要的步骤。

而这一部分针对网关所连接的不同，总线设备也有很大区别。

本网关对所有可能下挂的模块的输入输出数据格式进行分析，然后分别定义了各个模块对应的通信接
口配置字。