首先，我們來(lái)了解一下什么是“網(wǎng)關(guān)”。網(wǎng)關(guān)從字面意義上來(lái)看，就是網(wǎng)絡(luò)的閘口，好比高速收費(fèi)站，任何數(shù)據(jù)通過(guò)時(shí)，都需要驗(yàn)一下。這個(gè)閘口的功能性也很多樣，比如閘口兩端的內(nèi)容形式是不一樣的，網(wǎng)關(guān)的作用是翻譯器;又或者閘口會(huì)阻攔任何有問(wèn)題的數(shù)據(jù)通過(guò)，那網(wǎng)關(guān)的作用就是過(guò)濾器。
工業(yè)網(wǎng)關(guān)是物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的一種通信設(shè)備。在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)層次架構(gòu)中的位置：感知層終端設(shè)備->網(wǎng)關(guān)->骨干網(wǎng)->運(yùn)用。
能夠提供上行和下行的連接以及提供邊緣計(jì)算的能力。南向下行連接感知層設(shè)備，北向上行連接傳輸通道(上位機(jī)、骨干網(wǎng)、遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)、云平臺(tái)等)。
工業(yè)網(wǎng)關(guān)的基本結(jié)構(gòu)：南向接口北向接口安全管理與協(xié)議轉(zhuǎn)換
北向接口需要接入互聯(lián)網(wǎng)，所以通常的選擇有 RJ45 以太網(wǎng)口、光纖接口、Wi-Fi 和 4G、NB-IoT 等蜂窩網(wǎng)絡(luò)模組等。
南向接口用來(lái)連接物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，除了剛說(shuō)的 BLE、ZigBee、LoRa、Wi-Fi 這些無(wú)線技術(shù)的接口，常見(jiàn)的還有用在工控機(jī)(Industrial
Personal Computer，工業(yè)控制計(jì)算機(jī))上的 RJ45 以太網(wǎng)口、RS232、RS485
等有線接口。這里需要注意的是，每個(gè)網(wǎng)關(guān)設(shè)備的接口類(lèi)型和個(gè)數(shù)不是固定的，因?yàn)榫W(wǎng)關(guān)產(chǎn)品一般會(huì)根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景確定幾個(gè)不同的規(guī)格型號(hào)。
不同型號(hào)的網(wǎng)關(guān)需要支持不同類(lèi)型的協(xié)議，以及不同個(gè)數(shù)協(xié)議的轉(zhuǎn)換，所以網(wǎng)關(guān)的協(xié)議轉(zhuǎn)換功能一般采用插件的軟件架構(gòu)方式。
工業(yè)網(wǎng)關(guān)的基本要求——嚴(yán)苛工業(yè)場(chǎng)景下長(zhǎng)年無(wú)人值守穩(wěn)定運(yùn)行
工業(yè)網(wǎng)關(guān)與傳統(tǒng)的路由器、交換機(jī)工作環(huán)境不同。傳統(tǒng)的路由器、交換機(jī)都在機(jī)房中，開(kāi)著空調(diào)，有專(zhuān)門(mén)的工作人員做維護(hù)。保證工作環(huán)境，如溫度、濕度、空氣質(zhì)量等。而工業(yè)網(wǎng)關(guān)的工作環(huán)境就比較差，它可能在室外、在高溫高壓、甚至在水中工作，環(huán)境比較惡劣。所以物聯(lián)網(wǎng)面臨著眾多挑戰(zhàn)。如：
挑戰(zhàn)1：如何兼容各種本地設(shè)備各種復(fù)雜的通訊方式、接口、通道和協(xié)議?如何在苛刻的環(huán)境下可靠的工作?
挑戰(zhàn)2：如何在建設(shè)中利舊，保護(hù)已有的投資?
挑戰(zhàn)3：如何面對(duì)開(kāi)放IP的安全問(wèn)題?
挑戰(zhàn)4：如何實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的高效部署與運(yùn)維?
眾多的挑戰(zhàn)便促生了工業(yè)工業(yè)網(wǎng)關(guān)。
如何攻克挑戰(zhàn)?
工業(yè)工業(yè)網(wǎng)關(guān)集成了本地多傳輸通訊鏈路方式的集成和協(xié)議轉(zhuǎn)換、通訊路由、數(shù)據(jù)交換、安全防護(hù)、穩(wěn)定運(yùn)行于一體的融合網(wǎng)關(guān)。它提供了工業(yè)級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，如：防震，防水，防電磁干擾等;并且支持多種接口，多種協(xié)議，能夠統(tǒng)一的進(jìn)行協(xié)議的轉(zhuǎn)換，將下行鏈路傳輸過(guò)來(lái)的適用于物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議包裝的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議能識(shí)別的數(shù)據(jù)(IP數(shù)據(jù))，這樣的話就能再上行鏈路上以IP數(shù)據(jù)傳輸;支持邊緣計(jì)算，能夠快速響應(yīng);還能提供全鏈路加密互聯(lián)，有效降低來(lái)自感知層的業(yè)務(wù)風(fēng)險(xiǎn);工業(yè)網(wǎng)關(guān)支持智能運(yùn)維：自助處理故障、遠(yuǎn)程測(cè)試與診斷。
如何兼容各種設(shè)備?需要物模型數(shù)據(jù)抽象傳統(tǒng)的各種接入設(shè)備。什么是物模型?
物模型是物理實(shí)體的數(shù)字化模型，但主要針對(duì)的是物聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用的開(kāi)發(fā)和設(shè)備的互操作。這個(gè)模型如果更進(jìn)一步，集成了物理實(shí)體的各類(lèi)數(shù)據(jù)，那就是物理實(shí)體的忠實(shí)映射。同時(shí)，在物理實(shí)體的整個(gè)生命周期中，它會(huì)和實(shí)體一起進(jìn)化，積累各種信息和知識(shí)，并且促進(jìn)物理實(shí)體的優(yōu)化。這樣的模型就是物理實(shí)體的數(shù)字孿生。設(shè)備影子用于緩存設(shè)備狀態(tài)。應(yīng)用程序可以通過(guò)設(shè)備影子直接獲取設(shè)備最后一次更新的屬性值，而無(wú)需每次都訪問(wèn)設(shè)備。設(shè)備在線時(shí)，可以直接獲取應(yīng)用指令;設(shè)備離線后，再次上線可以主動(dòng)拉取應(yīng)用指令。
如果設(shè)備網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定，很多應(yīng)用程序請(qǐng)求獲取設(shè)備狀態(tài)，設(shè)備需要根據(jù)請(qǐng)求響應(yīng)多次，即使響應(yīng)的結(jié)果是一樣的。但是可能設(shè)備本身處理能力有限，其實(shí)無(wú)法負(fù)載被請(qǐng)求多次的情況。使用設(shè)備影子機(jī)制，設(shè)備只需要主動(dòng)同步狀態(tài)給設(shè)備影子一次，多個(gè)應(yīng)用程序請(qǐng)求設(shè)備影子獲取設(shè)備狀態(tài)，即可獲取設(shè)備最新?tīng)顟B(tài)，做到應(yīng)用程序和設(shè)備的解耦。比如，智能斷路器電燈的開(kāi)關(guān)狀態(tài)這個(gè)屬性，可以遠(yuǎn)程控制，也可以在本地通過(guò)物理開(kāi)關(guān)改變。如果網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定，那么平臺(tái)上存儲(chǔ)的狀態(tài)，和設(shè)備的真實(shí)狀態(tài)可能會(huì)不一致，導(dǎo)致后續(xù)操作邏輯錯(cuò)誤。設(shè)備影子可以通過(guò)雙向的同步，實(shí)現(xiàn)服務(wù)器端和設(shè)備端屬性的一致，從而解決這個(gè)問(wèn)題。
工業(yè)網(wǎng)關(guān)主要功能
管理功能。工業(yè)網(wǎng)關(guān)可以獲取各節(jié)點(diǎn)的屬性和實(shí)時(shí)狀態(tài)信息，并實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)控制、喚醒與睡眠、在線診斷等功能，同時(shí)支持通過(guò)二次編程實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)點(diǎn)的自動(dòng)化管理。
源尋址功能。尋址技術(shù)可確保各個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息被精準(zhǔn)實(shí)時(shí)地定位和查詢(xún)，以滿(mǎn)足跨域通信的需求。由于節(jié)點(diǎn)地址結(jié)構(gòu)與DNS的域名結(jié)構(gòu)不同，因此需要開(kāi)發(fā)新的源尋址技術(shù)。
協(xié)議轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)化功能。為了實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交互，需要由網(wǎng)關(guān)充當(dāng)協(xié)議轉(zhuǎn)換的角色，將上傳的標(biāo)準(zhǔn)格式數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一封裝，將下發(fā)的數(shù)據(jù)解包成標(biāo)準(zhǔn)格式數(shù)據(jù)，使得指令可被識(shí)別。
工業(yè)網(wǎng)關(guān)通?；诠た赜?jì)算機(jī)設(shè)計(jì)，以滿(mǎn)足對(duì)性能和應(yīng)用的需求，并對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的資源進(jìn)行管理。在工業(yè)應(yīng)用中受實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性、環(huán)境與成本限制，工業(yè)網(wǎng)關(guān)常以無(wú)線廣域網(wǎng)(WWAN)和本地現(xiàn)場(chǎng)總線的結(jié)合為主，以適應(yīng)各種復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境?，F(xiàn)階段較為成熟的無(wú)線廣域網(wǎng)通信技術(shù)有GPRS技術(shù)、4G技術(shù)和衛(wèi)星通信技術(shù)，而應(yīng)用廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)有CAN、PROFIBUS、LONWORKS、HART、MODBUS等。
數(shù)據(jù)傳輸可以在主動(dòng)或被動(dòng)的工作機(jī)制下運(yùn)行。處于主動(dòng)工作模式時(shí)，只有在被控?cái)?shù)據(jù)產(chǎn)生變化，或設(shè)置定時(shí)任務(wù)時(shí)才會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)傳輸，其優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)化了終端采集功能，并降低了運(yùn)行功耗;處于被動(dòng)工作模式時(shí)，只有在收到主動(dòng)發(fā)出的查詢(xún)指令時(shí)才會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)傳輸，給予了監(jiān)控中心權(quán)限，但功耗升高，傳輸效率降低。工業(yè)網(wǎng)關(guān)采用混合式數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，使用應(yīng)答機(jī)制偵聽(tīng)雙向數(shù)據(jù)，使用主動(dòng)機(jī)制多閾值定時(shí)采集傳輸數(shù)據(jù)，從而兼顧了主動(dòng)式和應(yīng)答式的優(yōu)點(diǎn)，在功耗與傳輸效率間取得了平衡。
工業(yè)網(wǎng)關(guān)是否需要支持邊緣計(jì)算?
在進(jìn)行萬(wàn)物互聯(lián)的時(shí)代，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的增多，導(dǎo)致了許多數(shù)據(jù)需要傳輸?shù)皆贫诉M(jìn)行分析，這也就對(duì)云端以及傳輸?shù)膸拵Я嗽S多的壓力，而且在傳輸?shù)倪^(guò)程中，還會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)泄露的危險(xiǎn)。將數(shù)據(jù)在邊緣端進(jìn)行計(jì)算，減少云端處理數(shù)據(jù)的壓力，同時(shí)避免了數(shù)據(jù)泄露的危險(xiǎn)。既滿(mǎn)足行業(yè)數(shù)字化在敏捷連接、實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)優(yōu)化、應(yīng)用智能的需求也可以同時(shí)滿(mǎn)足安全與隱私保護(hù)等方面的關(guān)鍵需求。
物聯(lián)網(wǎng)從底層終端設(shè)備收集信息，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)(如：ZigBee、RF、Wi-Fi、REthernet、RS-485、PLC等)接入網(wǎng)關(guān)再通過(guò)通信技術(shù)(3G、4G、Ethernet、LTE、xDSL等)接入網(wǎng)絡(luò)，將信息傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)平臺(tái)(服務(wù)器)，如果在平臺(tái)做了規(guī)則策略則直接在平臺(tái)處下發(fā)一條命令，通過(guò)傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到網(wǎng)關(guān)再尋找到相應(yīng)的設(shè)備將命令下發(fā)給設(shè)備，設(shè)備執(zhí)行命令;如果沒(méi)做規(guī)則策略，應(yīng)用對(duì)接平臺(tái)，則在應(yīng)用端(手機(jī)APP)可以進(jìn)行操作，將操作命令下發(fā)到平臺(tái)，同樣的原理，下發(fā)到物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備，執(zhí)行命令。
如果網(wǎng)關(guān)到平臺(tái)中間的傳統(tǒng)網(wǎng)得不到保證的話，比如發(fā)生擁塞，高時(shí)延，數(shù)據(jù)就無(wú)法傳輸?shù)狡脚_(tái)，就無(wú)法保證業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)性。所以就在網(wǎng)關(guān)處提供計(jì)算能力，也就是邊緣計(jì)算。
邊緣計(jì)算是靠近終端設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)邊緣節(jié)點(diǎn)上，利用本地閑置資源進(jìn)行計(jì)算，提供連接、計(jì)算、存儲(chǔ)、控制與應(yīng)用功能。滿(mǎn)足用戶(hù)實(shí)時(shí)、智能、安全和數(shù)據(jù)聚合等需求。
邊緣計(jì)算的核心價(jià)值?
支持實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)
支持邊緣智能分析處理
支持邊緣智能分析處理
數(shù)據(jù)聚合、私有的安全域。
工業(yè)工業(yè)網(wǎng)關(guān)適用的范圍很廣。如：充電樁、電力抄表、路燈、公交車(chē)、園區(qū)物聯(lián)網(wǎng)等。提供低功耗、智能邊緣計(jì)算、實(shí)時(shí)處理業(yè)務(wù)等功能。
物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)
物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)主要包含四大組件：
設(shè)備接入：可以在智能設(shè)備與云端之間建立安全的雙向連接;
設(shè)備管理：服務(wù)有生命周期、設(shè)備分組、設(shè)備影子、物模型、數(shù)據(jù)解析、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、在線調(diào)試、固件升級(jí)、遠(yuǎn)程配置、實(shí)時(shí)監(jiān)控等;
規(guī)則引擎：規(guī)則引擎通過(guò)創(chuàng)建、配置規(guī)則，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)和場(chǎng)景聯(lián)動(dòng)。主要作用是把物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)數(shù)據(jù)通過(guò)過(guò)濾轉(zhuǎn)發(fā)到其他云計(jì)算產(chǎn)品上;
安全認(rèn)證及權(quán)限管理
1、實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備遠(yuǎn)程控制;
2、實(shí)現(xiàn)設(shè)備固件遠(yuǎn)程升級(jí)，程序上下載，可靈活接入各種設(shè)備管理平臺(tái);
3、實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)觸摸屏遠(yuǎn)程控制和組態(tài)畫(huà)面遠(yuǎn)程映射;
4、可同時(shí)與多臺(tái)PLC或觸摸屏遠(yuǎn)程通訊;
5、實(shí)現(xiàn)西門(mén)子、三菱、歐姆龍、施耐德、臺(tái)達(dá)、匯川、和利時(shí)、松下、永宏、海為和 MODBUS 系列等PLC等主流協(xié)議硬件解析;
6、 實(shí)現(xiàn)PLC遠(yuǎn)程監(jiān)控，PLC遠(yuǎn)程編程，PLC遠(yuǎn)程調(diào)試，PLC遠(yuǎn)程上下載，PLC遠(yuǎn)程控制，PLC數(shù)據(jù)采集，PLC遠(yuǎn)程通訊;
目前市場(chǎng)上設(shè)備接入硬件種類(lèi)繁多，常見(jiàn)的有數(shù)采網(wǎng)關(guān)、工業(yè)AP、工業(yè)DTU、工業(yè)網(wǎng)關(guān)，還有邊緣計(jì)算盒子和工業(yè)路由器等：
物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)，也叫工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)、無(wú)線數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)、通訊采集網(wǎng)關(guān)，無(wú)線網(wǎng)關(guān)，工業(yè)通訊網(wǎng)關(guān)，工業(yè)以太網(wǎng)串口智能網(wǎng)關(guān)，RS485串口Modbus智能網(wǎng)關(guān)，屬于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品。具有高度集成化的特點(diǎn)，集數(shù)據(jù)接收、協(xié)議轉(zhuǎn)換、無(wú)線通訊傳輸?shù)裙δ?，支持多種通訊協(xié)議和通訊方式，可采用4G，5G，wifi及以太網(wǎng)等多種通訊方式。
1.工業(yè)AP
基于各類(lèi)無(wú)線連接(WIFI，藍(lán)牙，LoRa)方式，實(shí)現(xiàn)與設(shè)備的連接與內(nèi)部矩陣式組網(wǎng)，通過(guò)上位連接設(shè)備(網(wǎng)關(guān)，工控機(jī))實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。
2.工業(yè)DTU數(shù)據(jù)透?jìng)骶W(wǎng)關(guān)、數(shù)據(jù)傳輸單元
基于各類(lèi)無(wú)線連接(WIFI，藍(lán)牙，LoRa等)方式，實(shí)現(xiàn)單臺(tái)設(shè)備數(shù)據(jù)的透明傳輸，利用串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)的方式，將設(shè)備上的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)(就地監(jiān)控系統(tǒng)、主機(jī))或云端(遠(yuǎn)動(dòng)站、物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)、設(shè)備管理云平臺(tái))。由上位機(jī)或云端按照設(shè)備約定的數(shù)據(jù)協(xié)議解析。
3.工業(yè)網(wǎng)關(guān)
除了設(shè)備連接與網(wǎng)絡(luò)傳輸之外，網(wǎng)關(guān)內(nèi)置了協(xié)議棧，可以實(shí)現(xiàn)協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換，可在本地運(yùn)行聯(lián)動(dòng)腳本實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的控制，設(shè)置數(shù)據(jù)傳輸策略與邏輯判斷，作為智能機(jī)可安裝操作系統(tǒng)并搭配對(duì)應(yīng)的外部/本地配置界面。
4.邊緣計(jì)算工業(yè)網(wǎng)關(guān)
在傳統(tǒng)工業(yè)網(wǎng)關(guān)的各類(lèi)功能(多設(shè)備連接、數(shù)據(jù)采集、協(xié)議轉(zhuǎn)換、腳本執(zhí)行等)以外，作為上位機(jī)可以接受來(lái)自工業(yè)AP/工業(yè)DTU/網(wǎng)關(guān)等下位設(shè)備的數(shù)據(jù)，通過(guò)設(shè)備本身的存儲(chǔ)空間進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，選擇應(yīng)用數(shù)據(jù)上傳云端，并利用設(shè)備自身芯片進(jìn)行一些腳本與APP需求的本地運(yùn)算與執(zhí)行。
同時(shí)，作為扎根生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)，具有輕量化、高性能、低功耗、接入方便等特點(diǎn)，可以在本地對(duì)海量設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析，提高運(yùn)算效率，還能夠作為工業(yè)互聯(lián)和工業(yè)APP的載體，縮短工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)上各類(lèi)業(yè)務(wù)操作響應(yīng)時(shí)間，節(jié)約企業(yè)成本，性?xún)r(jià)比很高。
5.工業(yè)路由器
實(shí)現(xiàn)企業(yè)車(chē)間內(nèi)不同無(wú)線模式(WIFI.藍(lán)牙.以太網(wǎng))接入設(shè)備的連接，并通過(guò)4G/5G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫朔?wù)器。
通俗來(lái)說(shuō)，工業(yè)AP和工業(yè)DTU差不多，都是你給我什么，我就上傳什么，不過(guò)我要是上不了網(wǎng)，工業(yè)DTU也能幫我把數(shù)據(jù)帶上去。
工業(yè)網(wǎng)關(guān)能存點(diǎn)數(shù)據(jù)，也能上傳點(diǎn)有用的數(shù)據(jù)，還能順便控制下設(shè)備。
邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)，顧名思義，能進(jìn)行計(jì)算，還能運(yùn)行程序，只把需要的數(shù)據(jù)帶在身邊。
工業(yè)路由器就是數(shù)據(jù)傳輸，能保證車(chē)間現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下的設(shè)備連接，想盡辦法把數(shù)據(jù)傳出去。
除了以上介紹的常見(jiàn)設(shè)備接入硬件之外，還有PLC物聯(lián)網(wǎng)模塊和工控機(jī)。
6.PLC物聯(lián)網(wǎng)模塊
負(fù)責(zé)上傳PLC的數(shù)據(jù)，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)模塊借助各類(lèi)無(wú)線傳輸方式，將PLC本體與其他模塊的數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)或云端，同時(shí)借助PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的控制。
7.工控機(jī)
是邊緣計(jì)算盒子的可替換版本，可外接顯示器進(jìn)行使用，基本功能與網(wǎng)絡(luò)傳輸方式與邊緣計(jì)算盒子相同，同樣具有數(shù)據(jù)接收/數(shù)據(jù)存儲(chǔ)/數(shù)據(jù)上傳與本地計(jì)算和執(zhí)行相應(yīng)程序的功能，部分工控機(jī)為帶觸摸屏的一體機(jī)，在功能上較為強(qiáng)大，網(wǎng)關(guān)和邊緣計(jì)算盒子能干的它都能做到。
邊導(dǎo)航小人-20241112090825.png)
