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物联网网关科普文,搞懂它你才能真的搞懂物联网

[日期:2018-01-09] 来源:与非网  作者: [字体: ]

  在Internet中,网关是一种连接内部网与Internet上其它网的中间设备,也称“路由器”,而在物联网的体系架构中,在感知层和网络层两个不同的网络之间需要一个中间设备,那就是“物联网网关”。

  物联网架构

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  1什么是物联网网关?

  网关就是为了不同协议之间转换难而诞生的一个产品,对内负责整个智能家居系统不同设备的协议转换,对外通过以太网或者WiFi进入互联网实现远程通信。

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  相比于互联网时代,物联网的通信协议更加多样,物的碎片化非常严重,网关的重要性也就由此凸显——物联网网关能够把不同的物收集到的信息整合起来,并且把它传输到下一层次,因而信息才能在各部分之间相互传输。物联网网关可以实现感知网络与通信网络,以及不同类型感知网络之间的协议转换;既可以实现广域互联,也可以实现局域互联。

  比如电视机、洗衣机、空调、冰箱等家电设备;门禁、烟雾探测器、摄像头等安防设备;台灯、吊灯、电动窗帘等采光照明设备等,通过集成特定的通信模块,分别构成各自的自组网子系统。而在家庭物联网网关设备内部,集成了几套常用自组网通信协议,能够同时与使用不同协议的设备或子系统进行通信。用户只需对网关进行操作。便可以控制家里所有连接到网关的智能设备。

  网关在系统里面起着很重要的核心作用,网关有哪几种形态呢?

  我们这里也简单说说:

  无线转无线:WiFi转433MHz、红外、ZigBee(家庭常见)

  GPRS(2G、3G、4G)转433MHz、红外、ZigBee(工业常见)

  无线转有线:WiFi转RS485、RS232、CAN(工业居多)

  有线转无线:以太网转433MHz、红外、ZigBee(家庭常见)

  有线转有线:以太网转RS485、RS232、CAN(工业居多)

  2物联网网关的历史

  设备数据的采集、传输、监测是整个流程的关键步骤,在市场需求不断更新以及技术提升中,物联网智能网关就此出现,要更好地了解它的价值和出现的契机,要从设备机器数据的采集、传输、监测过程发展历程说起。

  在发展早期,数据采集的意识才刚刚出现的时候,由于传感器的匮乏加上传输技术的落后,大多都是依靠人工进行数据计量。人工计量的弊端不言而喻,耗时耗力并且能够检测的范围是非常狭窄的,所以人工计量的方式很快就被淘汰。

  1、初期的本地监测,数据采集的首次尝试

  真正意义上的数据监测应该从本地监测开始。通过有线网络将设备总控和 PLC 或者 HMI 连接起来,进行本地的人机交互和信息交换,设备上的数据直接显示在 PC 或者 HMI 上面。

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  而PC需要近距离地安装在设备旁,同时需要人员一天 24 小时的监控以及反馈。此时,人工的力量还是占了主导地位,本地监测的实际意义不大,只是停留在简单的数据统计工作上。

  2、以太网出现,延伸物理传输距离

  由于本地监测局限性太大,人们开始把以太网等有线宽带技术运用在数据采集、传输上,数据的传输在范围上有了一定的延伸。当设备节点接入传感器,通过一定的转换到达以太网,再到达终端显示。就传输范围而言,在原有范围基础上是有了一定的拓展。

  但是中间存在的协议标准差异导致通信并不能畅通无阻,且有线网络的固有限制就是无法远程监测,这又一次给数据市场提供一个巨大的需求。

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  3、网关的出现,适配更多协议标准

  伴随着 2G/3G/4G 网络、Wi-Fi、蓝牙等无线网络传输技术的出现,数据的远程传输问题出现转机,但多种通信协议的多重协议标准也阻碍了设备与设备之间的“对话”。此时为了能够适配更多协议标准,网关的出现非常及时,在通信协议和数据之间,网关是一个翻译器,与网桥只是简单地传达信息不同,网关对收到的信息要重新打包,以适应系统的需求。

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  网关的转换能力结合无线通信协议技术,大大提高了物联网延伸距离,但物联网技术也面临一些独特的挑战。其中一个挑战是,受限于系统内存、数据存储容量和计算能力,很多物联网节点无法直接连接基于 IP 的网络,这样就难以做到万物互联。而物联网网关可以填补这块空白,在基于IP的公共网络与本地物联网之间架起一座网络桥梁,使用在不同的通信协议、数据格式或语言,甚至体系结构完全不同的两种系统之间。

  通俗来讲,有了网关,所谓的 M2M 不再是狭义上机器与机器的对话,而是设备、系统、人之间没有障碍的沟通。

  4、现代物联网智能网关,推动设备预测性运维

  现代物联网智能网关,在物联网时代扮演非常重要的角色,它不仅是连接感知网络与传统通信网络的纽带。作为网关设备,物联网智能网关可以实现感知网络与通信网络,以及不同类型感知网络之间的协议转换,既可以实现广域互联,也可以实现局域互联。此外物联网智能网关还需要具备设备管理功能,运营商通过物联网智能网关可以管理底层的各感知节点,了解各节点的相关信息,并实现远程控制,特有的物联网边缘计算能力,让传统工厂在数字化转型的过程中实现了更为快速、精准的数据采集及传输。

  物联网智能网关的特点

  支持远程更新维护。例如 Ruff 的物联网智能网关可随时根据软件的升级,添加支持协议,对外提供基于 JS 语言的开发接口,只需下载相应的配置应用即完成对硬件产品功能的修改。在网关使用过程中出现了问题,也无需去现场进行维修只需利用 Ruff Explorer 远程管理工具在软件层面进行修改即可,从远端提前发现和解决隐患,使维护更智能,设备运行更稳定可靠。

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  Ruff 服务的农业客户

  

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  Ruff Explorer 远程管理工具

  其次,现代物联网智能网关也具有超强的兼容性。采用即插即用的设计理念,兼容主流厂商的设备和协议,提供协议的下载和二次开发接口使得兼容变得更加容易。由于是在软件层面控制硬件网关,这样一来工厂在转型过程中不需要花费大成本来替换适配网关的设备,简单修改软件层面逻辑即可。

  目前国内一些公司比如华为、Ruff生产的边缘计算网关、物联网智能网关已经在真实的生产环境中有了多次成功的实践,在人造板行业、汽车制造业、木材加工行业帮助客户快速高效地接入设备,采集传输数据,并且通过其本身的边缘计算能力可以就近提供边缘智能服务,满足行业数字化在敏捷连接、实时业务、数据优化、应用智能、安全与隐私保护等方面的关键需求。对于人力成本、设备维修成本、时间成本的降低是非常有价值的,这也将是很多中小型工厂在工业 4.0 转型之战中核心竞争力之一。

  当然,网关的技术能力目前还没有到达终点,随着市场的需求越来越高以及物联网技术的不断提升,相信功能更加全面的物联网网关会不断更新出现,为物联网未来的发展提供更好的服务。

  3物联网网关的作用

  现在你知道一个网关是什么,你可能会想知道在传感器/设备和云之间采取额外的步骤有什么好处。

  电池寿命

  如果传感器/设备位于远程区域,则可能需要远程连接,例如卫星连接才能与云端通话。如这里所述,较长的范围通常意味着增加的功耗(和成本);这对于具有有限电池寿命的小型传感器/设备来说可能是一个问题。

  如果传感器能够持续数年,而不是数月或数周。通过使用安装在外围或谷仓仓顶部附近的高架网关,传感器/设备只需要将数据发送到网关的距离很短,并且网关可以通过单个更高带宽的连接将数据回传到云端。

  网关允许传感器/设备在较短距离内进行通信,从而提高电池寿命。

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  不同协议的转换

  完整的IoT应用可能涉及许多不同种类的传感器和设备。再次使用智能农业,您可能需要传感器的温度,湿度和阳光以及自动灌溉和肥料系统等设备。

  所有不同的传感器和设备都可以使用不同的传输协议(基本上是传输信息的规则和格式)。协议包括LPWAN,Wi-Fi,蓝牙和Zigbee等等。

  网关可以通过不同协议与传感器/设备进行通信,然后将该数据转换为标准协议(如MQTT),以发送到云端。

  未过滤的数据

  有时,传感器/设备可以产生如此多的数据,这是数据压倒在系统上或传输和存储成本极高的情况。通常在这种情况下,只有一小部分数据实际上是有价值的。例如,安全摄像机不需要发送空走廊的视频数据。

  网关可以预处理和过滤由传感器/设备生成的数据,以减少传输,处理和存储要求。

  高延迟

  时间对于某些IoT应用来说可能至关重要;传感器/设备无法将数据传输到云端,并在采取行动之前等待获得响应。对于医疗领域的生命或死亡情况或汽车等快速移动的物体,这是真的。

  通过处理网关上的数据并在本地发出命令可以避免更高的延迟。然而,IoT应用中的许多传感器/设备太小,电池太低,无法进行处理。

  网关可以通过在网关本身而不是在云中执行处理来减少时间关键应用程序的延迟。

  安全

  连接到互联网的每个传感器/设备都容易被黑客入侵。被劫持的传感器/设备是坏的。不只是为业主,而是为所有人。

  几周前,名叫未来的恶意软件被用来攻击和控制数以千计的物联网设备。然后,这种“机器人网络”的设备被用来占用互联网的主要部分(更多关于未来)。

  网关减少了连接到互联网的传感器/设备的数量,因为传感器/设备仅连接到网关。然而,这使得网关本身成为目标,也是第一道防线。这就是为什么安全需要成为任何网关的优先考虑的原因。

  结语

 

  在未来的物联网时代,物联网网关将会扮演非常重要的角色,它将成为连接感知网络与传统通信网络的纽带。

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