物联网中的智能网关

传感器技术编辑整理

在现代生产企业中，生产线的自动化系统一般采用以 PLC 为主要节点的控制、通信网络，最常用的是现场总线协议；同时在企业的管理经营系统一般采用计算机为主要节点的通信网络，以 TCP/IP 协议为主，如何实现不同应用系统间的数据通信，打通不同通信协议间的数据通路，对数据进行分析、存储、转发等功能，如生产指示快速下达和生产状态的快速发布，从而提升企业管理生产效率，是数据网关技术出现和发展的客观要求。 

数据网关的作用就是连接不同的通信系统，实现数据互通，所以首先要对不同系统进行物理连接，在物理连接的基础上，再根据不同系统的通信协议，利用协议允许的接口进行软件连接，通过数据接收、提取、发送的过程实现数据转发。

根据上文所述数据网关的基本原理可知，数据网关需要的两个要素：接口和数据处理。现代计算机技术的发展带来的丰富的接口选择和强大的计算能力恰好为此提供了条件，一台具备相应接口的，安装了相应数据处理软件的计算机，就是一个数据网关。

现有实现方式中最典型的代表就是工业控制计算机（简称工控机），生产厂商将各种接口进行模块（卡）化设计，将其与通用的计算机主机模块结合，就实现了通用计算机接入特定通信系统的目的，客户购买时根据需要选择接口模块（卡）和满足处理能力的通用计算机主机就可以方便的搭建出数据网关的硬件平台，在此基础上再开发专用的数据处理软件，就能够实现强大的数据分析、存储、转发等功能。 

 
数据网关的基本功能是进行不同通信协议间内容的翻译转换，但是对这个过程中的数据如何进行处理，或者如何使用这些数据，决定了数据网关的应用。根据对数据处理方式的不同，可将数据网关分成普通数据网关和专用数据网关两种。 

1、普通数据网关

该型数据网关以数据传输功能为主，对所传输的数据只进行简单处理，如有效性过滤、存储、重新组织等。最典型的应用是控制系统中的操作上位机系统，该系统通过工业以太网、现场总线或者其它方式接入控制系统，将采集到的数据通过以太网（一般是 TCP/IP 协议）发送至操作员上位机，在控制画面上显示相应状态，同时又将上位机发出的操作指令发送给现场 PLC 等控制器，实现了现场设备通信系统与人工操作通信系统的数据连通。在这个典型中难以找到具体的数据网关，实际上是由操作上位机集成了数据转换的功能，充当了数据网关的角色。除此以外，本世纪开始广泛应用的 ERP、MES、ASP 等先进的管理系统，与生产流水线控制系统实现信息互通，这需要进行大量的数据组织、存储、转发等，就更加需要使用数据网关作为主要的信息桥梁和中转站。 

上图显示了一个综合的生产控制系统，数据网关用来连接生产流水线控制系统和生产指挥系统，起到了数据中枢的作用。配置了数据网关，整个系统就具备了以下功能：

(1) 生产数据、状态的实时存储。通过数据库可以保存长期历史数据，方便进行生产过程分析和质量追溯。

(2) 生产状态实时上报、发布。管理者可以根据实时数据高效的制定生产计划；营销人员可以及时的跟踪订单生产，反馈客户。

(3) 生产指令的快速下达。MES、ERP 等生产计划信息可以快速的下发到生产线，实现订单的快速响应，缩短交货时间。

(4) 增强系统稳定性。全线操作站联网，每个操作站都可以了解全线的生产情况，且互相备用，必要时可以互相替代操作。

(5) 提高生产自动化水平。方便增加过程控制、智能控制等专用计算设备，弥补普通PLC 不具备的智能计算、大数据量计算等功能，使生产更加精细，产品质量得以提高。 

2、专用数据网关

与普通型相比，该型不仅具有数据存储、转发等数据网关的基本功能，最大的特点是将其它高级的功能也进行了集成，构成了基于数据网关技术的专用设备，目前主要有以下几种：

(1)信息发布数据网关 该型数据网关集成了 web 发布功能， 通过有线或者无线接口直接接入 internet，方便用户在任何地方通过互联网获得实时生产信息。为了保证正常生产不被干扰，可以通过硬件或软件进行数据隔离，保证数据流为单向，如采用硬件隔离技术可以做到完全隔离。

(2)过程控制数据网关 该型除了数据网关基本功能，主要功能是数据计算，主要通过软件实现，对生产系统特别是单一复杂设备进行高级控制，弥补 PLC 等现场控制器对数据处理、历史数据调用、复杂算法实现困难等功能上的不足，从而提高生产的自动化水平。

(3)信息存储数据网关 该型主要功能是数据存储，在本地建立数据库，将接收的数据进行长期存储，并具备多种组织和查询接口，以方便进行生产流程优化和质量追溯。 

最新的信息技术如云技术、物联网技术等的出现大都基于互联网技术的发展，而数据网关的连通不同通信网络的特性恰恰为这些新技术应用到传统产业提供了支撑。

1、数据网关与云计算

通过数据网关，把生产数据发送给企业研发、质量中心，甚至专业的数据分析中心，利用“外脑”强大的计算能力和信息资源，对生产数据进行全方位、深层次的分析，进而得到更高效的生产工艺参数指导，从而提升产品质量，优化生产流程。在仅投入少量硬件的条件下，就具备了获得专业海量数据分析计算的能力，实现了低成本、高效益的兼顾。

2、数据网关与移动互联终端

通过数据网关，将生产数据实时发送至企业决策者的移动互联终端，使之可以随时根据市场变化制定生产策略，实现效益最大化；将生产数据实时发送至外地销售经理的移动互联终端，使之可以随时跟踪订单情况，反馈客户，并可以随时将新的客户需求传达到生产线，及时优化订单计划，达到降低生产成本，缩短交货周期的效果。

3、数据网关与物联网技术

通过数据网关，将生产线状态与原材料、辅助材料、成品等物流信息整合，整体分析各个流程，确定最佳调度方案，实现资源的高效利用，实现即时生产、减少中间环节、降低库存、节约物流成本的目标。

物联网是通过智能感知、射频识别技术与普适计算、泛在网络的融合应用，被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮。物联网的主要目的在于使具有射频技术、红外传感技术或其他具有感知能力的新型传感设备，能够无缝的融入互联网，实现相互之间的信息交换，和进一步的智能识别、监控管理。

在物联网的信息感知领域中，由于无线传感网络技术的应用场景具有特殊性，其一般应用于局部区域内，网与网之间本身无法通信，也不适合于实现远程的数据传输，这使得传感设备节点形成了一个个信息孤岛，无法实现真正的全面互联互通、协同感知。此外，物联网应用中的感知技术种类繁多，采用不同的通信协议，根本无法实现互联互通。

物联网网关，作为一个新的名词，在未来的物联网时代将会扮演非常重要的角色，它将成为连接无线传感网络与传统通信网络的纽带，完成无线传感网络、传统通信网络以及其它不同类型网络之间的协议转换，实现局域和广域的数据互联。此外物联网网关还需要具备设备管理功能，运营商通过物联网网关设备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。

从功能上讲，物联网的网关或者说智能网关主要实现以下三个功能：

• 感知网络接入的能力。

  物联网网关首先是具有对各节点属性、状态等信息的获取功能，即可以感知各节点的实时状态。其次是具有对节点的远程控制、唤醒、诊断等功能，即实现节点的自动化管理。

• 异构网络互通的能力。

  物联网网关接入必然存在跨域通信的要求，因此需要完善的寻址技术，以确保所有节点的信息都能被准确、高效、安全地进行定位和查询。随着物联网应用的发展，节点地址的数量会逐渐增大，且其编码结构与 DNS中的域名结构不同，因此需要有一套与互联网不同的寻址技术以满足需求。

  
  

• 通讯与数据格式标准化。

  网关必须实现传感网络到传统通信网络的协议转换，将协议适配层上传输的标准格式数据进行统一封装，将广域接入层下发的数据解包成标准格式数据，实现命令的解析，之后转换为感知层协议可以识别的信号和控制指令。

简单地讲，物联网网关主要完成三个任务：首先，是收集传感器节点的数据；其次，执行数据协议转换；最后，将协议转换后的数据快速有效的发送到公共网络。除此以外，物联网网关同时还具有相应的管理和控制能力。

1、感知网络接入

物联网智能网关需要具有感知网络接入的能力。感知网络主要由功能各异的传感器网络构成，这些传感器设备主要包括摄像头、读卡器、标签、声敏传感器、压敏传感器、温敏传感器等。获取这些传感器感知信息的方式可谓是千差万别，至今没有统一的标准，主要的接入方式可分为有线接入和无线接入。主流的有线接入方式包括 CAN、RS232/485、Ethernet等,  CAN 多用于汽车计算机控制系统中，RS232/485 主要用于一些较老的设备控制和低速率数据传输，Ethernet 对于远距离、大信息量的传感器数据传输是非常可靠有效的。

主流的无线接入方式包括 Zigbee、Bluetooth、IrDA、Wi-Fi，它们都属于近程通信的范畴。Zigbee 具有功耗低、组网灵活等特点，该技术一般用作低速率短距离无线传输和控制。Bluetooth 主要用于对于实时性较高的系统中，如鼠标、键盘、耳机等。IrDA 利用红外线进行点到点的传输，红外传输设备的特点是体积小、功耗低、成本低等，由于红外线传输只能是点对点的无遮挡传输，所以在一定程度上将受到应用环境的限制。

Wi-Fi 作为推进速度最快的无线接入技术已经历了十几个版本的迭代，现在已广泛的应用于与手机、笔记本电脑以及各类智能产品中，具有布网简单、覆盖范围广、传输速率快的优点，但是wifi同样也有功耗较高和协议复杂等缺点。

2、异构网络互通

物联网智能网关需要具有异构网络互通的能力。由于不同的传感器网络对感知信息采用不同的协议封装，这将导致网络间数据的软隔离，一方面，物理上已相互连的接感知网络之间无法完成通信，另一方面，感知网络无法与核心交换网络完成通信进而感知数据无法被远程访问，因此需要设置协议网关来解决此问题。

在传统的利用 RS-232/485 通信传感器网络中，总线标准和协议较多，比较通用的是 Modbus协议、Profibus 协议、Interbus 协议，其中 Modbus 协议被广泛用在智能交通、智能农业、智能建筑中。

由于 Internet 以及由 Ethernet 和 Wi-Fi接入的传感器网络都是基于 TCP/IP 协议栈，若远程用户需要对采用 Modbus 协议的设备进行访问和控制，则必须对 Modbus 报文按照 TCP/IP 协议进行应用层封装或协议转换。

此外，由于 IPv4 地址已日近枯竭，新一代的 IPv6 协议将逐步取代 IPv4 协议，而 IPv4 向IPv6 过渡的阶段是一个长期的过程，在这个阶段中，IPv4 网络将和 IPv6 网络处于共存状态，因此物联网网关需要解决 IPv4 网络与IPv6 网络的互通问题。

3、通讯与数据格式标准化

物联网智能网关需要具有监测控制管理的能力和兼容新节点接入的能力。这里的监测控制管理，包括对接入传感器状态和感知信息的集中监测、对传感器和网关自身的控制、管理。一方面，网关中的各功能模块要做到可以灵活控制，配置方式要做到简单、多种方式、人机友好，另一方面既能通过本地网络、串口进行控制，又能远程跨网段进行集中管理。

此外不同的物联网的节点种类非常丰富。监测控制管理的内容不仅包括对网关节点自身的状态和功能，还要包括对接入传感器网络的状态和信息。为了实现这些功能，就必须要让所有的智能网关节点使用标准化的通信方式，才能使整个物联网系统具有高可维护性。