工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關

2023年12月12日發(fā)(作者：著名的意思是什么)

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工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)

工業(yè)系統(tǒng)與高級計算、分析、傳感技術及互聯(lián)網(wǎng)(de)高度融合.簡單(de)說就是將機器、人連接.

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)充分融合傳感器、計算機網(wǎng)絡、大數(shù)據(jù)分析處理等現(xiàn)代化技術,以低成本、低投資及高度適用性等優(yōu)勢,實現(xiàn)對工業(yè)生產(chǎn)流程(de)“泛在感知”,以更便捷、更高效(de)方式獲取傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)線上難以獲取(de)重要過程參數(shù),優(yōu)化生產(chǎn)管理,提高生產(chǎn)效率.

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(de)體系架構：

典型(de)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構共有3個層次.一是感知層,即利用RFID、傳感器、二維碼等隨時隨地獲取物體(de)信息；二是網(wǎng)絡層,通過電信網(wǎng)絡與互聯(lián)網(wǎng)(de)融合,將物體(de)信息實時準確地傳遞出去；三是應用層,把感知層得到(de)信息進行處理,實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理等實際應用.

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)關鍵技術：

無線網(wǎng)關

無線網(wǎng)關廣義上理解為一個網(wǎng)絡連接到另一個網(wǎng)絡(de)接口,具體是指集成有簡單路由功能(de),即無線網(wǎng)關通過不同設置可完成無線和(de)功能,也可以直接連接外部網(wǎng)絡（如WAN）,同時實現(xiàn)AP功能.

一種無線網(wǎng)關功能分析：

(1)無線網(wǎng)絡管理

由網(wǎng)關來啟動一個新(de)無線網(wǎng)絡,允許其他無線節(jié)點設備加入形成(de)網(wǎng)絡：進行無線網(wǎng)絡信息(de)維護,管理無線節(jié)點(de)網(wǎng)絡加入及離開；與無線節(jié)點進行數(shù)據(jù)通信.

(2)協(xié)議轉換

網(wǎng)關(de)功能主要體現(xiàn)在Zigbee無線通信協(xié)議與以太網(wǎng)通信協(xié)議(de)轉換.將無線節(jié)點(de)信息轉化為以太網(wǎng)通信數(shù)據(jù)傳送給上層服務器設備；將服務器下達給無線節(jié)點(de)控制信息通過網(wǎng)關傳送給指定節(jié)點.

(3)支持Web訪問

網(wǎng)關支持在沒有上層服務器(de)情況下使用瀏覽器對節(jié)點進行在線訪問和監(jiān)控,平臺兼容性強,便于實時數(shù)據(jù)分析和故障診斷.

物聯(lián)網(wǎng) （The Internet of things）

是新一代信息技術(de)重要組成部分,可以看做是互聯(lián)網(wǎng)(de)升級與擴展,根據(jù)國際電信聯(lián)盟（ITU）(de)定義,物聯(lián)網(wǎng)主要解決物品與物品（Thing to

Thing,T2T）,人與物品 （Human to Thing,H2T）,人與人（Human to Human,H2H）之間(de)互連.通過以互聯(lián)網(wǎng)為基礎延伸和擴展到了任何物品與物品之間,進行信息交換和通信.簡言之物聯(lián)網(wǎng)就是“物物相連(de)互聯(lián)網(wǎng)”. 物聯(lián)網(wǎng)架構可分為三層：感知層、網(wǎng)絡層和應用層,其中連接感知層和網(wǎng)絡層(de)關鍵技術即物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關.在物聯(lián)網(wǎng)時代中,物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關將會是至關重要(de)環(huán)節(jié).

無線網(wǎng)格網(wǎng)絡

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)之間(de)關系： TSMP時間同步網(wǎng)格協(xié)議

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關設計

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關功能：

（1）廣泛(de)接入能力

目前用于近程通信(de)技術標準很多,僅常見(de)WSN技術就包括Lonworks、ZigBee、6LowPAN、RUBEE等.各類技術主要針對某一應用展開,缺乏兼容性和體系規(guī)劃,如Lonworks主要應用于樓宇自動化,RUBEE適用于惡意環(huán)境.如何實現(xiàn)協(xié)議(de)兼容性、接口和體系規(guī)劃,目前在國內外已經(jīng)有多個組織在開展物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(de)標準化工作,如3GPP、傳感器工作組,以實現(xiàn)各種通信技術標準(de)互聯(lián)互通.

（2）協(xié)議轉換能力

從不同(de)感知網(wǎng)絡到接入網(wǎng)絡(de)協(xié)議轉換,將下層(de)標準格式(de)數(shù)據(jù)統(tǒng)一封裝,保證不同(de)感知網(wǎng)絡(de)協(xié)議能夠變成統(tǒng)一(de)數(shù)據(jù)和信令；將上層下發(fā)(de)數(shù)據(jù)包解析成感知層協(xié)議可以識別(de)信令和控制指令.

（3）可管理能力

強大(de)管理能力,對于任何大型網(wǎng)絡都是必不可少(de).首先要對網(wǎng)關進行管理,如注冊管理、權限管理、狀態(tài)監(jiān)管等.網(wǎng)關實現(xiàn)子網(wǎng)內節(jié)點(de)管理,如獲取節(jié)點(de)標識、狀態(tài)、屬性、能量等以及遠程喚醒、控制、診斷、升級和維護等.由于子網(wǎng)(de)技術標準不同,協(xié)議(de)復雜性不同,所以網(wǎng)關具有(de)管理能力不同.本文提出基于模塊化物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關方式來管理不同(de)感知網(wǎng)絡、不同(de)應用,保證能夠使用統(tǒng)一(de)管理接口技術對末梢網(wǎng)絡節(jié)點進行統(tǒng)一管理.

層次結構：

1）業(yè)務服務層

業(yè)務服務層由消息接收模塊和消息發(fā)送模塊組成.消息接收模塊負責接收來自物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務運營管理系統(tǒng)(de)標準消息,將消息傳遞給標準消息構成層.消息發(fā)送模塊負責向業(yè)務運營管理系統(tǒng)可靠地傳送感知延伸網(wǎng)絡所采集(de)數(shù)據(jù)信息.該層接收與發(fā)送(de)消息必須符合標準(de)消息格式.

（2）標準消息構成層

標準消息構成層由消息解析模塊和消息轉換模塊組成.消息解析模塊解析來自業(yè)務服務層(de)標準消息,調用消息轉換模塊將標準消息轉換為底層感知延伸設備能夠理解(de)依賴于具體設備通信協(xié)議(de)數(shù)據(jù)格式.當感知延伸層上傳數(shù)據(jù)時,該層(de)消息解析模塊則解析依賴于具體設備通信協(xié)議(de)消息,調用消息轉換模塊將其轉換為業(yè)務服務層能夠接收(de)標準格式(de)消息.消息構成層是物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(de)核心,完成對標準消息以及依賴于特定感知延伸網(wǎng)絡(de)消息(de)解析,并實現(xiàn)兩者之間(de)相互轉換,達到統(tǒng)一控制和管理底層感知延伸網(wǎng)絡,向上屏蔽底層網(wǎng)絡通信協(xié)議異構性(de)目(de).

（3）協(xié)議適配層

協(xié)議適配層保證不同(de)感知延伸層協(xié)議能夠通過此層變成格式統(tǒng)一(de)數(shù)據(jù)和控制信令.

（4）感知延伸層

此層面向底層感知延伸設備,包含消息發(fā)送與消息接收兩個子模塊.消息發(fā)送模塊負責將經(jīng)過消息構成層轉換后(de)可被特定感知延伸設備理解(de)消息發(fā)送給底層設備.

消息接收模塊則接收來自底層設備(de)消息,發(fā)送至標準消息構成層進行解析.

感知延伸網(wǎng)絡由感知設備組成,包括射RFID、GPS、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、各類型傳感器等.感知延伸設備之間支持多種通信協(xié)議,可以組成Lonworks和Zigbee以及其他多種感知延伸網(wǎng)絡.

信息交互流程

（1）最終用戶產(chǎn)生符合標準數(shù)據(jù)格式(de)消息,并將其發(fā)送至網(wǎng)關業(yè)務服務層(de)消息接收模塊.

（2）業(yè)務服務層消息接收模塊將標準消息發(fā)送至標準消息構成層(de)消息解析模塊.

（3）消息解析模塊調用相應(de)消息轉換功能,將標準信息轉換為依賴于具體設備通信協(xié)議(de)消息.

（4）消息解析模塊將轉換為依賴于具體設備通信協(xié)議(de)消息傳送至感知延伸服務層(de)消息發(fā)送模塊.

（5）感知延伸服務層(de)消息發(fā)送模塊選擇合適(de)傳輸方式,將依賴設備通信協(xié)議(de)特定消息發(fā)送至具體(de)底層設備.

（6）底層設備根據(jù)特定消息執(zhí)行信息采集操作,并將結果返回給網(wǎng)關感知延伸服務層(de)消息接收模塊.

（7）網(wǎng)關(de)感知延伸服務層(de)消息接收模塊將依賴設備通信協(xié)議(de)特定消息傳送至標準消息構成層(de)消息解析模塊. （8）消息解析模塊調用信息轉換模塊,將依賴于設備通信協(xié)議(de)特定消息轉換為標準消息.

從圖3可以看出,物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關解決了物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡內不同設備無法統(tǒng)一控制和管理(de)問題,達到屏蔽底層通信差異(de)目(de),并使得最終用戶無需知道底層設備(de)具體通信細節(jié),實現(xiàn)對不同感知延伸層設備(de)統(tǒng)一訪問.

關鍵技術

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關系統(tǒng)設計中解決了以下幾個關鍵技術.

軟件交互協(xié)議(de)統(tǒng)一：物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關系統(tǒng)(de)設計思路是以模塊化(de)方式實現(xiàn)軟硬件(de)各個部分,使得模塊之間(de)替換非常容易,以實現(xiàn)不同(de)感知延伸網(wǎng)絡和接入網(wǎng)絡互聯(lián),屏蔽底層通信差異.其中硬件模塊采用UART總線形式進行連接,軟件則采用模塊化可加載(de)方式運行,并將共同部分抽象成公共模塊.因此,支持新(de)數(shù)據(jù)匯聚模塊和接入模塊則只需要開發(fā)相應(de)硬件模塊和驅動程序即可.另外,添加統(tǒng)一(de)協(xié)議適配層（如圖6所示）,將應用數(shù)據(jù)統(tǒng)一提取出來,按照TLV（type,length,value）(de)方式進行組織,然后封裝數(shù)據(jù)包.使得在接入網(wǎng)絡中傳輸(de)都是標準(de)IP數(shù)據(jù)包,其中封裝了TLV格式(de)采集數(shù)據(jù).

統(tǒng)一地址轉換：不同(de)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡使用不同(de)編址方式,如ZigBee中有16位短地址,6LowPan中有64位地址.在應用中只需要能定位到具體(de)節(jié)點即可,不需要關心節(jié)點是采用IP地址還是16位短地址,也不關心節(jié)點間(de)組網(wǎng)是采用ZigBee還是6LowPan或者其他方式.將這些地址轉換為統(tǒng)一(de)表示方式,有利于應用(de)開發(fā),因此在網(wǎng)關中實現(xiàn)一種地址映射機制,將IP或者16位短地址映射為統(tǒng)一(de)ID,在與應用交互過程中只需要關注這個ID即可.具體(de)映射方式可以采用從1累加(de)方式,當網(wǎng)關接收到第一個節(jié)點數(shù)據(jù)時,將該節(jié)點(de)地址映射為1,后續(xù)(de)依次加1,將這個映射表保存在網(wǎng)關中.同時還采用老化機制,在一定時間內沒有收到該節(jié)點(de)數(shù)據(jù)時,將此條映射關系刪除.

采集模塊數(shù)據(jù)接口(de)統(tǒng)一：采集模塊與網(wǎng)關之間定義AT指令集,節(jié)點通過ZigBee協(xié)議組網(wǎng).在與網(wǎng)關(de)接口之間只關注一些對采集模塊(de)控制指令和數(shù)據(jù)交互指令,不關注具體(de)組網(wǎng)協(xié)議,實現(xiàn)組網(wǎng)協(xié)議無關性.

數(shù)據(jù)映射關系管理：如何管理網(wǎng)關連接(de)兩種或多種系統(tǒng)中(de)設備在通信數(shù)據(jù)中(de)映射關系,即通常意義上(de)尋址,是很重要(de)步驟.而這一部分針對網(wǎng)關所連接(de)不同,總線設備也有很大區(qū)別.本網(wǎng)關對所有可能下掛(de)模塊(de)輸入輸出數(shù)據(jù)格式進行分析,然后分別定義了各個模塊對應(de)通信接口配置字.

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