可配置物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關設計與實現(xiàn)

2023年12月12日發(fā)(作者：帶云字的詩句)

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Reliable TransmissionDOI：10.16667/.2095-1302.2022.06.014可配置物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關設計與實現(xiàn)施永貴（福建和盛高科技產(chǎn)業(yè)有限公司，福建 福州 350100）物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關作為物聯(lián)網(wǎng)技術的核心組成部件，具有承上啟下的作用。然而各類智能終端設備的數(shù)據(jù)傳摘 要：輸協(xié)議、格式都無法保持一致，導致每種設備的數(shù)據(jù)采集都需要開發(fā)有針對性的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關程序，不僅網(wǎng)關設備難以復用，二次開發(fā)難度高，還存在隨著數(shù)據(jù)采集需求增長而導致云端負載過大的問題。為此，文中提出了一種層次化的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關框架，該框架基于分層思想，將網(wǎng)關功能分為5個層次：感知層、數(shù)據(jù)處理層、邊緣計算層、傳輸層和應用層，五層框架結(jié)合配置客戶端即可實現(xiàn)完整網(wǎng)關功能。物聯(lián)網(wǎng)；網(wǎng)關；層次化；可配置；數(shù)據(jù)協(xié)議；數(shù)據(jù)采集關鍵詞：TP3-05 A 2095-1302（2022）06-0051-04中圖分類號：文獻標識碼：文章編號：0 引 言網(wǎng)關作為物聯(lián)網(wǎng)技術的核心組成部件，具有承上啟下的作用，是用于連接感知層網(wǎng)絡與上層公共網(wǎng)絡的紐帶，也被視為一種協(xié)議轉(zhuǎn)換器。網(wǎng)關正朝著效率、實時性、抗干擾能力逐漸提升的方向發(fā)展，應用的場景也越來越多，在農(nóng)業(yè)、工業(yè)、交通、智慧電網(wǎng)等諸多場景都有一席之地。應用場景的增加導致網(wǎng)關種類隨之增多，如家居智能網(wǎng)關、工業(yè)數(shù)據(jù)網(wǎng)關和交通管控網(wǎng)關等。網(wǎng)關的功能是相通的，主要用于協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)交互、網(wǎng)絡互聯(lián)互通，區(qū)別在于各網(wǎng)關的應用場景不同。傳統(tǒng)網(wǎng)關的創(chuàng)建方法是把現(xiàn)場設備的數(shù)據(jù)先收集到網(wǎng)關節(jié)點，利用內(nèi)嵌協(xié)議分析轉(zhuǎn)換器將處理完畢的數(shù)據(jù)通過

MQTT物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議傳送到客戶自定義的云平臺[1-2]。存在支持的數(shù)據(jù)協(xié)議較為單一、應用范圍較小、開放性不足等問題，當現(xiàn)場使用的設備和數(shù)據(jù)協(xié)議發(fā)生改變時，需要重新對網(wǎng)關程序進行二次開發(fā)，花費大量的人力物力。針對此類問題，設計一種支持多種接入?yún)f(xié)議、具備邊緣計算特性以提高網(wǎng)關的通用性[3]、數(shù)據(jù)采集可配置以減少數(shù)據(jù)冗余，避免浪費傳輸帶寬的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關就變得十分重要。換，將數(shù)據(jù)分析成標準格式后交給邊緣計算層處理[4]。圖1 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關總體設計框架邊緣計算層作為物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關的核心層，需要對轉(zhuǎn)換后的標準格式數(shù)據(jù)進行邊緣計算，包括數(shù)據(jù)運算、邏輯判斷、信號聯(lián)動和故障研判。邊緣計算的內(nèi)容需要預先設定，計算方法由用戶設定。傳輸層用于傳輸感知層采集的數(shù)據(jù)，使用4G網(wǎng)絡

傳輸。應用層是指對采集設備的數(shù)據(jù)進行本地動態(tài)曲線顯示，網(wǎng)關的本地顯示使用微信小程序?qū)崿F(xiàn)[5]。1.2 硬件架構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關硬件平臺由邊緣計算核心板EC Core-L-1和網(wǎng)關底板和擴展單片機STM32F4007IG組成，其連接和軟件架構(gòu)如圖2和圖3所示。EC Core-L-1板卡構(gòu)架了雙嵌入式操作系統(tǒng)：網(wǎng)絡OS系統(tǒng)和容器Linux 系統(tǒng)。該板卡主要含有內(nèi)存、NAND FLASH、DDR3、RTC實時時鐘、LTE 4G2022年 /

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物聯(lián)網(wǎng)技術1 可配置物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關架構(gòu)1.1 軟件架構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關整體框架可分為五層，如圖1所示。感知層作為物聯(lián)網(wǎng)關框架的第一層，用于采集各類接入網(wǎng)關設備數(shù)據(jù)，并將采集的數(shù)據(jù)上傳給數(shù)據(jù)處理層。數(shù)據(jù)處理層對感知層上傳的數(shù)據(jù)包進行解析和協(xié)議轉(zhuǎn)收稿日期：修回日期：2021-08-07 2021-09-1051 Reliable Transmission模塊、WiFi模塊、電源管理模塊。擴展單片機能擴接豐富的模塊，如USB接口模塊、（PLC）電力載波模塊、以太網(wǎng)接口模塊、LTE模塊。外設通過USB和GPIO接口連接擴展單片機，擴展單片機作為USB Device設備，核心板作為USB

Host控制器，實現(xiàn)核心板接口的擴展。圖2 擴展單片機連接圖3 核心板與擴展單片機軟件架構(gòu)2 網(wǎng)關可配置功能設計與實現(xiàn)2.1 配置客戶端軟件配置客戶端需要實現(xiàn)采集網(wǎng)關及其下聯(lián)設備的參數(shù)及信息，因此界面需要包含多個輸入框便于填寫信息，以滿足不同的配置要求。首先，設備配置文件的參數(shù)輸入，填入每個設備的身份認證（三元組）然后，填入設備的數(shù)據(jù)協(xié)議參；數(shù)（目前為Modbus協(xié)議）最后，填入設備寄存器的對應地；址及其含義和計算系數(shù)，填寫完成后保存。具體工作流程如圖4所示。一個輸入框的參數(shù)為Modbus_RTU或Modbus_TCP，選擇Modbus_RTU之后就可以選擇接口類型（485或PLC），若選擇485類型，則在設備參數(shù)區(qū)域的第三行輸入串口信息；選擇 PLC則輸入第四行的IP信息。同理，當?shù)谝粋€輸入框選擇Modbus_TCP時，只需輸入第四行的IP信息。接下來輸入設備屬性的標識符和地址，按照設備使用說明中的信息填寫。界面右邊部分是設備配置文件的菜單欄，可以看到各接口下的設備數(shù)量。圖5 配置客戶端設備管理界面配置客戶端邊緣計算界面如圖6所示。左邊顯示已經(jīng)創(chuàng)建好的計算節(jié)點，右邊為添加計算節(jié)點的部分。根據(jù)邊緣計算的設計，將一串長長的計算公式拆分成兩兩一組的計算節(jié)點，將每個計算節(jié)點的信息輸入框中，然后點擊“插入”即可，圖4 配置客戶端工作流程添加完成后選擇“保存”，生成邊緣計算的配置文件。配置客戶端聯(lián)動界面如圖7所示。左邊顯示創(chuàng)建好的聯(lián)動任務，右邊是輸入聯(lián)動任務的操作界面。本配置客戶端將聯(lián)動任務拆分成監(jiān)測設備和聯(lián)動設備，當監(jiān)測設備的目標值達到閾值時觸發(fā)聯(lián)動設備動作。添加聯(lián)動任務的方法與添加邊緣計算方法相似，即插入、保存[6-7]。2.2 感知層配置實現(xiàn)感知層主要負責識別網(wǎng)關連接的設備并采集數(shù)據(jù)。本設根據(jù)配置客戶端的工作流程，設計配置客戶端各界面，客戶端設備管理界面設計如圖5所示。界面第一行輸入框為網(wǎng)關的參數(shù)信息，這些參數(shù)大多在阿里云物聯(lián)網(wǎng)云平臺創(chuàng)建網(wǎng)關設備時生成，是網(wǎng)關連接阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺的唯一身份認證（三元組）。填寫完參數(shù)后需要點擊按鈕更新并保存網(wǎng)關信息。界面左下部分的區(qū)域為設備參數(shù)輸入框，第52物聯(lián)網(wǎng)技術

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第6期 計使用多個線程采集不同接口下連接設備的數(shù)據(jù)。首先讀取配置客戶端生成配置文件，判斷類型后將數(shù)據(jù)分別復制到不同的JSON對象中。分完大類后將提取每個類型的小類，按照配置文件的設計，Modbus_RTU_json對象的下一層是485_json和PLC_json，故將Modbus_RTU_json對象解析成485_json和PLC_json對象，485_json對象向下為各COM口的對象，即所有設備信息的上一層。創(chuàng)建4個COM接口的JSON對象存儲設備信息。得到每個類型的設備信息JSON數(shù)組后，將JSON數(shù)組內(nèi)的設備信息取出存入對應的接口鏈表中，每個設備的信息均存放在鏈表節(jié)點的json_data內(nèi)。設備信息提取完成后，各接口的采集線程開始工作，等待接口的輪循時間，到達時間后開始判斷每個設備的采集周期是否到達，若到達采集周期，則按照當前設備節(jié)點的信息創(chuàng)建串口或Socket連接，采集設備數(shù)據(jù)，采集后存儲到當前設備鏈表節(jié)點的數(shù)據(jù)緩存區(qū)即可[8]。數(shù)據(jù)采集流程如圖8所示。圖6 配置客戶端邊緣計算界面圖7 配置客戶端聯(lián)動界面圖8 數(shù)據(jù)采集流程

Reliable Transmission2.3 數(shù)據(jù)處理層配置實現(xiàn)感知層采集到數(shù)據(jù)后，根據(jù)配置文件的內(nèi)容判斷是否對采集的數(shù)據(jù)包進行協(xié)議解析和數(shù)據(jù)處理。若需處理，數(shù)據(jù)處理程序按照當前線程的通信協(xié)議類型進行協(xié)議解析，解析完成后，根據(jù)當前鏈表節(jié)點的信息判斷是否需要其他處理，最后將數(shù)據(jù)存儲到鏈表緩存區(qū)，等待邊緣計算層使用。數(shù)據(jù)處理模塊流程如圖9所示。圖9 數(shù)據(jù)處理模塊流程2.4 邊緣計算層配置實現(xiàn)將邊緣計算需要的公式在配置客戶端上按照規(guī)定方法寫入，生成的邊緣計算配置文件將被傳入網(wǎng)關指定文件夾內(nèi)。在網(wǎng)關程序運行之初，將文件讀取到程序緩存中等待使用。此設計將邊緣計算的公式分解成兩個一組的計算節(jié)點，便于長公式的計算。數(shù)據(jù)處理層已將數(shù)據(jù)解析完成并存儲到每個設備的鏈表節(jié)點緩存中，存儲時按照寄存器地址順序進行。鏈表節(jié)點中還有關于設備寄存器地址和寄存器標識符的映射關系表，因此在使用這些數(shù)據(jù)時可以直接用寄存器標識符來調(diào)用數(shù)據(jù)[9]。2.5 傳輸層軟件設計與實現(xiàn)阿里云物聯(lián)網(wǎng)云平臺提供基于設備端SDK開發(fā)，可以在網(wǎng)關程序開發(fā)中結(jié)合云平臺設計開發(fā)者使用的設備端SDK，實現(xiàn)網(wǎng)關與物聯(lián)網(wǎng)云平臺的數(shù)據(jù)互通。子設備接入云平臺通過網(wǎng)關設備上報，網(wǎng)關設備會根據(jù)讀取的配置客戶端的配置文件獲取需要連接云平臺的子設備數(shù)量，并且獲取每個子設備的三元組（在云平臺創(chuàng)建設備生成的設備身份信息），通過網(wǎng)關向云平臺報備子設備并建立拓撲關系。子設備可通過網(wǎng)關上發(fā)數(shù)據(jù)。本設計選擇C-SDK進行網(wǎng)關開發(fā)，C-SDK安裝完成后可使用其提供的API與云端通信，傳輸其規(guī)定格式的數(shù)據(jù)包至云端[10]。業(yè)務邏輯、SDK、HAL關系如圖10所示。2.6 應用層軟件配置實現(xiàn)應用層主要具備實時云動態(tài)曲線顯示功能、手機端動態(tài)曲線顯示功能和遠程控制終端設備功能。應用層的云端動態(tài)2022年 /

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物聯(lián)網(wǎng)技術53 Reliable Transmission曲線展示在阿里云物聯(lián)網(wǎng)云平臺已有工具可實現(xiàn)，只需配置使用即可。手機端的動態(tài)曲線展示選用微信小程序?qū)崿F(xiàn)，在微信小程序上，可以使用云平臺提供的云端SDK API實現(xiàn)云平臺的設備屬性設置、設備服務調(diào)用、設備信息獲取等功能，之后即可在微信小程序上實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)云平臺的功能。微信小程序可通過調(diào)用云平臺的服務調(diào)用功能實現(xiàn)遠程控制。控制過程如圖11所示。圖10 業(yè)務邏輯、SDK、HAL關系圖圖11 服務器遠程控制設備3 結(jié) 語本文針對目前網(wǎng)關數(shù)據(jù)采集中協(xié)議轉(zhuǎn)換復雜、難以復用的情況，對網(wǎng)關整體框架進行設計。并通過引入分層的思想，將物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關整體架構(gòu)分為5個層次：感知層、數(shù)據(jù)處理層、邊緣計算層、傳輸層和應用層，實現(xiàn)了根據(jù)實際需求結(jié)合配置客戶端進行輸入文件參數(shù)、數(shù)據(jù)協(xié)議參數(shù)、設備信息、邊緣計算公式等功能，使網(wǎng)關的利用率以及使用靈活度得到了極大提高，具有較高的工程應用價值。參考文獻[3]沈文.基于邊緣計算的自適應數(shù)據(jù)采集物聯(lián)網(wǎng)關的研究與設計[D].株洲：湖南工業(yè)大學，2020.[4]陳夢亮.基于嵌入式Linux的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關設計與實現(xiàn)[D].長沙：湖南大學，2020.[5]楊艷.智慧茶廠的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[D].長沙：湖南師范大學，2019.[6]張洪芳.物聯(lián)網(wǎng)技術研究綜述[J].中國新通信，2019，21（16）：40.[7]王寬.礦用融合網(wǎng)關設計及關鍵技術研究[D].北京：中國礦業(yè)大學，2019.[8]梁業(yè)彬.基于OpenWrt的智能家居通用網(wǎng)關的設計與實現(xiàn)[D].濟南：山東大學，2018.[9]中華人民共和國科學技術部.“十三五”先進制造技術領域科技創(chuàng)新專項規(guī)劃（選編）[J].中國計量，2017，4（12）：9-20.[10]張艷玲，田，柯成虎.嵌入式智能家居物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關系統(tǒng)設計[J].物聯(lián)網(wǎng)技術，2016，6（8）：105-107.[1]趙峰.面向醫(yī)療的統(tǒng)一物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關的設計與實現(xiàn)[D].北京：北京郵電大學，2020.[2]孫常青，鄭富全，胡代榮，等.基于云的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關設計與實現(xiàn)[J].信息技術與信息化，2020，45（12）：166-168.（上接第50頁）所提出的MIMO天線適用于國內(nèi)外大部分5G-IoT應用[10]。參考文獻2021，11（6）：35-36.[6]丁志清. 5G移動終端的緊湊型多頻段MIMO天線研究[D].南昌：華東交通大學，2019.[7]周晉，李建軍，王銳.工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)無線化趨勢淺析[J].物聯(lián)網(wǎng)技

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王三山（1989—），女，碩士研究生，講師，研究方向為物聯(lián)網(wǎng)應用技術。54物聯(lián)網(wǎng)技術

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