導讀：物聯(lián)網(wǎng)設備和云之間傳輸?shù)乃袛?shù)據(jù)都通過物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)進行路由。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的另一個名稱是，智能網(wǎng)關(guān)或控制器。
物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中不可或缺的一部分。其連接各種設備、傳感器、機器等，實現(xiàn)設備互聯(lián)和數(shù)據(jù)交換。這為廣泛的物聯(lián)網(wǎng)應用提供了強有力的技術(shù)支持，特別是在智慧城市，工業(yè)4.0自動化和智能家居方面。隨著技術(shù)的不斷進步，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)也在不斷更新和增強。本文將概述物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)在物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)中的關(guān)鍵功能，并為如何選擇最佳物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)提供指導。
物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)是連接設備與其他設備以及云的重要樞紐。其工作過程涉及數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理等多個環(huán)節(jié)。在此過程中，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)必須與多個設備連接，以便將收集到的數(shù)據(jù)上傳到云端。此外，所有這些都需要可靠的硬件和軟件。
例如，可以實現(xiàn)設備的遠程管理和控制，確保設備的正常運行。同時，還可以對數(shù)據(jù)進行過濾和存儲，提高數(shù)據(jù)質(zhì)量，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析提供支持。正是因為這些功能的存在，使得物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)成為智慧城市、智慧工業(yè)、智能家居等領域的核心組件。
在選擇最佳物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)時，必須考慮許多標準，包括應用場景、設備數(shù)量、通信協(xié)議等。本文將探討物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的定義和工作原理，同時還提供有關(guān)如何選擇最佳物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的一些建議。
什么是物聯(lián)網(wǎng)？物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的作用是什么？
“物聯(lián)網(wǎng)”的想法最初出現(xiàn)于1985年：物聯(lián)網(wǎng)(IoT)將是人、流程和技術(shù)與可連接對象和傳感器集成，以實現(xiàn)遠程狀態(tài)監(jiān)控、對象操作和趨勢分析。
物聯(lián)網(wǎng)建立在計算機互聯(lián)網(wǎng)的基礎上，利用無線網(wǎng)絡技術(shù)等創(chuàng)新技術(shù)來創(chuàng)建一個覆蓋整個地球的“物聯(lián)網(wǎng)”。在這個網(wǎng)絡中，物體可以在沒有人為干預的情況下相互通信。其本質(zhì)是利用有線和無線協(xié)議將任何物體連接到互聯(lián)網(wǎng)上，進行通信和信息交換。信息傳感設備的示例包括射頻識別(RFID)設備、紅外傳感器、激光掃描儀等。
在物聯(lián)網(wǎng)時代，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)至關(guān)重要。其充當傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡和傳感網(wǎng)絡之間的管道。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)作為M2M網(wǎng)關(guān)，可以實現(xiàn)各類感知網(wǎng)絡之間、感知網(wǎng)絡與通信網(wǎng)絡之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換。同時，其能夠?qū)崿F(xiàn)廣域和局域連接。此外，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)還要求具備設備管理功能，以便操作人員能夠管理底層傳感節(jié)點，了解各節(jié)點的相關(guān)信息，實現(xiàn)實時顯示、異常報警和遠程控制。
物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)如何工作？
物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)是一種將非IP設備連接到互聯(lián)網(wǎng)的設備。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的工作流程可以分為三個步驟：連接設備、處理數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)到服務器。
連接設備
終端設備和物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)通過各種接口連接。大多數(shù)情況下，傳感器會單方面連續(xù)向服務器傳送數(shù)據(jù)。在某些情況下，還存在設備申請獲取數(shù)據(jù)時，服務器向終端設備發(fā)送數(shù)據(jù)的情況。此時，就需要物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)請求數(shù)據(jù)。
數(shù)據(jù)處理
物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)從終端設備接收到數(shù)據(jù)后，需要將其轉(zhuǎn)換為可傳輸?shù)椒掌鞯母袷健＠纾瑥脑O備發(fā)送到網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)可以用一位十進制數(shù)數(shù)據(jù)替換4位二進制數(shù)來表示，例如二進制數(shù)據(jù)和BCD碼。此類數(shù)據(jù)將在網(wǎng)關(guān)處轉(zhuǎn)換為字符串和數(shù)字表示形式，而不是直接傳送到服務器。
還有一種情況是，大量數(shù)據(jù)在交付給服務器之前被集成，而不是服務器直接從每個設備接收數(shù)據(jù)。這樣做有兩個原因：
首先，通過數(shù)據(jù)整合，可以減少數(shù)據(jù)總量和附加信息量。
其次，通過一起發(fā)送數(shù)據(jù)，可以減輕訪問物聯(lián)網(wǎng)服務時服務器的負擔。
這種情況下，需要根據(jù)服務器確定發(fā)送數(shù)據(jù)的時間間隔和發(fā)送數(shù)據(jù)的協(xié)議。
發(fā)送數(shù)據(jù)到服務器
數(shù)據(jù)接收服務器負責接收物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設備發(fā)送的數(shù)據(jù)。其充當設備和系統(tǒng)之間的橋梁。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)向服務器發(fā)送數(shù)據(jù)的方式有很多種，通常包括以下方式：1、使用HTTP協(xié)議的Web API訪問設備；2、進行語音和視頻的實時通信，如WebSocket、WebRTC；3、一種名為MQTT的新通信協(xié)議已經(jīng)出現(xiàn)，專門用于物聯(lián)網(wǎng)。
物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)功能
物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)是一種可以連接多臺設備的設備，具有直連互聯(lián)網(wǎng)的功能。這允許物聯(lián)網(wǎng)服務將從設備接收的數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫，并分析收集的數(shù)據(jù)。同時，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)還支持向設備發(fā)送指令和信息。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的主要功能如下：
傳感器到云訪問
智能傳感器是物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)中最關(guān)鍵的元素之一。其從物理世界收集各種數(shù)據(jù)，并為物聯(lián)網(wǎng)提供海量的數(shù)據(jù)源。不同的傳感器設備可以連接到物聯(lián)網(wǎng)傳感器網(wǎng)關(guān)，然后可以收集數(shù)據(jù)、檢查協(xié)議，并將其傳輸?shù)狡渌O備或云。
同時，物聯(lián)網(wǎng)傳感器網(wǎng)關(guān)還可以通過負載均衡等技術(shù)，對傳感器采集的數(shù)據(jù)進行緩存和分析，從而提高整個物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的速度和可靠性。
物聯(lián)網(wǎng)設備主要使用Zigbee、Z-Wave和藍牙LE等短距離無線技術(shù)，與物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)進行通信。一些物聯(lián)網(wǎng)設備還使用LoRa等遠程無線技術(shù)連接到物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)。然后，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)通過光纖WAN或以太網(wǎng)LAN將一系列傳感器連接到廣域網(wǎng)(WAN)或云。
各種通信技術(shù)主要是針對特定的應用而開發(fā)的，相互之間缺乏兼容性和系統(tǒng)規(guī)劃。為了實現(xiàn)多種通信技術(shù)標準的互聯(lián)互通，3GPP等一些組織已經(jīng)開始致力于物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的標準化工作。
設備管理
對于任何大型網(wǎng)絡，強大的設備管理能力都是必不可少的。注冊管理、授權(quán)管理、狀態(tài)監(jiān)管等都可以通過物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)管理來實現(xiàn)。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)還可以對子網(wǎng)中的節(jié)點進行管理，包括遠程實現(xiàn)喚醒、控制、診斷、升級、維護，以及獲取其標識、狀態(tài)、屬性、能量等。
每個物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的管理能力因子網(wǎng)標準的不同和協(xié)議的復雜性而異。用戶可以利用統(tǒng)一的管理界面來統(tǒng)一控制外圍網(wǎng)絡節(jié)點，并可以采用模塊化的方式來管理物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的不同感知網(wǎng)絡和應用。
多協(xié)議轉(zhuǎn)換
物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)可以實現(xiàn)各種感知網(wǎng)絡到互聯(lián)網(wǎng)接入網(wǎng)絡的協(xié)議轉(zhuǎn)換，將數(shù)據(jù)統(tǒng)一封裝成標準格式，保證各種感知網(wǎng)絡的協(xié)議成為統(tǒng)一的數(shù)據(jù)和信令，并保證數(shù)據(jù)包解析成感知層協(xié)議能夠理解的信令和控制指令。
邊緣計算
具有邊緣計算能力的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)可以優(yōu)化終端數(shù)據(jù)處理，為數(shù)據(jù)安全創(chuàng)造條件，有效緩解平臺服務器的負載。具體履行以下職責：
支持消息轉(zhuǎn)換和異常報警；
支持在線鏈路檢測和斷開時自動重新連接;
支持設備運行自檢軟件，實現(xiàn)運行故障的自我修復；
支持系統(tǒng)狀態(tài)、網(wǎng)絡連接狀態(tài)、路由狀態(tài)查詢；
支持遠程登錄、web、ssh配置；
支持web升級、本地日志、遠程日志、串口輸出日志。
如何選擇物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)？
物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設備由硬件和軟件組成。如今，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)有多種樣式。那么，選擇物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的標準是什么？
接口：首先要考慮的是用于連接網(wǎng)關(guān)和設備的接口。網(wǎng)關(guān)的接口決定了可以連接的設備，因此選擇與設備匹配的接口是關(guān)鍵。串行通信和USB連接是有線連接技術(shù)的示例。無線連接經(jīng)常采用藍牙、Zigbee、Wi-Fi等；
網(wǎng)絡接口：通常，為了連接外部網(wǎng)絡，會使用以太網(wǎng)、Wi-Fi、4G LTE或5G；
硬件：與普通計算機相比，網(wǎng)關(guān)的CPU和內(nèi)存性能受到限制。因此在考慮網(wǎng)關(guān)的物理功能之前，必須明確其用途。
軟件：操作系統(tǒng)、應用環(huán)境、編程語言、開發(fā)環(huán)境等都是軟件的例子。大多數(shù)情況下，網(wǎng)關(guān)運行在Linux操作系統(tǒng)上。
電源：大多數(shù)網(wǎng)關(guān)依靠交流適配器供電，有些網(wǎng)關(guān)可能內(nèi)置鋰電池。
物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)常見問題解答
問：什么是物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)？
答：物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)是將執(zhí)行器、傳感器和其他智能設備連接到云的硬件或軟件。物聯(lián)網(wǎng)設備和云之間傳輸?shù)乃袛?shù)據(jù)都通過物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)進行路由。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的另一個名稱是，智能網(wǎng)關(guān)或控制器。
問：什么是物聯(lián)網(wǎng)云網(wǎng)關(guān)？
答：物聯(lián)網(wǎng)云網(wǎng)關(guān)也充當網(wǎng)絡路由器，用于在物聯(lián)網(wǎng)設備和云端之間發(fā)送數(shù)據(jù)。早期，大多數(shù)網(wǎng)關(guān)設備只是將數(shù)據(jù)從物聯(lián)網(wǎng)設備發(fā)送到云端。如今，網(wǎng)關(guān)設備能夠管理輸入和輸出流量。輸出流量用于將物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)發(fā)送到云端，輸入流量用于設備管理任務，例如固件更新。
物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的功能不僅僅是路由流量。在傳輸?shù)皆贫酥埃袝r可以通過邊緣網(wǎng)關(guān)設備在邊緣本地對數(shù)據(jù)進行預處理。作為流程的一部分，設備可以對數(shù)據(jù)進行重復數(shù)據(jù)刪除、匯總或聚合，以減少需要傳輸?shù)皆频臄?shù)據(jù)量。響應時間和網(wǎng)絡傳輸費用可能會受到很大影響。
問：如何增強物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的安全性？
答：采用具有篡改檢測、加密、硬件隨機數(shù)生成器和加密引擎等功能的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，是企業(yè)可以用來保護其物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡的一種方法。這可以幫助保護單個設備免受攻擊，并保護物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)。
物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)可以為物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡及其傳輸?shù)臄?shù)據(jù)添加額外的安全層。企業(yè)保護其物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡的一種選擇是實施具有篡改檢測、加密、硬件隨機數(shù)生成器和加密引擎的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)。這可以幫助保護物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，并防御對特定設備的攻擊。
