基礎知識：工業物聯網閘道器、工業物聯網平臺、邊緣計算閘道器

工業網際網路越來越火爆，正在加速中國新型工業化、推進智慧製造的發展程序。工業網際網路的第一步，是透過工業閘道器，實現廣泛的裝置接入。那麼，裝置如何接入，市面上的裝置接入方式有哪些，工業閘道器與工業AP、DTU這些傳統關口又有什麼區別呢？

首先，我們來了解一下什麼是“閘道器”。閘道器從字面意義上來看，就是網路的閘口，好比高速收費站，任何資料透過時，都需要驗一下。這個閘口的功能性也很多樣，比如閘口兩端的內容形式是不一樣的，閘道器的作用是翻譯器；又或者閘口會阻攔任何有問題的資料透過，那閘道器的作用就是過濾器。

什麼是物聯網閘道器？

物聯網閘道器是物聯網領域的一種通訊裝置。在物聯網系統層次架構中的位置：感知層終端裝置->閘道器->骨幹網->運用。

能夠提供上行和下行的連線以及提供邊緣計算的能力。南向下行連線感知層裝置，北向上行連線傳輸通道（上位機、骨幹網、遠動機、雲平臺等）。

物聯網閘道器的基本結構：南向介面北向介面安全管理與協議轉換

北向介面需要接入網際網路，所以通常的選擇有 RJ45 乙太網口、光纖介面、Wi-Fi 和 4G、NB-IoT 等蜂窩網路模組等。

南向介面用來連線物聯網裝置，除了剛說的 BLE、ZigBee、LoRa、Wi-Fi 這些無線技術的介面，常見的還有用在工控機（Industrial Personal Computer，工業控制計算機）上的 RJ45 乙太網口、RS232、RS485 等有線介面。這裡需要注意的是，每個閘道器裝置的介面型別和個數不是固定的，因為閘道器產品一般會根據應用場景確定幾個不同的規格型號。

不同型號的閘道器需要支援不同型別的協議，以及不同個數協議的轉換，所以閘道器的協議轉換功能一般採用外掛的軟體架構方式。

物聯網閘道器的基本要求——嚴苛工業場景下長年無人值守穩定執行

物聯網閘道器與傳統的路由器、交換機工作環境不同。傳統的路由器、交換機都在機房中，開著空調，有專門的工作人員做維護，。保證工作環境，如溫度、溼度、空氣質量等。而物聯網閘道器的工作環境就比較差，它可能在室外、在高溫高壓、甚至在水中工作，環境比較惡劣。所以物聯網面臨著眾多挑戰。如：

挑戰1：如何相容各種本地裝置各種複雜的通訊方式、介面、通道和協議？如何在苛刻的環境下可靠的工作？

挑戰2：如何在建設中利舊，保護已有的投資？

挑戰3：如何面對開放IP的安全問題？

挑戰4：如何實現物聯網的高效部署與運維？

眾多的挑戰便促生了工業物聯網閘道器。

如何攻克挑戰？

工業物聯網閘道器集成了本地多傳輸通訊鏈路方式的整合和協議轉換、通訊路由、資料交換、安全防護、穩定運行於一體的融合閘道器。它提供了工業級的標準設計，如：防震，防水，防電磁干擾等；並且支援多種介面，多種協議，能夠統一的進行協議的轉換，將下行鏈路傳輸過來的適用於物聯網通訊協議包裝的資料轉化成傳統網路通訊協議能識別的資料（IP資料），這樣的話就能再上行鏈路上以IP資料傳輸；支援邊緣計算，能夠快速響應；還能提供全鏈路加密互聯，有效降低來自感知層的業務風險；物聯網閘道器支援智慧運維：自助處理故障、遠端測試與診斷。

如何相容各種裝置？需要物模型資料抽象傳統的各種接入裝置。什麼是物模型？

物模型是物理實體的數字化模型，但主要針對的是物聯網中應用的開發和裝置的互操作。這個模型如果更進一步，集成了物理實體的各類資料，那就是物理實體的忠實對映。同時，在物理實體的整個生命週期中，它會和實體一起進化，積累各種資訊和知識，並且促進物理實體的最佳化。這樣的模型就是物理實體的數字孿生。裝置影子用於快取裝置狀態。應用程式可以透過裝置影子直接獲取裝置最後一次更新的屬性值，而無需每次都訪問裝置。裝置線上時，可以直接獲取應用指令；裝置離線後，再次上線可以主動拉取應用指令。

如果裝置網路穩定，很多應用程式請求獲取裝置狀態，裝置需要根據請求響應多次，即使響應的結果是一樣的。但是可能裝置本身處理能力有限，其實無法負載被請求多次的情況。使用裝置影子機制，裝置只需要主動同步狀態給裝置影子一次，多個應用程式請求裝置影子獲取裝置狀態，即可獲取裝置最新狀態，做到應用程式和裝置的解耦。比如，智慧斷路器電燈的開關狀態這個屬性，可以遠端控制，也可以在本地透過物理開關改變。如果網路不穩定，那麼平臺上儲存的狀態，和裝置的真實狀態可能會不一致，導致後續操作邏輯錯誤。裝置影子可以透過雙向的同步，實現伺服器端和裝置端屬性的一致，從而解決這個問題。

物聯網閘道器主要功能

管理功能。物聯網閘道器可以獲取各節點的屬性和實時狀態資訊，並實現對節點的狀態控制、喚醒與睡眠、線上診斷等功能，同時支援透過二次程式設計實現對節點的自動化管理。

源定址功能。定址技術可確保各個節點的資訊被精準實時地定位和查詢，以滿足跨域通訊的需求。由於節點地址結構與DNS的域名結構不同，因此需要開發新的源定址技術。

協議轉換與資料格式標準化功能。為了實現無線感測網路與傳統通訊網路的資料互動，需要由閘道器充當協議轉換的角色，將上傳的標準格式資料進行統一封裝，將下發的資料解包成標準格式資料，使得指令可被識別。

物聯網閘道器通常基於工控計算機設計，以滿足對效能和應用的需求，並對整個系統的資源進行管理。在工業應用中受實時性、穩定性、環境與成本限制，物聯網閘道器常以無線廣域網（WWAN）和本地現場匯流排的結合為主，以適應各種複雜的工業環境。現階段較為成熟的無線廣域網通訊技術有GPRS技術、4G技術和衛星通訊技術，而應用廣泛的現場匯流排技術有CAN、PROFIBUS、LONWORKS、HART、MODBUS等。

資料傳輸可以在主動或被動的工作機制下執行。處於主動工作模式時，只有在被控資料產生變化，或設定定時任務時才會產生資料傳輸，其優點是簡化了終端採集功能，並降低了執行功耗；處於被動工作模式時，只有在收到主動發出的查詢指令時才會產生資料傳輸，給予了監控中心許可權，但功耗升高，傳輸效率降低。物聯網閘道器採用混合式資料傳輸機制，使用應答機制偵聽雙向資料，使用主動機制多閾值定時採集傳輸資料，從而兼顧了主動式和應答式的優點，在功耗與傳輸效率間取得了平衡。

物聯網閘道器是否需要支援邊緣計算？

在進行萬物互聯的時代，物聯網裝置的增多，導致了許多資料需要傳輸到雲端進行分析，這也就對雲端以及傳輸的頻寬帶了許多的壓力，而且在傳輸的過程中，還會產生資料洩露的危險。將資料在邊緣端進行計算，減少雲端處理資料的壓力，同時避免了資料洩露的危險。既滿足行業數字化在敏捷連線、實時業務、資料最佳化、應用智慧的需求也可以同時滿足安全與隱私保護等方面的關鍵需求。

物聯網從底層終端裝置收集資訊，透過物聯網通訊技術（如：ZigBee、RF、Wi-Fi、REthernet、RS-485、PLC等）接入閘道器再透過通訊技術（3G、4G、Ethernet、LTE、xDSL等）接入網路，將資訊傳輸到物聯網平臺（伺服器），如果在平臺做了規則策略則直接在平臺處下發一條命令，透過傳統的網路傳送到閘道器再尋找到相應的裝置將命令下發給裝置，裝置執行命令；如果沒做規則策略，應用對接平臺，則在應用端（手機APP）可以進行操作，將操作命令下發到平臺，同樣的原理，下發到物聯網終端裝置，執行命令。

如果閘道器到平臺中間的傳統網得不到保證的話，比如發生擁塞，高時延，資料就無法傳輸到平臺，就無法保證業務實時性。所以就在閘道器處提供計算能力，也就是邊緣計算。

邊緣計算是靠近終端裝置的網路邊緣節點上，利用本地閒置資源進行計算，提供連線、計算、儲存、控制與應用功能。滿足使用者實時、智慧、安全和資料聚合等需求。

邊緣計算的核心價值？

支援實時性業務

支援邊緣智慧分析處理

支援邊緣智慧分析處理

資料聚合、私有的安全域。

工業物聯網閘道器適用的範圍很廣。如：充電樁、電力抄表、路燈、公交車、園區物聯網等。提供低功耗、智慧邊緣計算、實時處理業務等功能。

物聯網雲平臺系統架構

物聯網雲平臺主要包含四大元件：

裝置接入：可以在智慧裝置與雲端之間建立安全的雙向連線；

裝置管理：服務有生命週期、裝置分組、裝置影子、物模型、資料解析、資料儲存、線上除錯、韌體升級、遠端配置、實時監控等；

規則引擎：規則引擎透過建立、配置規則，以實現資料流轉和場景聯動。主要作用是把物聯網平臺數據透過過濾轉發到其他雲計算產品上；

安全認證及許可權管理

1、實現工業現場裝置遠端控制；

2、實現裝置韌體遠端升級，程式上下載，可靈活接入各種裝置管理平臺；

3、實現工業現場觸控式螢幕遠端控制和組態畫面遠端對映；

4、可同時與多臺PLC或觸控式螢幕遠端通訊；

5、實現西門子、三菱、歐姆龍、施耐德、臺達、匯川、和利時、松下、永宏、海為和 MODBUS 系列等PLC等主流協議硬體解析；

6、 實現PLC遠端監控，PLC遠端程式設計，PLC遠端除錯，PLC遠端上下載，PLC遠端控制，PLC資料採集，PLC遠端通訊；

目前市場上裝置接入硬體種類繁多，常見的有數採閘道器、工業AP、工業DTU、工業閘道器，還有邊緣計算盒子和工業路由器等：

物聯網資料採集閘道器，也叫工業物聯網智慧閘道器、無線資料採集閘道器、通訊採集閘道器，無線閘道器，工業通訊閘道器，工業乙太網串列埠智慧閘道器，RS485串列埠Modbus智慧閘道器，屬於無線感測器網路產品。具有高度整合化的特點，集資料接收、協議轉換、無線通訊傳輸等功能，支援多種通訊協議和通訊方式，可採用4G，5G，wifi及乙太網等多種通訊方式。

1。工業AP

基於各類無線連線（WIFI，藍芽，LoRa）方式，實現與裝置的連線與內部矩陣式組網，透過上位連線裝置（閘道器，工控機）實現資料的傳輸。

2。工業DTU資料透傳閘道器、資料傳輸單元

基於各類無線連線（WIFI，藍芽，LoRa等）方式，實現單臺裝置資料的透明傳輸，利用串列埠轉乙太網的方式，將裝置上的資料傳輸到上位機（就地監控系統、主機）或雲端（遠動站、物聯網雲平臺、裝置管理雲平臺）。由上位機或雲端按照裝置約定的資料協議解析。

3。工業閘道器

除了裝置連線與網路傳輸之外，閘道器內建了協議棧，可以實現協議之間的轉換，可在本地執行聯動指令碼實現對裝置的控制，設定資料傳輸策略與邏輯判斷，作為智慧機可安裝作業系統並搭配對應的外部/本地配置介面。

4。邊緣計算物聯網閘道器

在傳統工業閘道器的各類功能（多裝置連線、資料採集、協議轉換、指令碼執行等）以外，作為上位機可以接受來自工業AP/工業DTU/閘道器等下位裝置的資料，透過裝置本身的儲存空間進行資料儲存，選擇應用資料上傳雲端，並利用裝置自身晶片進行一些指令碼與APP需求的本地運算與執行。

同時，作為紮根生產現場的邊緣計算節點，具有輕量化、高效能、低功耗、接入方便等特點，可以在本地對海量裝置資料進行處理與分析，提高運算效率，還能夠作為工業互聯和工業APP的載體，縮短工業網際網路平臺上各類業務操作響應時間，節約企業成本，價效比很高。

5。工業路由器

實現企業車間內不同無線模式（WIFI。藍芽。乙太網）接入裝置的連線，並透過4G/5G網路將資料傳輸到雲端伺服器。

通俗來說，工業AP和工業DTU差不多，都是你給我什麼，我就上傳什麼，不過我要是上不了網，工業DTU也能幫我把資料帶上去。

工業閘道器能存點資料，也能上傳點有用的資料，還能順便控制下裝置。

邊緣計算閘道器，顧名思義，能進行計算，還能執行程式，只把需要的資料帶在身邊。

工業路由器就是資料傳輸，能保證車間現場環境下的裝置連線，想盡辦法把資料傳出去。

除了以上介紹的常見裝置接入硬體之外，還有PLC物聯網模組和工控機。

6。PLC物聯網模組

負責上傳PLC的資料，透過物聯網模組藉助各類無線傳輸方式，將PLC本體與其他模組的資料上傳到上位機或雲端，同時藉助PLC實現對裝置的控制。

7。工控機

是邊緣計算盒子的可替換版本，可外接顯示器進行使用，基本功能與網路傳輸方式與邊緣計算盒子相同，同樣具有資料接收/資料儲存/資料上傳與本地計算和執行相應程式的功能，部分工控機為帶觸控式螢幕的一體機，在功能上較為強大，閘道器和邊緣計算盒子能幹的它都能做到。