工业物联网网关的研究与实现

刘清

摘要：工业物联网是工业领域的物联网技术，是将工业领域的感知设备、控制终端设备、工业网络设备以全球移动通信技术为基础进行互联互通。随着新兴技术在传统工业领域的应用，当前融合了云平台、边缘计算、大数据分析和人工智能等技术的新型工业生产模式，正促使工业物联网向数字化、智能化快速转变。工业物联网网关作为工业物联网的重要组成部分，实现了工业物联网到工业互联网的全面转换。

关键词：通用工业物联网;网关设计;硬件设计;智能化改造

引言：网关的设计影响网络节点的工作，在通用工业物联网中，网关设计的影响更为明显，应予以优化。本文以通用工业物联网网关设计要求作为切入点，予以简述，再以此为基础，进行相关设计方法的论述，给出总体设计框架、硬件设计和软件设计等内容，论述其作业流程，服务后续工作。

1设备联网的意义、挑战及分析

1.1设备联网的重要意义

设备联网是工业制造业企业实现信息化、数字化、智能化的关键，也是推进工业物联网建设的核心，通过设备联网可推进企业在生产制造和运营等环节的有效管控，可实现设备优化利用及预测性维护、企业领导决策、运营及营销等工作提供全方面、多维度的依据和参考。在生产制造方面，一是实现设备资源共享，盘活企业设备资产，提升资产利用率;二是实现设备预测性维护，缩短设备宕机时间，降低设备故障给企业带来的生产影响;三是利用在线分发和版本控制实现生产研发和制造管理协同，加速企业设计研发。在业务运营方面，一是实现企业设计、销售等全生命周期的管控和提高生产运营效率，优化生产流程及规避“接私活”隐患;二是结合物联网的设备数据应用，赋能人力资源;三是实现远程设备远程诊断、故障处理，以及多人协同式操控;四是通过多维度设备相关数据采集和挖掘分析，实现精准营销。

1.2设备联网的问题和挑战

物联网技术在工业领域的应用已成为业内焦点，但也面临着诸多问题和挑战。一是平台及工控安全不可控，针对纷繁复杂的网络环境，还缺乏可行的安全解决方案有效防御和解除攻击;二是平台规范和标准不同统一，尽管工业互联网平台迎来了“百花齐放，百家争鸣”的局面，但各自建设的API接口、业务系统、设备网关等互通共享难，开放性、可拓展性较差;三是设备和传感器投入成本高，物联网系统中运行大量传感器和、设备、网络和存储都是企业的消耗;四是设备和平台请求及响应延时性比较高，用户体验较差，5G技术在硬件加速、平台分布式、数据分布式等方面有一定普及和应用前景。

2通用工业物联网网关的设计方案评测

2.1模拟实验

为了解通用工业物联网网关设计的效果，建立模拟实验进行评测，通过计算机建立实验模型，利用参数调整法进行实验分析。观察指标为业务响应时间、有效连接建立时间、故障发生率。可变参数为单位时间业务总量，干扰等级以及信息存储空间。为保证获取线性实验信息，其他影响参数均默认为零，创造理想实验室环境进行实验分析。

2.2实验过程

实验共分为三组，第一组保持干扰等级为低，信息存储空间充足，分别设定单位时间业务总量为“低”、“中”、“高”，各进行50次实验，第二组保持信息存储空间充足，单位时间业务总量为低，分别干扰等级为“低”、“中”、“高”，各进行50次实验，第三组保持保持干扰等级为低、单位时间业务总量为低，分别设定信息存储空间为“充足”、“不足”，各进行50次实验，观察实验过程中通用工业物联网网关是否能够有效进行作业，记录业务响应时间、有效连接建立时间、故障发生率。

2.3实验结果

第一组实验结果见表1：

从结果上看，在业务量较低、其他条件理想的情况下，通用工业物联网网关能在0.031s内完成业务相应，并在0.042s内完成关联网络链接，故障发生0次;在业务量中等、其他条件理想的情况下，通用工业物联网网关能在0.048s内完成业务相应，并在0.081s内完成关联网络链接，故障发生1次，占比2.0%，在业务量较高、其他条件理想的情况下，通用工业物联网网关能在0.432s内完成业务相应，并在0.913s内完成关联网络链接，故障发生6次，占比12.0%。这表明，单位时间内业务量过大，网关无法完成快速處理，面临故障和延迟风险。

第二组实验结果见表：

从结果上看，在干扰等级较低、其他条件理想的情况下，通用工业物联网网关能在0.092s内完成业务相应，并在0.138s内完成关联网络链接，故障发生1次，占比2.0%;在干扰等级中等、其他条件理想的情况下，通用工业物联网网关能在0.866s内完成业务相应，并在1.266s内完成关联网络链接，故障发生7次，占比14.0%，在干扰等级较高、其他条件理想的情况下，通用工业物联网网关能在3.151s内完成业务相应，并在5.074s内完成关联网络链接，故障发生12次，占比24.0%。这表明，单位时间内干扰等级过高，网关无法完成快速处理，面临故障和延迟风险。

3工业物联网网关软件设计

工业物联网网关软件内部功能模块包括感知层设备管理、感知层数据管理、网关管理、网络管理、协议转换、安全传输等功能。

3.1感知层设备管理

在工业物联网网关中建立感知层设备表，通过网络接口实现对感知层设备的远程通讯控制，实现对感知层设备进行实时在线诊断、配置、调试和升级。

3.2感知层数据管理

工业物联网网关对感知层数据进行采集、分析、存储和传输。在对感知层设备表中的设备进行采集时，监测设备报警状态、上线时间、掉线时间、持续运行时间;分析采集数据，实现多层级报警、异常联动控制;采用多索引映射技术对各种感知层数据进行分类存储;传输数据包括实时报警状态数据，主动上传应用层网络。应用层网络也可以通过网络协议访问工业物联网网关数据存储表。

3.3网关管理

对工业物联网网关采用客户端软件进行配置，采用权限认证机制访问网关，非授权用户不得访问;在网关中设计用户权限管理机制，分为管理员（最高权限）、一级用户（安装调试人员）、二级用户（只读）三个层级进行管理;网关系统参数、网络参数、感知层设备表参数、协议转换参数、数据映射参数进行分类存储;通过客户端可实现网关远程固件更新。

3.4网络管理

通过FTP、SSH/TELNET、Webserver和SNMP等方式对设备运行状态和网络资源进行配置、测试、分析、监视、评价、控制。

3.5协议转换

工业物联网网关中集成通用的短距离通信协议，能覆盖大部分工业领域的感知层设备，为感知网络节点数据提供统一的封装，保证不同的协议能够抽象成统一的数据帧，通过上行通信接口上传至应用服务器端;应用服务器端数据，通过通用的工控协议、互联网协议将数据下发给工业物联网网关，网关通过协议解析，将数据帧拆解并重新组合成感知层网络能识别的数据帧，通过下行通信接口进行下发。

3.6 安全传输

工业物联网网关基于TCP/IP协议通信技术通信，网络安全对整个系统的安全起着至关重要的作用。为保证网络通信安全传输，设计采用openssl和iptable保证通信安全。

结语：本文提供了一种感知层设备接入工业互联网的解决方案。文中设计的工业物联网网关，实现了工业领域的感知层设备协议兼容、实现了物理环境的监测和控制。为应用层屏蔽感知层网络差异提供了一种新的解决方案。

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