基于工业互联网的智能网关应用技术研究

廖远来

（河源职业技术学院，广东 河源 517000）

0 引言

近年来，随着物联网技术、计算机技术、嵌入式技术以及网络通信技术的发展，工业领域成为物联网技术的重要应用领域，工业互联网是制造业数字化、信息化、智能化的重要载体，已经成为全球新一轮产业竞争的制高点。智能网关作为工业互联网应用中重要的管理中心和中转站，承担着各个系统的控制命令发布和数据信息采集和传输的功能，实现了工业内部通信网络和外部通信网络的连接和融合。本文论述了一种面向复杂工业环境下的工业互联网网关的设计实现方案，能够适应多种实际应用场景，满足特定的功能和性能需求，具有系统功耗低、支持多种通信方式的特点。

1 系统整体方案设计

基于工业互联网的智能网关系统采用CAN（Controller Area Network），即控制器局部网的通信方式，它是目前应用最广泛的现场总线之一，具有可靠性高、实时性强、灵活性好的特点。采用ARM 9架构的微处理器作为网关子系统的核心控制器，相比于ARM 7和ARM 11系列的处理器，ARM 9微处理器在功耗、运行频率以及运算速度等方面具有较高的性价比，满足网关子系统对核心控制器的性能需求。采用基于Cortex-M的多系列处理器作为采集终端子系统的处理器，能够实现应用场景中数据的采集与无线网络模块的数据传输。采用嵌入式Linux作为网关子系统的嵌入式操作系统，该操作系统具有功耗低、运行稳定、网络支持多样化以及占用资源少的优点，并且该系统开放度高，具有标准API接口，能与多种第三方软硬件兼容。

基于工业互联网的智能网关系统在结构上包含网关子系统，环境数据采集子系统，设备运行功能数据采集子系统以及监控服务器子系统。在传输网络上包含三个模块，即无线传感网络模块、4G网络模块、局域网和工业网络模块。系统采用主动式和应答式相结合数据传输机制，不仅能确保数据传输的稳定性和连续性，还能降低系统功能，保证系统的长期可靠运行。该系统实现了数据的采集、传输、监控和存储，通过分布在不同位置的数据采集传感器，通过无线传感网络将采集数据发送至智能网关，然后利用现场总线和多种无线网络通信系统将采集的信息上传至数据监控交互中心，完成基于本地嵌入式服务器和远程云端服务器结合的数据存储服务，最终实现对整体工业现场数据和信息的智能化监控和管理。

2 系统的硬件设计

基于工业互联网的智能网关系统硬件平台设计的好坏，直接影响着系统的性能和运行可靠性。硬件平台主要包含环境数据采集终端，设备运行数据采集终端以及智能工业互联网网关平台。

环境数据采集终端实现了对工业现场环境数据的实时采集以及数据通过无线网络的交互传输功能，是确保数据及时、准确采集的保障，为系统的控制提供判断依据。该终端模块采用基于ARM Cortex-M3架构的STM32L151作为核心控制器，以该控制器为核心设计外围最小系统电路，搭配不同的环境传感器，包含温度传感器、湿度传感器以及光照强度传感器等来采集环境数据，搭配RF模块实现无线收发功能，具体选用LSDRF4317N01模块，是专用的微功率无线数传模块。

设备运行数据采集终端实现了对工业现场设备运行数据的实时采集以及数据通过无线网络的交互传输功能，与环境数据采集终端类似，同样选用基于ARM Cortex-M3架构的STM32L151作为核心控制器，外围搭配不同的设备数据采集传感器，包含电流传感器、加速度传感器等，搭配Zigbee模块实现无线收发功能，具体选用FZB5000系列，是短距离无线数据传输等应用领域的理想数据传输的解决方案。

智能工业互联网网关平台是整个系统的重要核心，是多种传感网络的数据交互和处理中心，承担着多种网络通信协议的转换功能。基于以上功能考虑，选用基于ARM 9内核的Marvell PXA310核心处理器，基于该处理器组件最小系统，以此来扩展外围模块，包含：CAN模块、网络模块、数据传感模块、ZigBee模块以及RF模块等。

3 系统的软件设计

基于工业互联网的智能网关系统软件平台设计是在硬件平台上构建的，承担着完成各模块系统功能的具体实现。系统软件平台包含网关平台模块、嵌入式服务器模块、数据采集终端模块以及服务器模块。

网关平台模块完成了各个模块之间信息传输与通信协议的转换功能，网关平台是运行于嵌入式Linux操作系统中，该嵌入式Linux操作系统植入于ARM微处理器中，从而实现了系统的协议统一管理。运行程序中，应用程序承担了具体实现的主体功能，不仅要进行多应用软件的通信连接，还要进行数据的传输交互。驱动程序是应用程序与硬件模块功能实现的驱动接口，最终通过总线通信方式完成数据的互联互通。

数据采集终端模块与网关平台模块不同，不需要在微处理器中植入操作系统，仅仅运行于STM32单片机中即可。数据采集终端模块由两部分组成：①采集终端。采集终端直接与各种数据采集传感器相连接，将传感器采集的数据进行上传，采集终端是整个传感网络的终端节点；②协调器终端。它与网关平台相互连接，主要完成系统无线网络的构建工作，从而将采集的数据汇集并上传至网关平台。

嵌入式服务器模块和服务器模块是将传统服务器应用到场景和运行机器的数据采集与监测控制中来，利用各种智能化软件和系统，依托高可靠性硬件，使得嵌入式采集设备的数据能够具备更高的系统集成性，具有数据采集和信息发布的功能。依托嵌入式Web平台，实现嵌入式服务器模块和服务器模块能够通过友好的人机界面展现在使用者面前，方便用户对数据进行查看，对设备进行控制。

4 结论

物联网将传统通信网络与无线传感网络相互融合，基于互联网的智能网关在这一融合中发挥了重要作用，将数据进行有机的组合和接入，实现数据的互联互通，构建了完整且全面的管理系统。本文介绍了基于工业互联网架构的智能网关系统的设计和实现方法，并讨论了软硬件模块的具体实现方式。