工业互联网智能网关的研究与实现

李毓英

（抚顺职业技术学院, 辽宁 抚顺 113122）

1 工业互联网智能网关概述

工业智能网关也叫工业物联网智能网关、无线数据采集网关、通信采集网关，或PLC无线网关、工业通信网关，属于无线传感器网络产品。工业智能网关是一款具备挖掘工业设备数据并接入自主开发的云平台的智能嵌入式网络设备。它具备数据采集、协议解析、边缘计算、4G/3G/WiFi数据传输和接入工业云平台[1]等功能，支持采集PLC、传感器、仪器仪表和各种控制器，适合作为大规模的分布式设备的接入节点。工业网关是为满足工业级标准和工业用户需求而设计的工业级智能网关。

2 国内外研究现状

根据2017年国务院发表《国务院关于深化“互联网+先进制造业”发展工业互联网的指导意见》可以看出[2]，国内工业互联网最近几年蓬勃发展，各种互联网产品如雨后春笋不断涌现。又据互联网资料和搜索同类产品可以发现，目前大多数厂家产品集中在工业DTU范围，智能网关产品数量不多，且产品的优势和劣势比较明显。

目前国内宏电和研华的相关网关产品代表国内一线水平，尤其在华为5G工业模组技术加持下发展迅猛，但是毕竟是大公司、领头羊式的发展模式，5G工业模组获取不到，几家大公司的产品覆盖面毕竟有限。对于国内大部分中小企业来说，钻研并研发自己的相关产品，并找准切入点，占用对应的市场份额，研发对应产品，满足相应的市场需求，还是有相当广阔的市场空间。

3 智能网关网络

智能网关以串口连结工业设备[3]，通过网口或WiFi连接Internet，网络如图1所示。

图1 智能网关网络

4 系统模型设计

智能网关北向接口连接组态网软件、串口服务器、MQTT服务器等，南向接口连接工业设备，如PLC等。南向接口将支持modbus rtu master，can bus，zigbee物联网设备等，模型设计如图2所示。

图2 系统模型设计

5 关键技术-数据缓存设计

网关的内存分配采用slab分配器，针对嵌入式系统优化的内存分配算法，去掉了其中的对象构造及析构过程，只保留了纯粹的缓冲型的内存池算法。slab分配器会根据对象的大小分成多个区（zone），也可以看成每类对象有一个内存池。一个zone的大小在32 K到128 K字节之间，数据缓存主要有以下几个操作。

5.1 内存分配

假设分配一个32字节的内存，slab内存分配器会先按照32字节的值，从zone array链表表头数组中找到相应的zone链表。如果这个链表是空的，则向页分配器分配一个新的zone，然后从zone中返回第一个空闲内存块。如果链表非空，则这个zone链表中的第一个zone节点必然有空闲块存在（否则它就不应该放在这个链表中），那么就取相应的空闲块。如果分配完成后zone中所有空闲内存块都使用完毕，那么分配器需要把这个zone节点从链表中删除。

5.2 数据在内存块中的存储格式

uint8_t cmd;//[Cmd]:命令，所有设备参考modbus，设备地址通过Mqtt设置，需要保存

6 创新点

自主研发嵌入式RBB（Ring Block Buffer）技术，实现多客户端实时通信，不占用串口资源，且RBB自身支持modbus rtu协议所有功能，RBB自身智能占用串口通信，进行数据的更新与备份，重启后根据北向报文存储有效数据，实时遵循设置优先原则，100万发包量错误率为0，mqtt协议配置支持嵌入式数据库存储，配置进行保存，重启自动调用配置，强大无与伦比。

目前市面不少类似的DTU产品，可以提供部分协议转换功能，但是主要缺点在于只能进行单一协议的透传，且只能支持一路接入，当大于一路接入的时候，就会出现串口抢占，马上报文出错，通信失败，在工业控制中这是无法解决的矛盾。

7 结语

工业互联网智能网关适用于工业互联网相关应用，可用于连接供热控制系统，石油和天然气，医疗保健和电力公用事业等行业中的机器和设备。工业网关是物联网和工控系统的核心组成器件，产品前景广大，在系统稳定性、缓存技术方面有独特创新的产品，在目前市场中有很强的技术优势，市场前景良好。工业物联网智能网关有非常大的经济效益，在工业控制中应用量巨大，基本所有带串口的设备，如PLC、工业仪表、流量压力温度计以及嵌入式设备等，都可以相连，真正实现万物互联。