物聯(lián)網(wǎng)中的智能網(wǎng)關(guān)應(yīng)用及原理

在現(xiàn)代生產(chǎn)企業(yè)中，生產(chǎn)線的自動化系統(tǒng)一般采用以 PLC 為主要節(jié)點的控制、通信網(wǎng)絡(luò)，最常用的是現(xiàn)場總線協(xié)議；同時在企業(yè)的管理經(jīng)營系統(tǒng)一般采用計算機(jī)為主要節(jié)點的通信網(wǎng)絡(luò)，以 TCP/IP 協(xié)議為主，如何實現(xiàn)不同應(yīng)用系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)通信，打通不同通信協(xié)議間的數(shù)據(jù)通路，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、存儲、轉(zhuǎn)發(fā)等功能，如生產(chǎn)指示快速下達(dá)和生產(chǎn)狀態(tài)的快速發(fā)布，從而提升企業(yè)管理生產(chǎn)效率，是數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)技術(shù)出現(xiàn)和發(fā)展的客觀要求。?

數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)的基本原理

數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)的作用就是連接不同的通信系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)互通，所以首先要對不同系統(tǒng)進(jìn)行物理連接，在物理連接的基礎(chǔ)上，再根據(jù)不同系統(tǒng)的通信協(xié)議，利用協(xié)議允許的接口進(jìn)行軟件連接，通過數(shù)據(jù)接收、提取、發(fā)送的過程實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)的實現(xiàn)方式

根據(jù)上文所述數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)的基本原理可知，數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)需要的兩個要素：接口和數(shù)據(jù)處理?，F(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展帶來的豐富的接口選擇和強(qiáng)大的計算能力恰好為此提供了條件，一臺具備相應(yīng)接口的，安裝了相應(yīng)數(shù)據(jù)處理軟件的計算機(jī)，就是一個數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)。

現(xiàn)有實現(xiàn)方式中最典型的代表就是工業(yè)控制計算機(jī)（簡稱工控機(jī)），生產(chǎn)廠商將各種接口進(jìn)行模塊（卡）化設(shè)計，將其與通用的計算機(jī)主機(jī)模塊結(jié)合，就實現(xiàn)了通用計算機(jī)接入特定通信系統(tǒng)的目的，客戶購買時根據(jù)需要選擇接口模塊（卡）和滿足處理能力的通用計算機(jī)主機(jī)就可以方便的搭建出數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)的硬件平臺，在此基礎(chǔ)上再開發(fā)專用的數(shù)據(jù)處理軟件，就能夠?qū)崿F(xiàn)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析、存儲、轉(zhuǎn)發(fā)等功能。?

數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)的應(yīng)用

數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)的基本功能是進(jìn)行不同通信協(xié)議間內(nèi)容的翻譯轉(zhuǎn)換，但是對這個過程中的數(shù)據(jù)如何進(jìn)行處理，或者如何使用這些數(shù)據(jù)，決定了數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)的應(yīng)用。根據(jù)對數(shù)據(jù)處理方式的不同，可將數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)分成普通數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)和專用數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)兩種。?

1、普通數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)

該型數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)以數(shù)據(jù)傳輸功能為主，對所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)只進(jìn)行簡單處理，如有效性過濾、存儲、重新組織等。最典型的應(yīng)用是控制系統(tǒng)中的操作上位機(jī)系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過工業(yè)以太網(wǎng)、現(xiàn)場總線或者其它方式接入控制系統(tǒng)，將采集到的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)（一般是 TCP/IP 協(xié)議）發(fā)送至操作員上位機(jī)，在控制畫面上顯示相應(yīng)狀態(tài)，同時又將上位機(jī)發(fā)出的操作指令發(fā)送給現(xiàn)場 PLC 等控制器，實現(xiàn)了現(xiàn)場設(shè)備通信系統(tǒng)與人工操作通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)連通。在這個典型中難以找到具體的數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)，實際上是由操作上位機(jī)集成了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的功能，充當(dāng)了數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)的角色。除此以外，本世紀(jì)開始廣泛應(yīng)用的 ERP、MES、ASP 等先進(jìn)的管理系統(tǒng)，與生產(chǎn)流水線控制系統(tǒng)實現(xiàn)信息互通，這需要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)組織、存儲、轉(zhuǎn)發(fā)等，就更加需要使用數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)作為主要的信息橋梁和中轉(zhuǎn)站。?

上圖顯示了一個綜合的生產(chǎn)控制系統(tǒng)，數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)用來連接生產(chǎn)流水線控制系統(tǒng)和生產(chǎn)指揮系統(tǒng)，起到了數(shù)據(jù)中樞的作用。配置了數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)，整個系統(tǒng)就具備了以下功能：

(1) 生產(chǎn)數(shù)據(jù)、狀態(tài)的實時存儲。通過數(shù)據(jù)庫可以保存長期歷史數(shù)據(jù)，方便進(jìn)行生產(chǎn)過程分析和質(zhì)量追溯。

(2) 生產(chǎn)狀態(tài)實時上報、發(fā)布。管理者可以根據(jù)實時數(shù)據(jù)高效的制定生產(chǎn)計劃；營銷人員可以及時的跟蹤訂單生產(chǎn)，反饋客戶。

(3) 生產(chǎn)指令的快速下達(dá)。MES、ERP 等生產(chǎn)計劃信息可以快速的下發(fā)到生產(chǎn)線，實現(xiàn)訂單的快速響應(yīng)，縮短交貨時間。

(4) 增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性。全線操作站聯(lián)網(wǎng)，每個操作站都可以了解全線的生產(chǎn)情況，且互相備用，必要時可以互相替代操作。

(5) 提高生產(chǎn)自動化水平。方便增加過程控制、智能控制等專用計算設(shè)備，彌補(bǔ)普通PLC 不具備的智能計算、大數(shù)據(jù)量計算等功能，使生產(chǎn)更加精細(xì)，產(chǎn)品質(zhì)量得以提高。?

2、專用數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)

與普通型相比，該型不僅具有數(shù)據(jù)存儲、轉(zhuǎn)發(fā)等數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)的基本功能，最大的特點是將其它高級的功能也進(jìn)行了集成，構(gòu)成了基于數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)技術(shù)的專用設(shè)備，目前主要有以下幾種：

(1)信息發(fā)布數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān) 該型數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)集成了 web 發(fā)布功能， 通過有線或者無線接口直接接入 internet，方便用戶在任何地方通過互聯(lián)網(wǎng)獲得實時生產(chǎn)信息。為了保證正常生產(chǎn)不被干擾，可以通過硬件或軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)隔離，保證數(shù)據(jù)流為單向，如采用硬件隔離技術(shù)可以做到完全隔離。

(2)過程控制數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān) 該型除了數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)基本功能，主要功能是數(shù)據(jù)計算，主要通過軟件實現(xiàn)，對生產(chǎn)系統(tǒng)特別是單一復(fù)雜設(shè)備進(jìn)行高級控制，彌補(bǔ) PLC 等現(xiàn)場控制器對數(shù)據(jù)處理、歷史數(shù)據(jù)調(diào)用、復(fù)雜算法實現(xiàn)困難等功能上的不足，從而提高生產(chǎn)的自動化水平。

(3)信息存儲數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān) 該型主要功能是數(shù)據(jù)存儲，在本地建立數(shù)據(jù)庫，將接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行長期存儲，并具備多種組織和查詢接口，以方便進(jìn)行生產(chǎn)流程優(yōu)化和質(zhì)量追溯。?

數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)與最新信息技術(shù)的融合

最新的信息技術(shù)如云技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等的出現(xiàn)大都基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，而數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)的連通不同通信網(wǎng)絡(luò)的特性恰恰為這些新技術(shù)應(yīng)用到傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)提供了支撐。

1、數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)與云計算

通過數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)，把生產(chǎn)數(shù)據(jù)發(fā)送給企業(yè)研發(fā)、質(zhì)量中心，甚至專業(yè)的數(shù)據(jù)分析中心，利用“外腦”強(qiáng)大的計算能力和信息資源，對生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行全方位、深層次的分析，進(jìn)而得到更高效的生產(chǎn)工藝參數(shù)指導(dǎo)，從而提升產(chǎn)品質(zhì)量，優(yōu)化生產(chǎn)流程。在僅投入少量硬件的條件下，就具備了獲得專業(yè)海量數(shù)據(jù)分析計算的能力，實現(xiàn)了低成本、高效益的兼顧。
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2、數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)與移動互聯(lián)終端

通過數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)，將生產(chǎn)數(shù)據(jù)實時發(fā)送至企業(yè)決策者的移動互聯(lián)終端，使之可以隨時根據(jù)市場變化制定生產(chǎn)策略，實現(xiàn)效益最大化；將生產(chǎn)數(shù)據(jù)實時發(fā)送至外地銷售經(jīng)理的移動互聯(lián)終端，使之可以隨時跟蹤訂單情況，反饋客戶，并可以隨時將新的客戶需求傳達(dá)到生產(chǎn)線，及時優(yōu)化訂單計劃，達(dá)到降低生產(chǎn)成本，縮短交貨周期的效果。
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3、數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

通過數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)，將生產(chǎn)線狀態(tài)與原材料、輔助材料、成品等物流信息整合，整體分析各個流程，確定最佳調(diào)度方案，實現(xiàn)資源的高效利用，實現(xiàn)即時生產(chǎn)、減少中間環(huán)節(jié)、降低庫存、節(jié)約物流成本的目標(biāo)。

物聯(lián)網(wǎng)的智能網(wǎng)關(guān)

物聯(lián)網(wǎng)是通過智能感知、射頻識別技術(shù)與普適計算、泛在網(wǎng)絡(luò)的融合應(yīng)用，被稱為繼計算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后世界信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的第三次浪潮。物聯(lián)網(wǎng)的主要目的在于使具有射頻技術(shù)、紅外傳感技術(shù)或其他具有感知能力的新型傳感設(shè)備，能夠無縫的融入互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)相互之間的信息交換，和進(jìn)一步的智能識別、監(jiān)控管理。

在物聯(lián)網(wǎng)的信息感知領(lǐng)域中，由于無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用場景具有特殊性，其一般應(yīng)用于局部區(qū)域內(nèi)，網(wǎng)與網(wǎng)之間本身無法通信，也不適合于實現(xiàn)遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)傳輸，這使得傳感設(shè)備節(jié)點形成了一個個信息孤島，無法實現(xiàn)真正的全面互聯(lián)互通、協(xié)同感知。此外，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的感知技術(shù)種類繁多，采用不同的通信協(xié)議，根本無法實現(xiàn)互聯(lián)互通。

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，作為一個新的名詞，在未來的物聯(lián)網(wǎng)時代將會扮演非常重要的角色，它將成為連接無線傳感網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的紐帶，完成無線傳感網(wǎng)絡(luò)、傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)以及其它不同類型網(wǎng)絡(luò)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)局域和廣域的數(shù)據(jù)互聯(lián)。此外物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)還需要具備設(shè)備管理功能，運(yùn)營商通過物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)備可以管理底層的各感知節(jié)點，了解各節(jié)點的相關(guān)信息，并實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

從功能上講，物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)或者說智能網(wǎng)關(guān)主要實現(xiàn)以下三個功能：

感知網(wǎng)絡(luò)接入的能力。

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)首先是具有對各節(jié)點屬性、狀態(tài)等信息的獲取功能，即可以感知各節(jié)點的實時狀態(tài)。其次是具有對節(jié)點的遠(yuǎn)程控制、喚醒、診斷等功能，即實現(xiàn)節(jié)點的自動化管理。

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互通的能力。

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)接入必然存在跨域通信的要求，因此需要完善的尋址技術(shù)，以確保所有節(jié)點的信息都能被準(zhǔn)確、高效、安全地進(jìn)行定位和查詢。隨著物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的發(fā)展，節(jié)點地址的數(shù)量會逐漸增大，且其編碼結(jié)構(gòu)與 DNS中的域名結(jié)構(gòu)不同，因此需要有一套與互聯(lián)網(wǎng)不同的尋址技術(shù)以滿足需求。

通訊與數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)化。

網(wǎng)關(guān)必須實現(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)到傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議轉(zhuǎn)換，將協(xié)議適配層上傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)格式數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一封裝，將廣域接入層下發(fā)的數(shù)據(jù)解包成標(biāo)準(zhǔn)格式數(shù)據(jù)，實現(xiàn)命令的解析，之后轉(zhuǎn)換為感知層協(xié)議可以識別的信號和控制指令。

簡單地講，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)主要完成三個任務(wù)：首先，是收集傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)；其次，執(zhí)行數(shù)據(jù)協(xié)議轉(zhuǎn)換；最后，將協(xié)議轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)快速有效的發(fā)送到公共網(wǎng)絡(luò)。除此以外，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)同時還具有相應(yīng)的管理和控制能力。

1、感知網(wǎng)絡(luò)接入

物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)需要具有感知網(wǎng)絡(luò)接入的能力。感知網(wǎng)絡(luò)主要由功能各異的傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，這些傳感器設(shè)備主要包括攝像頭、讀卡器、標(biāo)簽、聲敏傳感器、壓敏傳感器、溫敏傳感器等。獲取這些傳感器感知信息的方式可謂是千差萬別，至今沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，主要的接入方式可分為有線接入和無線接入。主流的有線接入方式包括 CAN、RS232/485、Ethernet等, ?CAN 多用于汽車計算機(jī)控制系統(tǒng)中，RS232/485 主要用于一些較老的設(shè)備控制和低速率數(shù)據(jù)傳輸，Ethernet 對于遠(yuǎn)距離、大信息量的傳感器數(shù)據(jù)傳輸是非?？煽坑行У?。

主流的無線接入方式包括 Zigbee、Bluetooth、IrDA、Wi-Fi，它們都屬于近程通信的范疇。Zigbee 具有功耗低、組網(wǎng)靈活等特點，該技術(shù)一般用作低速率短距離無線傳輸和控制。Bluetooth 主要用于對于實時性較高的系統(tǒng)中，如鼠標(biāo)、鍵盤、耳機(jī)等。IrDA 利用紅外線進(jìn)行點到點的傳輸，紅外傳輸設(shè)備的特點是體積小、功耗低、成本低等，由于紅外線傳輸只能是點對點的無遮擋傳輸，所以在一定程度上將受到應(yīng)用環(huán)境的限制。

Wi-Fi 作為推進(jìn)速度最快的無線接入技術(shù)已經(jīng)歷了十幾個版本的迭代，現(xiàn)在已廣泛的應(yīng)用于與手機(jī)、筆記本電腦以及各類智能產(chǎn)品中，具有布網(wǎng)簡單、覆蓋范圍廣、傳輸速率快的優(yōu)點，但是wifi同樣也有功耗較高和協(xié)議復(fù)雜等缺點。

2、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互通

物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)需要具有異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互通的能力。由于不同的傳感器網(wǎng)絡(luò)對感知信息采用不同的協(xié)議封裝，這將導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)間數(shù)據(jù)的軟隔離，一方面，物理上已相互連的接感知網(wǎng)絡(luò)之間無法完成通信，另一方面，感知網(wǎng)絡(luò)無法與核心交換網(wǎng)絡(luò)完成通信進(jìn)而感知數(shù)據(jù)無法被遠(yuǎn)程訪問，因此需要設(shè)置協(xié)議網(wǎng)關(guān)來解決此問題。

在傳統(tǒng)的利用 RS-232/485 通信傳感器網(wǎng)絡(luò)中，總線標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議較多，比較通用的是 Modbus協(xié)議、Profibus 協(xié)議、Interbus 協(xié)議，其中 Modbus 協(xié)議被廣泛用在智能交通、智能農(nóng)業(yè)、智能建筑中。

由于 Internet 以及由 Ethernet 和 Wi-Fi接入的傳感器網(wǎng)絡(luò)都是基于 TCP/IP 協(xié)議棧，若遠(yuǎn)程用戶需要對采用 Modbus 協(xié)議的設(shè)備進(jìn)行訪問和控制，則必須對 Modbus 報文按照 TCP/IP 協(xié)議進(jìn)行應(yīng)用層封裝或協(xié)議轉(zhuǎn)換。

此外，由于 IPv4 地址已日近枯竭，新一代的 IPv6 協(xié)議將逐步取代 IPv4 協(xié)議，而 IPv4 向IPv6 過渡的階段是一個長期的過程，在這個階段中，IPv4 網(wǎng)絡(luò)將和 IPv6 網(wǎng)絡(luò)處于共存狀態(tài)，因此物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)需要解決 IPv4 網(wǎng)絡(luò)與IPv6 網(wǎng)絡(luò)的互通問題。

3、通訊與數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)化

物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)需要具有監(jiān)測控制管理的能力和兼容新節(jié)點接入的能力。這里的監(jiān)測控制管理，包括對接入傳感器狀態(tài)和感知信息的集中監(jiān)測、對傳感器和網(wǎng)關(guān)自身的控制、管理。一方面，網(wǎng)關(guān)中的各功能模塊要做到可以靈活控制，配置方式要做到簡單、多種方式、人機(jī)友好，另一方面既能通過本地網(wǎng)絡(luò)、串口進(jìn)行控制，又能遠(yuǎn)程跨網(wǎng)段進(jìn)行集中管理。

此外不同的物聯(lián)網(wǎng)的節(jié)點種類非常豐富。監(jiān)測控制管理的內(nèi)容不僅包括對網(wǎng)關(guān)節(jié)點自身的狀態(tài)和功能，還要包括對接入傳感器網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)和信息。為了實現(xiàn)這些功能，就必須要讓所有的智能網(wǎng)關(guān)節(jié)點使用標(biāo)準(zhǔn)化的通信方式，才能使整個物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)具有高可維護(hù)性。

總之，一方面，隨著計算機(jī)技術(shù)、傳感技術(shù)和嵌入式技術(shù)的蓬勃發(fā)展，家用電子電器設(shè)備將越來越智能化；另一方面，隨著人們生活水平和質(zhì)量的提高，智能家居正備受關(guān)注，與此同時智能網(wǎng)關(guān)也將得到更大的發(fā)展，而且正在走向成熟。

審核編輯：黃飛

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