IoT網關的無線選擇：使用網關克服低功耗無線LAN-IoT連接難題

許多低功耗無線接口和協議，如低功耗藍牙、ZigBee、Thread 等，在智能家庭和智能工業(yè)傳感器網狀應用中很常見。但是，開發(fā)人員發(fā)現，這些射頻協議設計于物聯網 (IoT) 出現之前，因此通常缺乏與互聯網協議 (IP) IPv4 和 IPv6 的互操作性，從而使得將相關設計與 IoT 連接以實現智能傳感、自動化和控制的目標充滿挑戰(zhàn)。

IP 互操作性問題有多種途徑可以解決，如轉換數據包或使用 IP 兼容的無線接口。第一種選擇效率較低，第二種方式又縮小了設計師的 Wi-Fi 選擇范圍。

本文將專門介紹第三種方式： IoT 網關。它們可用作網絡聚合器，并且通常具有先進的安全性和多種 I/O 回程選擇。本文將描述其功能和特征，再介紹適當的解決方案以及如何最大程度發(fā)揮其作用。

IoT 的無線選擇

盡管缺乏直接的 IP 互操作性，許多流行的低功耗無線接口和協議具有良好的范圍和吞吐量、與其他 2.4 GHz 技術的共存性以及網狀網絡支持特性。

雙向無線連接能讓用戶遠程監(jiān)視并控制系統(tǒng)，同時能通過基于云的強大算法對過程數據進行分析，以實現優(yōu)化性能、節(jié)能或提高生產率等目標。

如前所述，有三種方式可以克服低功耗無線協議缺乏 IP 互操作性的問題。首先是選擇具有網絡適配層的協議，該層可“轉換”數據包，使其能通過 IPv6 網絡輸送。有的制造商提供低功耗藍牙、ZigBee、Thread 和包括基于 IPv6 的低功耗無線個人局域網 (6LoWPAN) 傳輸層的其他射頻協議“?！薄Ｍǔ?，這些協議?？梢哉９ぷ鳎珜嵤┢饋砀訌碗s，并且各節(jié)點需要更多的處理器資源和功耗。

第二個選項是使用具有本地 IP 支持的無線協議。Wi-Fi 可能是最佳示例。嚴格來講，Wi-Fi 僅定義了協議棧的物理 (PHY) 層、介質訪問控制 (MAC) 層和邏輯鏈路控制 (LLC) 層。但是，互聯網 Wi-Fi 連接無處不在，供應商通常提供基于 Wi-Fi 較低層的完整 TCP/IP 協議棧。代價則是 Wi-Fi 節(jié)點更大、更昂貴，并且比形成競爭的其他無線技術功率更高，因此不適合于所有應用。

第三個方法是利用 IoT 網關。這些設備屬于自足式裝置，包括彌合 LAN 和 IoT 之間差距所需的所有軟件和硬件（圖 1）。對于射頻專業(yè)知識有限的開發(fā)人員，或者希望在傳統(tǒng)的低功耗無線網絡中增加互聯網連接性的人員，網關也是不錯的選擇。

圖 1： 設計師能從無線傳感器網絡與 IoT 連接的三種方案中選擇。此處顯示的第一個選擇描述了如何將無線節(jié)點連接到 IoT 網關，從而將其作為中繼連接至互聯網。（圖片來源：?Texas Instruments）

網關和路由器之間的差異

網關與路由器有必要加以區(qū)分。路由器是一種更簡單的設備，它為節(jié)點服務，共享共同的協議，并且需要單獨將通過該協議傳輸的數據傳遞至互聯網，以及從互聯網接回。Wi-Fi 路由器是一個不錯的例子；這些設備在啟用 IP 的移動設備（如智能手機和便攜式計算機）和互聯網之間路由數據，但沒有交互。

與之相對，IoT 網關整合了來自不同無線來源和接口的數據，并將其連接到互聯網。某些情況下，網關與路由器配合使用，以方便實施。網關的主要優(yōu)勢在于不需要各自獨立的網絡節(jié)點，從而憑借其相關復雜度和成本特性支持 IP。

網關可以簡單，也可以復雜。簡單的裝置組織和“轉換”節(jié)點收到的數據包，使其適合于在互聯網上傳輸。并且，簡單的網關可轉換從互聯網收到的數據包，并將其分布到網絡中的各節(jié)點。

更復雜的網關不僅有此功能，還具有高級安全特性和處理全部或部分（與節(jié)點共享負載）應用過程的資源。該系統(tǒng)的優(yōu)點是節(jié)點更簡單、更便宜，并且功耗更低。在有許多節(jié)點的系統(tǒng)中，將處理功耗集中在網關比將其分布到所有節(jié)點的成本更低。更復雜的網關還能確保 LAN 在互聯網訪問中斷時繼續(xù)工作，并且能緩沖節(jié)點數據，以便在重新建立互聯網訪問時進行云傳輸。

網關解決方案

許多制造商提供商業(yè) IoT 網關解決方案。設備通常為市電供電裝置，可配置成使用各種無線接口，包括選擇低功耗射頻協議。通常，連接 IoT 是通過 Wi-Fi 等基于 IP 的無線廣域網 (WAN) 接口（或者以太網等有線類型）。有些更加新的設計包括通過蜂窩網絡或專有 WAN 技術（如 LoRaWAN）進行互聯網訪問。

WAN 技術通常采用諸如 Linux 等操作系統(tǒng) (OS) 控制的重量級協議棧。為了應對此類固件的計算需求，商業(yè) IoT 網關配備有強大的嵌入式微控制器。

更先進的網關支持多個網絡平臺，例如 HSDK、NAT64、PC-BLE-Serialization 和 LoRaWAN Gateway Bridge，以及多種云服務，如 Amazon、Microsoft、Ayla 和 IBM 的云服務。這些先進裝置還具有諸如應用程序安裝遠程管理、固件更新和配置更改、終端設備固件更新以及網狀網絡拓撲和設備的遠程管理等特性。

Rigado 的 Vesta 系列 IoT 網關是最新一代可配置網關的很好例子。該產品由運行 Yocto Linux OS 的 NXP i.MX6 UltraLite Arm? Cortex?-A7 應用程序處理器提供支持。該裝置支持 2.4 和 5 GHz Wi-Fi (IEEE 802.11a/b/g/n)、藍牙 4.2、低功耗藍牙和 IEEE 802.15.4（包括 Thread）。網關還支持采用 IEEE 802.3af 以太網供電 (PoE) 和 USB 2.0 的以太網。網關需要 4.5 至 5.5 V 電源或通過 PoE 連接運行。根據 Rigado 的介紹，即將提供蜂窩和 LoRaWAN 擴展選項。

Sierra Wireless 的 FX30 IoT 網關還具有 Arm? Cortex?-A7 應用程序處理器，并采用開源 Yocto Linux OS（圖 2）。互聯網連接通過蜂窩基礎設施 (LTE Cat 1) 實現，并且該裝置能接收 IoT 接頭擴展槽的 Wi-Fi、藍牙和 ZigBee 輸入。標準裝置設計為采用有線接口，如僅限以太網和 USB，需要 4.75 至 32 V 電源。該裝置的低功耗引人注目，待機模式耗電不到 1 W，休眠模式僅 2 毫瓦 (mW)，并且堅固耐用。裝置符合 MIL-STD-810 的振動和機械沖擊要求，工作溫度范圍從 -30° 至 +75°C，是工業(yè)應用的良好選擇。

圖 2： Sierra Wireless 的 FX30 IoT 網關采用蜂窩技術連接到互聯網。（圖片來源： Sierra Wireless）

商業(yè) IoT 網關的第三個例子來自 Laird Technologies。其 Sentrius RG1xx 系列因采用 LoRaWAN（一種互聯網連接的長距離低功耗 WAN 技術）而出名。該裝置采用 Atmel A5 嵌入式微處理器，運行 Linux OS。除了 LoRaWAN，裝置還提供 2.4 和 5 GHz Wi-Fi、藍牙 4.0 和低功耗藍牙接口以及以太網接口。由于采用長距離連接，Sentrius 十分適合智能電表、工業(yè)自動化和農業(yè)應用。
調試網關

諸如 Rigado、Sierra Wireless 和 Laird Technologies 等 IoT 網關能讓設計師將其低功耗無線網絡連接到互聯網和云服務，無需設計復雜的連接硬件和固件。但是，需要進行一些開發(fā)工作，以確保無縫操作。幸運的是，IoT 網關制造商通常提供便于此開發(fā)過程的產品、工具和服務。

例如，Laird 的 Sentrius 專門設計為針對無線傳感器應用連接該公司的 RM186/191 系列 LoRaWAN/低功耗藍牙無線模塊。這些裝置結合了便利性和低功耗藍牙的智能手機互操作性，LoRaWAN 擴展范圍高達 15 km。Laird 提供開發(fā)套件 DVK-RM186-SM-01，可簡化將模塊連接到 Sentrius 網關的過程。利用該公司的 Node-RED 開發(fā)環(huán)境和相關指南，該過程變得較為直接明了。

Sierra Wireless 建議使用 Legato 開源 Linux 平臺將其 FX30 IoT 網關連接到云。Legato 帶有應用“沙盒”，為運行和控制多個應用程序提供安全的環(huán)境。該平臺還提供應用程序編程接口 (API)，使開發(fā)人員可以連接到云。

對于需要設計高級網絡的開發(fā)人員，Legato 提供帶有多語言支持的基于 Eclipse 的集成開發(fā)環(huán)境 (IDE)，以及一套診斷工具，以啟動本地和遠程調試、故障排除、監(jiān)控和分析。
發(fā)送數據至云

Rigado 已通過其 VG3-23E4-WIB0C0-ASA-DEK IoT 開發(fā)套件進一步簡化了無線網絡和云連接，包括 Vesta Gateway 和 Nordic Thingy:52 低功耗藍牙開發(fā)套件（圖 3）。該開發(fā)套件允許工程師設計連接藍牙 5/低功耗藍牙傳感器與云的原型解決方案。使用 IoT 開發(fā)套件的優(yōu)點在于無需射頻經驗，因為 Thingy:52 傳感器已配置為與 Vesta Gateway 通信。由于 Rigado 的 Node-RED 開發(fā)環(huán)境包括演示應用程序，可將 Thingy:52 傳感器的數據通過 Vesta Gateway 轉發(fā)至 Amazon Web Services (AWS) 云服務，原型設計得到進一步簡化。

圖 3： Rigado 的 VG3-23E4-WIB0C0-ASA-DEK IoT 開發(fā)套件包括 Vesta Gateway 和 Nordic Semiconductor 的 Nordic Thingy:52 IoT 開發(fā)套件。Rigado 的 Node-RED 開發(fā)環(huán)境可簡化網關配置。（圖片來源： Rigado）

通過 Vesta Gateway 將 Nordic Thingy:52 各傳感器數據發(fā)送至 AWS 的方式直接明了。Vesta 首先配置為 Wi-Fi 接入點并通過瀏覽器連接至開發(fā)人員的 Wi-Fi 網絡。單擊提供的 URL 可啟動 Node-RED 應用程序，該程序隨后自動掃描 Nordic Thingy:52，嘗試連接并掃描通用唯一標識符 (UUID)。建立連接后，從 Nordic Thingy:52 讀取傳感器數據，并發(fā)送至 AWS 和 Node-RED 應用程序儀表板。開發(fā)人員可通過儀表板進行更改，以篩選要傳輸的信息、以及發(fā)送頻率。

Node-RED 開發(fā)環(huán)境還為經驗豐富的開發(fā)人員提供簡便方式，以創(chuàng)建基于瀏覽器的工作流來連接硬件設備、應用程序編程接口 (API) 和云服務。

通過 IoT 網關將傳感器網絡連接至云可成倍提高系統(tǒng)的利用率。云服務提供商通常提供基礎設施，以處理傳感器原始數據、控制和分析數據并從中提供有用信息或反饋。

例如，在使用 AWS 云系統(tǒng)時，Vesta Gateway 連接 AWS 的 API 網關（圖 4）。通過 API 網關，開發(fā)人員可以創(chuàng)建、配置并托管 API，以便 Vesta Gateway 應用程序接入云。例如，應用程序可以使用 API 上傳來自 Nordic Thingy:52 內置傳感器的溫度和濕度數據。然后，原始數據可以存儲在 Amazon S3“存儲桶”或 Amazon DynamoDB 數據庫服務中。

圖 4： Vesta Gateway 利用 Amazon 的 AWS 云服務收集數據，并運行所有相關代碼。（圖片來源： Rigado。）

AWS 的另一部分 AWS Lambda 可提供計算服務，允許開發(fā)人員運行基于云的代碼，無需準備或管理服務器。AWS Lambda 支持 Node.js、Java、C# 和 Python。

例如，開發(fā)人員可以使用 AWS Lambda 上運行的代碼利用 Nordic Thingy:52 發(fā)送的原始數據通告溫度和濕度極端值和每日、每周及每月均值。

配置 AWS Lambda 在響應觸發(fā)事件時運行代碼相對直接，如對存儲桶或數據庫中數據進行特定更改。例如，開發(fā)人員可選擇運行一組代碼，以在溫度或濕度超過設定閾值時向智能手機發(fā)送通知。

原型設計完成后，可使用 Rigado 基于半導體的 Nordic?模塊系列（用于藍牙 5/藍牙低功耗無線傳感器網絡應用）替代 Nordic Thingy:52，以形成最終的生產設計。

總結

云連接對于最大程度利用智能無線技術的益處至關重要，然而由于主流低功耗無線協議和 IP 之間缺少互操作性，仍然存在嚴峻的技術挑戰(zhàn)。應用 IoT 網關是一種方便快捷的解決方案，這種嵌入式設備能以最小的設計開銷將無線傳感器網絡連接到云端。