工業物聯網網關的研究與實現

劉清

摘要：工業物聯網是工業領域的物聯網技術，是將工業領域的感知設備、控制終端設備、工業網絡設備以全球移動通信技術為基礎進行互聯互通。隨著新興技術在傳統工業領域的應用，當前融合了云平臺、邊緣計算、大數據分析和人工智能等技術的新型工業生產模式，正促使工業物聯網向數字化、智能化快速轉變。工業物聯網網關作為工業物聯網的重要組成部分，實現了工業物聯網到工業互聯網的全面轉換。

關鍵詞：通用工業物聯網;網關設計;硬件設計;智能化改造

引言：網關的設計影響網絡節點的工作，在通用工業物聯網中，網關設計的影響更為明顯，應予以優化。本文以通用工業物聯網網關設計要求作為切入點，予以簡述，再以此為基礎，進行相關設計方法的論述，給出總體設計框架、硬件設計和軟件設計等內容，論述其作業流程，服務后續工作。

1設備聯網的意義、挑戰及分析

1.1設備聯網的重要意義

設備聯網是工業制造業企業實現信息化、數字化、智能化的關鍵，也是推進工業物聯網建設的核心，通過設備聯網可推進企業在生產制造和運營等環節的有效管控，可實現設備優化利用及預測性維護、企業領導決策、運營及營銷等工作提供全方面、多維度的依據和參考。在生產制造方面，一是實現設備資源共享，盤活企業設備資產，提升資產利用率;二是實現設備預測性維護，縮短設備宕機時間，降低設備故障給企業帶來的生產影響;三是利用在線分發和版本控制實現生產研發和制造管理協同，加速企業設計研發。在業務運營方面，一是實現企業設計、銷售等全生命周期的管控和提高生產運營效率，優化生產流程及規避“接私活”隱患;二是結合物聯網的設備數據應用，賦能人力資源;三是實現遠程設備遠程診斷、故障處理，以及多人協同式操控;四是通過多維度設備相關數據采集和挖掘分析，實現精準營銷。

1.2設備聯網的問題和挑戰

物聯網技術在工業領域的應用已成為業內焦點，但也面臨著諸多問題和挑戰。一是平臺及工控安全不可控，針對紛繁復雜的網絡環境，還缺乏可行的安全解決方案有效防御和解除攻擊;二是平臺規范和標準不同統一，盡管工業互聯網平臺迎來了“百花齊放，百家爭鳴”的局面，但各自建設的API接口、業務系統、設備網關等互通共享難，開放性、可拓展性較差;三是設備和傳感器投入成本高，物聯網系統中運行大量傳感器和、設備、網絡和存儲都是企業的消耗;四是設備和平臺請求及響應延時性比較高，用戶體驗較差，5G技術在硬件加速、平臺分布式、數據分布式等方面有一定普及和應用前景。

2通用工業物聯網網關的設計方案評測

2.1模擬實驗

為了解通用工業物聯網網關設計的效果，建立模擬實驗進行評測，通過計算機建立實驗模型，利用參數調整法進行實驗分析。觀察指標為業務響應時間、有效連接建立時間、故障發生率。可變參數為單位時間業務總量，干擾等級以及信息存儲空間。為保證獲取線性實驗信息，其他影響參數均默認為零，創造理想實驗室環境進行實驗分析。

2.2實驗過程

實驗共分為三組，第一組保持干擾等級為低，信息存儲空間充足，分別設定單位時間業務總量為“低”、“中”、“高”，各進行50次實驗，第二組保持信息存儲空間充足，單位時間業務總量為低，分別干擾等級為“低”、“中”、“高”，各進行50次實驗，第三組保持保持干擾等級為低、單位時間業務總量為低，分別設定信息存儲空間為“充足”、“不足”，各進行50次實驗，觀察實驗過程中通用工業物聯網網關是否能夠有效進行作業，記錄業務響應時間、有效連接建立時間、故障發生率。

2.3實驗結果

第一組實驗結果見表1：

從結果上看，在業務量較低、其他條件理想的情況下，通用工業物聯網網關能在0.031s內完成業務相應，并在0.042s內完成關聯網絡鏈接，故障發生0次;在業務量中等、其他條件理想的情況下，通用工業物聯網網關能在0.048s內完成業務相應，并在0.081s內完成關聯網絡鏈接，故障發生1次，占比2.0%，在業務量較高、其他條件理想的情況下，通用工業物聯網網關能在0.432s內完成業務相應，并在0.913s內完成關聯網絡鏈接，故障發生6次，占比12.0%。這表明，單位時間內業務量過大，網關無法完成快速處理，面臨故障和延遲風險。

第二組實驗結果見表：

從結果上看，在干擾等級較低、其他條件理想的情況下，通用工業物聯網網關能在0.092s內完成業務相應，并在0.138s內完成關聯網絡鏈接，故障發生1次，占比2.0%;在干擾等級中等、其他條件理想的情況下，通用工業物聯網網關能在0.866s內完成業務相應，并在1.266s內完成關聯網絡鏈接，故障發生7次，占比14.0%，在干擾等級較高、其他條件理想的情況下，通用工業物聯網網關能在3.151s內完成業務相應，并在5.074s內完成關聯網絡鏈接，故障發生12次，占比24.0%。這表明，單位時間內干擾等級過高，網關無法完成快速處理，面臨故障和延遲風險。

3工業物聯網網關軟件設計

工業物聯網網關軟件內部功能模塊包括感知層設備管理、感知層數據管理、網關管理、網絡管理、協議轉換、安全傳輸等功能。

3.1感知層設備管理

在工業物聯網網關中建立感知層設備表，通過網絡接口實現對感知層設備的遠程通訊控制，實現對感知層設備進行實時在線診斷、配置、調試和升級。

3.2感知層數據管理

工業物聯網網關對感知層數據進行采集、分析、存儲和傳輸。在對感知層設備表中的設備進行采集時，監測設備報警狀態、上線時間、掉線時間、持續運行時間;分析采集數據，實現多層級報警、異常聯動控制;采用多索引映射技術對各種感知層數據進行分類存儲;傳輸數據包括實時報警狀態數據，主動上傳應用層網絡。應用層網絡也可以通過網絡協議訪問工業物聯網網關數據存儲表。

3.3網關管理

對工業物聯網網關采用客戶端軟件進行配置，采用權限認證機制訪問網關，非授權用戶不得訪問;在網關中設計用戶權限管理機制，分為管理員（最高權限）、一級用戶（安裝調試人員）、二級用戶（只讀）三個層級進行管理;網關系統參數、網絡參數、感知層設備表參數、協議轉換參數、數據映射參數進行分類存儲;通過客戶端可實現網關遠程固件更新。

3.4網絡管理

通過FTP、SSH/TELNET、Webserver和SNMP等方式對設備運行狀態和網絡資源進行配置、測試、分析、監視、評價、控制。

3.5協議轉換

工業物聯網網關中集成通用的短距離通信協議，能覆蓋大部分工業領域的感知層設備，為感知網絡節點數據提供統一的封裝，保證不同的協議能夠抽象成統一的數據幀，通過上行通信接口上傳至應用服務器端;應用服務器端數據，通過通用的工控協議、互聯網協議將數據下發給工業物聯網網關，網關通過協議解析，將數據幀拆解并重新組合成感知層網絡能識別的數據幀，通過下行通信接口進行下發。

3.6 安全傳輸

工業物聯網網關基于TCP/IP協議通信技術通信，網絡安全對整個系統的安全起著至關重要的作用。為保證網絡通信安全傳輸，設計采用openssl和iptable保證通信安全。

結語：本文提供了一種感知層設備接入工業互聯網的解決方案。文中設計的工業物聯網網關，實現了工業領域的感知層設備協議兼容、實現了物理環境的監測和控制。為應用層屏蔽感知層網絡差異提供了一種新的解決方案。

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