基于ARM架構的工業物聯網網關研究與實現

王偉剛

本文為了將煤礦井下無互聯網通信能力的電氣設備鏈接到云端物聯網平臺，設計了一款基于ARM架構的嵌入式物聯網網關，該網關采用多種通信方式，集成多路以太網通信接口，能夠將煤礦井下PLC電氣設備的自身數據及傳感器數據傳輸到物聯網平臺進一步發揮數據價值。該網關可以實現Modbus/TCP協議和SNAP7協議到MQTT協議間的相互轉換。同時，該網關能夠打通設備、網關、平臺、應用的通信鏈路，可以實現應用遠程控制、調試電氣設備的需求。

工業物聯網是把工業領域的環境感知設備、電氣控制終端，以工業網絡、互聯網通信技術為基礎進行互聯互通。物聯網網關是其中重要的一環，目前，物聯網網關尚未制定的統一的行業標準，導致實際開發出來的網關設備千差萬別。由于底層感知設備與物聯網網關之間、物聯網網關與遠端服務器之間 用不同的通信協議進行數據交互，這就導致設備接入和應用開發存在困難。而本網關提供多種設備外接插口以接入不同類型設備， 用模塊化的動態加載方式保證通信協議模塊能夠根據設備通信需求進行加載，使其能夠適用更多使用場景，提高網關系統的通用性、靈活性和可擴展性，具有更高的應用價值。

本方案采用雙核Cortex-A72 NXP LS1028A處理器芯片，采用雙層結構，包括底板和擴展板。底板設計包括：CPU模塊、電源模塊、外部接口模塊、存儲模塊、4G/5G無線擴展模塊、I/O接口模塊等。

（一）電源模塊

采用隔離性模塊化電源電路設計，提升了供電安全保護、容性負載能力、空載功耗、輕載效率和軟啟動等性能，為網關提供安全、可靠的電源驅動，同時為I/O接口電路提供電源。

（二）CPU模塊

采用NXP LS1028A工業級芯片作為核心處理器，該芯片采用雙核Cortex-A72架構，單核主頻為1.5GHz，二級緩存1MB，同時支持擴展標準協議設備，滿足產品后續的升級需要。

（三）存儲器模塊

存儲模塊RAM采用2GB DDR4，ROM采用8GB eMMC，兼備高速讀寫以及低功耗等優勢，同時支持TFCard擴展存儲，用于存儲與緩存網關的系統參數、通信配置、設備運行數據等。

（四）外部接口模塊

網關有1路USB3.0（5 Gbit/s）接口，可以滿足采集到的感知數據高速讀取拷貝。1路SATA3.0接口，支持擴展一塊SATA3.0的SSD或者HHD硬盤，以滿足部分用戶高頻采集數據的存儲。2路支持CAN2.0B、CAN FD的CAN接口，下行通信接口（短距離通信接口）、調試接口等。

（五）網絡傳輸模塊

網關具有5路Ethernet RJ-45接口，最高支持2.5Gbps，支持TSN并具備1個4口TSN Switch。同時網關具有5G通信模組，支持通過SIM卡的方式為網關提供5G互聯網功能，保證設備高可用，低延遲的網絡需求。

網關軟件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、設備遠程調試、安全傳輸等，網關軟件采用Python語言、FastAPI框架編寫網關所有功能及API接口，人機交互界面使用Vue框架、Ant Design組件編寫。用戶可以基于網關提供出來的API把網關部能集成到用戶自家系統中，用戶集控系統可以直接接入網關數據與獲取網關管理功能，降低用戶管理成本，為用戶的生產與管理的數字化、智能化整體目標賦能。

（一）下位機設備管理

在工業物聯網網關管理界面，通過Web可視化的方式建立感知層設備列表，配置下位機通信接口與通信點表，控制設備數據采集規則，能夠極大的提高工程人員維護、調試網關與設備通信的效率。

（二）下位機數據采集

工業物聯網網關可以對多點下位機或者感知層數據同時并發進行采集、分析、存儲和傳輸。在對感知層設備表中的設備進行采集時，監測設備狀態、上線時間、掉線時間、持續運行時間；分析采集數據，進行數據清洗，多索引映射技術對所有傳感器數據進行分類存儲；對采集到的數據進行初始歸類分析，通過與物聯網網關約定算法規則進行壓縮，主動上傳物聯網數據平臺。物聯網數據平臺也可以通過網絡協議訪問工業物聯網網關數據存儲數據庫。

（三）協議轉換實現

工業物聯網網關中集成工業領域通用的短距離通信協議ModBus、Snap7等，轉換成物聯網行業通用的MQTT協議。能覆蓋絕大部分工業領域的電氣設備，為感知網絡節點數據提供統一格式進行封裝，通過上行通信接口或者5G網絡模塊上傳至物聯網數據平臺。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，網關通過協議解析模塊，將原始數據包拆解并重新構造成感知層網絡能識別的數據格式，通過下行通信接口進行下一步轉發。

（四）網關管理后臺

物聯網網關管理后臺以Web的形式為用戶提供，用戶只需把網關通過以太網的方式與PC接入到同一局域網內，即可通過瀏覽器的形式對網關進行管理。網關的管理功能包括查看、配置設備基本信息，包括設備證書信息、固件信息、MQTT連接參數、擴展信息、下位機鏈接狀態等等。

（五）遠程連接電氣設備

本網關采用P2P VPN的技術手段，使處在內網的下位機能夠被處在另一內網的售后服務工程師的PC進行直連通信。P2P VPN服務器采用開源GitHub上的開源項目N2N，N2N是一個采用C語言編寫的高性能一個點對點的穿透工具。N2N node通過UDP路由驗證實現NAT穿越是一種在處于使用了NAT的私有網絡中的Internet主機之間建立雙向UDP連接的方法。由于NAT的行為是非標準化的，因此它并不能應用于所有類型的NAT，當網關無法與工程師PC建立直連通道將通過P2P VPN服務器進行數據中轉保證連通性。

（六）數據平臺對接管理

本網關采用通用物聯網協議MQTT與物聯網數據平臺實現通信。網關采集下位機的數據后，通過內置規則進行清洗、壓縮，最后通過將數據進行JSON 格式的轉換后上傳至MQTT Broker服務器。物聯網數據平臺會啟動一個MQTT Client服務，通過MQTT Broker服務器訂閱該物聯網網關的topic，實時獲取網關發送到MQTT Broker服務器的數據，之后物聯網平臺對數據進行進一步的處理與存儲。

（一）網關保證在環內網內的安全

工業物聯網網關與下位機采用基于TCP/IP協議通信技術通信，為保證網關設備在內網網絡通信安全傳輸，網關本身只通過IPtable開放通信所需網絡端口，網關管理端口并不開放，以保證網關在內網的不會通過網絡被入侵。

（二）網關保證與物聯網平臺的通信安全

本網關與物聯網平臺通信采用證書認證，預先為每個設備燒錄全球唯一的設備證書。當網關與物聯網平臺建立連接時，物聯網數據平臺對其攜帶的設備證書信息進行認證。網關上電并聯網后，攜帶網關證書發起認證請求，物聯網數據平臺校驗網關身份通過后，與網關建立連接，網關便可通過設備Topic與物聯網平臺通信。

近年來工業物聯網迅速發展，物聯網網關作為感知網絡和全球通信網絡的橋梁也正起著舉足輕重的作用。本文實現了一種基于ARM架構嵌入式的物聯網網關系統。本物聯網網關可以根據用戶應用需求，應用到多種場景中，極大提高設備采集與分發效率，實現設備遠程維護功能，具有較好的應用價值。

作者單位：寧夏天地奔牛實業集團有限公司

基金項目：寧夏回族自治區重點研發計劃重點項目（2021BDE92013）