首先，我們來了解一下什么是“網(wǎng)關”。網(wǎng)關從字面意義上來看，就是網(wǎng)絡的閘口，好比高速收費站，任何數(shù)據(jù)通過時，都需要驗一下。這個閘口的功能性也很多樣，比如閘口兩端的內(nèi)容形式是不一樣的，網(wǎng)關的作用是翻譯器;又或者閘口會阻攔任何有問題的數(shù)據(jù)通過，那網(wǎng)關的作用就是過濾器。
工業(yè)網(wǎng)關是物聯(lián)網(wǎng)領域的一種通信設備。在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)層次架構中的位置：感知層終端設備->網(wǎng)關->骨干網(wǎng)->運用。
能夠提供上行和下行的連接以及提供邊緣計算的能力。南向下行連接感知層設備，北向上行連接傳輸通道(上位機、骨干網(wǎng)、遠動機、云平臺等)。
工業(yè)網(wǎng)關的基本結構：南向接口北向接口安全管理與協(xié)議轉換
北向接口需要接入互聯(lián)網(wǎng)，所以通常的選擇有 RJ45 以太網(wǎng)口、光纖接口、Wi-Fi 和 4G、NB-IoT 等蜂窩網(wǎng)絡模組等。
南向接口用來連接物聯(lián)網(wǎng)設備，除了剛說的 BLE、ZigBee、LoRa、Wi-Fi 這些無線技術的接口，常見的還有用在工控機(Industrial Personal Computer，工業(yè)控制計算機)上的 RJ45 以太網(wǎng)口、RS232、RS485 等有線接口。這里需要注意的是，每個網(wǎng)關設備的接口類型和個數(shù)不是固定的，因為網(wǎng)關產(chǎn)品一般會根據(jù)應用場景確定幾個不同的規(guī)格型號。
不同型號的網(wǎng)關需要支持不同類型的協(xié)議，以及不同個數(shù)協(xié)議的轉換，所以網(wǎng)關的協(xié)議轉換功能一般采用插件的軟件架構方式。
工業(yè)網(wǎng)關的基本要求——嚴苛工業(yè)場景下長年無人值守穩(wěn)定運行
工業(yè)網(wǎng)關與傳統(tǒng)的路由器、交換機工作環(huán)境不同。傳統(tǒng)的路由器、交換機都在機房中，開著空調，有專門的工作人員做維護。保證工作環(huán)境，如溫度、濕度、空氣質量等。而工業(yè)網(wǎng)關的工作環(huán)境就比較差，它可能在室外、在高溫高壓、甚至在水中工作，環(huán)境比較惡劣。所以物聯(lián)網(wǎng)面臨著眾多挑戰(zhàn)。如：
挑戰(zhàn)1：如何兼容各種本地設備各種復雜的通訊方式、接口、通道和協(xié)議?如何在苛刻的環(huán)境下可靠的工作?
挑戰(zhàn)2：如何在建設中利舊，保護已有的投資?
挑戰(zhàn)3：如何面對開放IP的安全問題?
挑戰(zhàn)4：如何實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的高效部署與運維?
眾多的挑戰(zhàn)便促生了工業(yè)工業(yè)網(wǎng)關。
工業(yè)工業(yè)網(wǎng)關集成了本地多傳輸通訊鏈路方式的集成和協(xié)議轉換、通訊路由、數(shù)據(jù)交換、安全防護、穩(wěn)定運行于一體的融合網(wǎng)關。它提供了工業(yè)級的標準設計，如：防震，防水，防電磁干擾等;并且支持多種接口，多種協(xié)議，能夠統(tǒng)一的進行協(xié)議的轉換，將下行鏈路傳輸過來的適用于物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議包裝的數(shù)據(jù)轉化成傳統(tǒng)網(wǎng)絡通信協(xié)議能識別的數(shù)據(jù)(IP數(shù)據(jù))，這樣的話就能再上行鏈路上以IP數(shù)據(jù)傳輸;支持邊緣計算，能夠快速響應;還能提供全鏈路加密互聯(lián)，有效降低來自感知層的業(yè)務風險;工業(yè)網(wǎng)關支持智能運維：自助處理故障、遠程測試與診斷。
如何兼容各種設備?需要物模型數(shù)據(jù)抽象傳統(tǒng)的各種接入設備。什么是物模型?
物模型是物理實體的數(shù)字化模型，但主要針對的是物聯(lián)網(wǎng)中應用的開發(fā)和設備的互操作。這個模型如果更進一步，集成了物理實體的各類數(shù)據(jù)，那就是物理實體的忠實映射。同時，在物理實體的整個生命周期中，它會和實體一起進化，積累各種信息和知識，并且促進物理實體的優(yōu)化。這樣的模型就是物理實體的數(shù)字孿生。設備影子用于緩存設備狀態(tài)。應用程序可以通過設備影子直接獲取設備最后一次更新的屬性值，而無需每次都訪問設備。設備在線時，可以直接獲取應用指令;設備離線后，再次上線可以主動拉取應用指令。
如果設備網(wǎng)絡穩(wěn)定，很多應用程序請求獲取設備狀態(tài)，設備需要根據(jù)請求響應多次，即使響應的結果是一樣的。但是可能設備本身處理能力有限，其實無法負載被請求多次的情況。使用設備影子機制，設備只需要主動同步狀態(tài)給設備影子一次，多個應用程序請求設備影子獲取設備狀態(tài)，即可獲取設備最新狀態(tài)，做到應用程序和設備的解耦。比如，智能斷路器電燈的開關狀態(tài)這個屬性，可以遠程控制，也可以在本地通過物理開關改變。如果網(wǎng)絡不穩(wěn)定，那么平臺上存儲的狀態(tài)，和設備的真實狀態(tài)可能會不一致，導致后續(xù)操作邏輯錯誤。設備影子可以通過雙向的同步，實現(xiàn)服務器端和設備端屬性的一致，從而解決這個問題。
管理功能。工業(yè)網(wǎng)關可以獲取各節(jié)點的屬性和實時狀態(tài)信息，并實現(xiàn)對節(jié)點的狀態(tài)控制、喚醒與睡眠、在線診斷等功能，同時支持通過二次編程實現(xiàn)對節(jié)點的自動化管理。
源尋址功能。尋址技術可確保各個節(jié)點的信息被精準實時地定位和查詢，以滿足跨域通信的需求。由于節(jié)點地址結構與DNS的域名結構不同，因此需要開發(fā)新的源尋址技術。
協(xié)議轉換與數(shù)據(jù)格式標準化功能。為了實現(xiàn)無線傳感網(wǎng)絡與傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)交互，需要由網(wǎng)關充當協(xié)議轉換的角色，將上傳的標準格式數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一封裝，將下發(fā)的數(shù)據(jù)解包成標準格式數(shù)據(jù)，使得指令可被識別。
工業(yè)網(wǎng)關通?；诠た赜嬎銠C設計，以滿足對性能和應用的需求，并對整個系統(tǒng)的資源進行管理。在工業(yè)應用中受實時性、穩(wěn)定性、環(huán)境與成本限制，工業(yè)網(wǎng)關常以無線廣域網(wǎng)(WWAN)和本地現(xiàn)場總線的結合為主，以適應各種復雜的工業(yè)環(huán)境?，F(xiàn)階段較為成熟的無線廣域網(wǎng)通信技術有GPRS技術、4G技術和衛(wèi)星通信技術，而應用廣泛的現(xiàn)場總線技術有CAN、PROFIBUS、LONWORKS、HART、MODBUS等。
數(shù)據(jù)傳輸可以在主動或被動的工作機制下運行。處于主動工作模式時，只有在被控數(shù)據(jù)產(chǎn)生變化，或設置定時任務時才會產(chǎn)生數(shù)據(jù)傳輸，其優(yōu)點是簡化了終端采集功能，并降低了運行功耗;處于被動工作模式時，只有在收到主動發(fā)出的查詢指令時才會產(chǎn)生數(shù)據(jù)傳輸，給予了監(jiān)控中心權限，但功耗升高，傳輸效率降低。工業(yè)網(wǎng)關采用混合式數(shù)據(jù)傳輸機制，使用應答機制偵聽雙向數(shù)據(jù)，使用主動機制多閾值定時采集傳輸數(shù)據(jù)，從而兼顧了主動式和應答式的優(yōu)點，在功耗與傳輸效率間取得了平衡。
工業(yè)網(wǎng)關是否需要支持邊緣計算?
在進行萬物互聯(lián)的時代，物聯(lián)網(wǎng)設備的增多，導致了許多數(shù)據(jù)需要傳輸?shù)皆贫诉M行分析，這也就對云端以及傳輸?shù)膸拵Я嗽S多的壓力，而且在傳輸?shù)倪^程中，還會產(chǎn)生數(shù)據(jù)泄露的危險。將數(shù)據(jù)在邊緣端進行計算，減少云端處理數(shù)據(jù)的壓力，同時避免了數(shù)據(jù)泄露的危險。既滿足行業(yè)數(shù)字化在敏捷連接、實時業(yè)務、數(shù)據(jù)優(yōu)化、應用智能的需求也可以同時滿足安全與隱私保護等方面的關鍵需求。
物聯(lián)網(wǎng)從底層終端設備收集信息，通過物聯(lián)網(wǎng)通信技術(如：ZigBee、RF、Wi-Fi、REthernet、RS-485、PLC等)接入網(wǎng)關再通過通信技術(3G、4G、Ethernet、LTE、xDSL等)接入網(wǎng)絡，將信息傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)平臺(服務器)，如果在平臺做了規(guī)則策略則直接在平臺處下發(fā)一條命令，通過傳統(tǒng)的網(wǎng)絡發(fā)送到網(wǎng)關再尋找到相應的設備將命令下發(fā)給設備，設備執(zhí)行命令;如果沒做規(guī)則策略，應用對接平臺，則在應用端(手機APP)可以進行操作，將操作命令下發(fā)到平臺，同樣的原理，下發(fā)到物聯(lián)網(wǎng)終端設備，執(zhí)行命令。
如果網(wǎng)關到平臺中間的傳統(tǒng)網(wǎng)得不到保證的話，比如發(fā)生擁塞，高時延，數(shù)據(jù)就無法傳輸?shù)狡脚_，就無法保證業(yè)務實時性。所以就在網(wǎng)關處提供計算能力，也就是邊緣計算。
邊緣計算是靠近終端設備的網(wǎng)絡邊緣節(jié)點上，利用本地閑置資源進行計算，提供連接、計算、存儲、控制與應用功能。滿足用戶實時、智能、安全和數(shù)據(jù)聚合等需求。
支持實時性業(yè)務
支持邊緣智能分析處理
支持邊緣智能分析處理
數(shù)據(jù)聚合、私有的安全域。
工業(yè)工業(yè)網(wǎng)關適用的范圍很廣。如：充電樁、電力抄表、路燈、公交車、園區(qū)物聯(lián)網(wǎng)等。提供低功耗、智能邊緣計算、實時處理業(yè)務等功能。
物聯(lián)網(wǎng)云平臺主要包含四大組件：
設備接入：可以在智能設備與云端之間建立安全的雙向連接;
設備管理：服務有生命周期、設備分組、設備影子、物模型、數(shù)據(jù)解析、數(shù)據(jù)存儲、在線調試、固件升級、遠程配置、實時監(jiān)控等;
規(guī)則引擎：規(guī)則引擎通過創(chuàng)建、配置規(guī)則，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)流轉和場景聯(lián)動。主要作用是把物聯(lián)網(wǎng)平臺數(shù)據(jù)通過過濾轉發(fā)到其他云計算產(chǎn)品上;
1、實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場設備遠程控制;
2、實現(xiàn)設備固件遠程升級，程序上下載，可靈活接入各種設備管理平臺;
3、實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場觸摸屏遠程控制和組態(tài)畫面遠程映射;
4、可同時與多臺PLC或觸摸屏遠程通訊;
5、實現(xiàn)西門子、三菱、歐姆龍、施耐德、臺達、匯川、和利時、松下、永宏、海為和 MODBUS 系列等PLC等主流協(xié)議硬件解析;
6、 實現(xiàn)PLC遠程監(jiān)控，PLC遠程編程，PLC遠程調試，PLC遠程上下載，PLC遠程控制，PLC數(shù)據(jù)采集，PLC遠程通訊;
目前市場上設備接入硬件種類繁多，常見的有數(shù)采網(wǎng)關、工業(yè)AP、工業(yè)DTU、工業(yè)網(wǎng)關，還有邊緣計算盒子和工業(yè)路由器等：
物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關，也叫工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關、無線數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關、通訊采集網(wǎng)關，無線網(wǎng)關，工業(yè)通訊網(wǎng)關，工業(yè)以太網(wǎng)串口智能網(wǎng)關，RS485串口Modbus智能網(wǎng)關，屬于無線傳感器網(wǎng)絡產(chǎn)品。具有高度集成化的特點，集數(shù)據(jù)接收、協(xié)議轉換、無線通訊傳輸?shù)裙δ?，支持多種通訊協(xié)議和通訊方式，可采用4G，5G，wifi及以太網(wǎng)等多種通訊方式。
1.工業(yè)AP
基于各類無線連接(WIFI，藍牙，LoRa)方式，實現(xiàn)與設備的連接與內(nèi)部矩陣式組網(wǎng)，通過上位連接設備(網(wǎng)關，工控機)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。
2.工業(yè)DTU數(shù)據(jù)透傳網(wǎng)關、數(shù)據(jù)傳輸單元
基于各類無線連接(WIFI，藍牙，LoRa等)方式，實現(xiàn)單臺設備數(shù)據(jù)的透明傳輸，利用串口轉以太網(wǎng)的方式，將設備上的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(就地監(jiān)控系統(tǒng)、主機)或云端(遠動站、物聯(lián)網(wǎng)云平臺、設備管理云平臺)。由上位機或云端按照設備約定的數(shù)據(jù)協(xié)議解析。
3.工業(yè)網(wǎng)關
除了設備連接與網(wǎng)絡傳輸之外，網(wǎng)關內(nèi)置了協(xié)議棧，可以實現(xiàn)協(xié)議之間的轉換，可在本地運行聯(lián)動腳本實現(xiàn)對設備的控制，設置數(shù)據(jù)傳輸策略與邏輯判斷，作為智能機可安裝操作系統(tǒng)并搭配對應的外部/本地配置界面。
4.邊緣計算工業(yè)網(wǎng)關
在傳統(tǒng)工業(yè)網(wǎng)關的各類功能(多設備連接、數(shù)據(jù)采集、協(xié)議轉換、腳本執(zhí)行等)以外，作為上位機可以接受來自工業(yè)AP/工業(yè)DTU/網(wǎng)關等下位設備的數(shù)據(jù)，通過設備本身的存儲空間進行數(shù)據(jù)存儲，選擇應用數(shù)據(jù)上傳云端，并利用設備自身芯片進行一些腳本與APP需求的本地運算與執(zhí)行。
同時，作為扎根生產(chǎn)現(xiàn)場的邊緣計算節(jié)點，具有輕量化、高性能、低功耗、接入方便等特點，可以在本地對海量設備數(shù)據(jù)進行處理與分析，提高運算效率，還能夠作為工業(yè)互聯(lián)和工業(yè)APP的載體，縮短工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺上各類業(yè)務操作響應時間，節(jié)約企業(yè)成本，性價比很高。
5.工業(yè)路由器
實現(xiàn)企業(yè)車間內(nèi)不同無線模式(WIFI.藍牙.以太網(wǎng))接入設備的連接，并通過4G/5G網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫朔掌鳌?/p>
通俗來說，工業(yè)AP和工業(yè)DTU差不多，都是你給我什么，我就上傳什么，不過我要是上不了網(wǎng)，工業(yè)DTU也能幫我把數(shù)據(jù)帶上去。
工業(yè)網(wǎng)關能存點數(shù)據(jù)，也能上傳點有用的數(shù)據(jù)，還能順便控制下設備。
邊緣計算網(wǎng)關，顧名思義，能進行計算，還能運行程序，只把需要的數(shù)據(jù)帶在身邊。
工業(yè)路由器就是數(shù)據(jù)傳輸，能保證車間現(xiàn)場環(huán)境下的設備連接，想盡辦法把數(shù)據(jù)傳出去。
除了以上介紹的常見設備接入硬件之外，還有PLC物聯(lián)網(wǎng)模塊和工控機。
6.PLC物聯(lián)網(wǎng)模塊
負責上傳PLC的數(shù)據(jù)，通過物聯(lián)網(wǎng)模塊借助各類無線傳輸方式，將PLC本體與其他模塊的數(shù)據(jù)上傳到上位機或云端，同時借助PLC實現(xiàn)對設備的控制。
7.工控機
是邊緣計算盒子的可替換版本，可外接顯示器進行使用，基本功能與網(wǎng)絡傳輸方式與邊緣計算盒子相同，同樣具有數(shù)據(jù)接收/數(shù)據(jù)存儲/數(shù)據(jù)上傳與本地計算和執(zhí)行相應程序的功能，部分工控機為帶觸摸屏的一體機，在功能上較為強大，網(wǎng)關和邊緣計算盒子能干的它都能做到。
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