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物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中不可或缺的一部分。其連接各種設(shè)備、傳感器、機(jī)器等，實(shí)現(xiàn)設(shè)備互聯(lián)和數(shù)據(jù)交換。這為廣泛的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持，特別是在智慧城市，工業(yè)4.0自動化和智能家居方面。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)也在不斷更新和增強(qiáng)。本文將概述物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)在物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)中的關(guān)鍵功能，并為如何選擇最佳物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)提供指導(dǎo)。
物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)是連接設(shè)備與其他設(shè)備以及云的重要樞紐。其工作過程涉及數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理等多個環(huán)節(jié)。在此過程中，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)必須與多個設(shè)備連接，以便將收集到的數(shù)據(jù)上傳到云端。此外，所有這些都需要可靠的硬件和軟件。
例如，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程管理和控制，確保設(shè)備的正常運(yùn)行。同時(shí)，還可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾和存儲，提高數(shù)據(jù)質(zhì)量，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析提供支持。正是因?yàn)檫@些功能的存在，使得物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)成為智慧城市、智慧工業(yè)、智能家居等領(lǐng)域的核心組件。
在選擇最佳物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)時(shí)，必須考慮許多標(biāo)準(zhǔn)，包括應(yīng)用場景、設(shè)備數(shù)量、通信協(xié)議等。本文將探討物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的定義和工作原理，同時(shí)還提供有關(guān)如何選擇最佳物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的一些建議。
什么是物聯(lián)網(wǎng)？物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的作用是什么？
“物聯(lián)網(wǎng)”的想法最初出現(xiàn)于1985年：物聯(lián)網(wǎng)(IoT)將是人、流程和技術(shù)與可連接對象和傳感器集成，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)控、對象操作和趨勢分析。
物聯(lián)網(wǎng)建立在計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，利用無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等創(chuàng)新技術(shù)來創(chuàng)建一個覆蓋整個地球的“物聯(lián)網(wǎng)”。在這個網(wǎng)絡(luò)中，物體可以在沒有人為干預(yù)的情況下相互通信。其本質(zhì)是利用有線和無線協(xié)議將任何物體連接到互聯(lián)網(wǎng)上，進(jìn)行通信和信息交換。信息傳感設(shè)備的示例包括射頻識別(RFID)設(shè)備、紅外傳感器、激光掃描儀等。
在物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)至關(guān)重要。其充當(dāng)傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)和傳感網(wǎng)絡(luò)之間的管道。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)作為M2M網(wǎng)關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)各類感知網(wǎng)絡(luò)之間、感知網(wǎng)絡(luò)與通信網(wǎng)絡(luò)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換。同時(shí)，其能夠?qū)崿F(xiàn)廣域和局域連接。此外，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)還要求具備設(shè)備管理功能，以便操作人員能夠管理底層傳感節(jié)點(diǎn)，了解各節(jié)點(diǎn)的相關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示、異常報(bào)警和遠(yuǎn)程控制。
物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)如何工作？
物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)是一種將非IP設(shè)備連接到互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的工作流程可以分為三個步驟：連接設(shè)備、處理數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)到服務(wù)器。
連接設(shè)備
終端設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)通過各種接口連接。大多數(shù)情況下，傳感器會單方面連續(xù)向服務(wù)器傳送數(shù)據(jù)。在某些情況下，還存在設(shè)備申請獲取數(shù)據(jù)時(shí)，服務(wù)器向終端設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)的情況。此時(shí)，就需要物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)請求數(shù)據(jù)。
數(shù)據(jù)處理
物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)從終端設(shè)備接收到數(shù)據(jù)后，需要將其轉(zhuǎn)換為可傳輸?shù)椒?wù)器的格式。例如，從設(shè)備發(fā)送到網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)可以用一位十進(jìn)制數(shù)數(shù)據(jù)替換4位二進(jìn)制數(shù)來表示，例如二進(jìn)制數(shù)據(jù)和BCD碼。此類數(shù)據(jù)將在網(wǎng)關(guān)處轉(zhuǎn)換為字符串和數(shù)字表示形式，而不是直接傳送到服務(wù)器。
還有一種情況是，大量數(shù)據(jù)在交付給服務(wù)器之前被集成，而不是服務(wù)器直接從每個設(shè)備接收數(shù)據(jù)。這樣做有兩個原因：
首先，通過數(shù)據(jù)整合，可以減少數(shù)據(jù)總量和附加信息量。
其次，通過一起發(fā)送數(shù)據(jù)，可以減輕訪問物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)時(shí)服務(wù)器的負(fù)擔(dān)。
這種情況下，需要根據(jù)服務(wù)器確定發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔和發(fā)送數(shù)據(jù)的協(xié)議。
發(fā)送數(shù)據(jù)到服務(wù)器
數(shù)據(jù)接收服務(wù)器負(fù)責(zé)接收物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)。其充當(dāng)設(shè)備和系統(tǒng)之間的橋梁。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)的方式有很多種，通常包括以下方式：1、使用HTTP協(xié)議的Web API訪問設(shè)備；2、進(jìn)行語音和視頻的實(shí)時(shí)通信，如WebSocket、WebRTC；3、一種名為MQTT的新通信協(xié)議已經(jīng)出現(xiàn)，專門用于物聯(lián)網(wǎng)。
物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)功能
物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)是一種可以連接多臺設(shè)備的設(shè)備，具有直連互聯(lián)網(wǎng)的功能。這允許物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)將從設(shè)備接收的數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫，并分析收集的數(shù)據(jù)。同時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)還支持向設(shè)備發(fā)送指令和信息。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的主要功能如下：
傳感器到云訪問
智能傳感器是物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)中最關(guān)鍵的元素之一。其從物理世界收集各種數(shù)據(jù)，并為物聯(lián)網(wǎng)提供海量的數(shù)據(jù)源。不同的傳感器設(shè)備可以連接到物聯(lián)網(wǎng)傳感器網(wǎng)關(guān)，然后可以收集數(shù)據(jù)、檢查協(xié)議，并將其傳輸?shù)狡渌O(shè)備或云。
同時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)傳感器網(wǎng)關(guān)還可以通過負(fù)載均衡等技術(shù)，對傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存和分析，從而提高整個物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的速度和可靠性。
物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備主要使用Zigbee、Z-Wave和藍(lán)牙LE等短距離無線技術(shù)，與物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信。一些物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備還使用LoRa等遠(yuǎn)程無線技術(shù)連接到物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)。然后，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)通過光纖WAN或以太網(wǎng)LAN將一系列傳感器連接到廣域網(wǎng)(WAN)或云。
各種通信技術(shù)主要是針對特定的應(yīng)用而開發(fā)的，相互之間缺乏兼容性和系統(tǒng)規(guī)劃。為了實(shí)現(xiàn)多種通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的互聯(lián)互通，3GPP等一些組織已經(jīng)開始致力于物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化工作。
設(shè)備管理
對于任何大型網(wǎng)絡(luò)，強(qiáng)大的設(shè)備管理能力都是必不可少的。注冊管理、授權(quán)管理、狀態(tài)監(jiān)管等都可以通過物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)管理來實(shí)現(xiàn)。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)還可以對子網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理，包括遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)喚醒、控制、診斷、升級、維護(hù)，以及獲取其標(biāo)識、狀態(tài)、屬性、能量等。
每個物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的管理能力因子網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的不同和協(xié)議的復(fù)雜性而異。用戶可以利用統(tǒng)一的管理界面來統(tǒng)一控制外圍網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，并可以采用模塊化的方式來管理物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的不同感知網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用。
多協(xié)議轉(zhuǎn)換
物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)可以實(shí)現(xiàn)各種感知網(wǎng)絡(luò)到互聯(lián)網(wǎng)接入網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議轉(zhuǎn)換，將數(shù)據(jù)統(tǒng)一封裝成標(biāo)準(zhǔn)格式，保證各種感知網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議成為統(tǒng)一的數(shù)據(jù)和信令，并保證數(shù)據(jù)包解析成感知層協(xié)議能夠理解的信令和控制指令。
邊緣計(jì)算
具有邊緣計(jì)算能力的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)可以優(yōu)化終端數(shù)據(jù)處理，為數(shù)據(jù)安全創(chuàng)造條件，有效緩解平臺服務(wù)器的負(fù)載。具體履行以下職責(zé)：
支持消息轉(zhuǎn)換和異常報(bào)警；
支持在線鏈路檢測和斷開時(shí)自動重新連接;
支持設(shè)備運(yùn)行自檢軟件，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行故障的自我修復(fù)；
支持系統(tǒng)狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)、路由狀態(tài)查詢；
支持遠(yuǎn)程登錄、web、ssh配置；
支持web升級、本地日志、遠(yuǎn)程日志、串口輸出日志。
如何選擇物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)？
物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)備由硬件和軟件組成。如今，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)有多種樣式。那么，選擇物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)是什么？
接口：首先要考慮的是用于連接網(wǎng)關(guān)和設(shè)備的接口。網(wǎng)關(guān)的接口決定了可以連接的設(shè)備，因此選擇與設(shè)備匹配的接口是關(guān)鍵。串行通信和USB連接是有線連接技術(shù)的示例。無線連接經(jīng)常采用藍(lán)牙、Zigbee、Wi-Fi等；
網(wǎng)絡(luò)接口：通常，為了連接外部網(wǎng)絡(luò)，會使用以太網(wǎng)、Wi-Fi、4G LTE或5G；
硬件：與普通計(jì)算機(jī)相比，網(wǎng)關(guān)的CPU和內(nèi)存性能受到限制。因此在考慮網(wǎng)關(guān)的物理功能之前，必須明確其用途。
軟件：操作系統(tǒng)、應(yīng)用環(huán)境、編程語言、開發(fā)環(huán)境等都是軟件的例子。大多數(shù)情況下，網(wǎng)關(guān)運(yùn)行在Linux操作系統(tǒng)上。
電源：大多數(shù)網(wǎng)關(guān)依靠交流適配器供電，有些網(wǎng)關(guān)可能內(nèi)置鋰電池。
物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)常見問題解答
問：什么是物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)？
答：物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)是將執(zhí)行器、傳感器和其他智能設(shè)備連接到云的硬件或軟件。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和云之間傳輸?shù)乃袛?shù)據(jù)都通過物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行路由。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的另一個名稱是，智能網(wǎng)關(guān)或控制器。
問：什么是物聯(lián)網(wǎng)云網(wǎng)關(guān)？
答：物聯(lián)網(wǎng)云網(wǎng)關(guān)也充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)路由器，用于在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和云端之間發(fā)送數(shù)據(jù)。早期，大多數(shù)網(wǎng)關(guān)設(shè)備只是將數(shù)據(jù)從物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備發(fā)送到云端。如今，網(wǎng)關(guān)設(shè)備能夠管理輸入和輸出流量。輸出流量用于將物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)發(fā)送到云端，輸入流量用于設(shè)備管理任務(wù)，例如固件更新。
物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的功能不僅僅是路由流量。在傳輸?shù)皆贫酥埃袝r(shí)可以通過邊緣網(wǎng)關(guān)設(shè)備在邊緣本地對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。作為流程的一部分，設(shè)備可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行重復(fù)數(shù)據(jù)刪除、匯總或聚合，以減少需要傳輸?shù)皆频臄?shù)據(jù)量。響應(yīng)時(shí)間和網(wǎng)絡(luò)傳輸費(fèi)用可能會受到很大影響。
問：如何增強(qiáng)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的安全性？
答：采用具有篡改檢測、加密、硬件隨機(jī)數(shù)生成器和加密引擎等功能的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，是企業(yè)可以用來保護(hù)其物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的一種方法。這可以幫助保護(hù)單個設(shè)備免受攻擊，并保護(hù)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)。
物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)可以為物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)及其傳輸?shù)臄?shù)據(jù)添加額外的安全層。企業(yè)保護(hù)其物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的一種選擇是實(shí)施具有篡改檢測、加密、硬件隨機(jī)數(shù)生成器和加密引擎的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)。這可以幫助保護(hù)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，并防御對特定設(shè)備的攻擊。
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