首先,我們來了解一下什么是“網(wǎng)關(guān)”。網(wǎng)關(guān)從字面意義上來看,就是網(wǎng)絡(luò)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(guān)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(guān)的作用就是過濾器。
工業(yè)網(wǎng)關(guān)是物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的一種通信設(shè)備。在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)層次架構(gòu)中的位置:感知層終端設(shè)備->網(wǎng)關(guān)->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(shè)備,北向上行連接傳輸通道(上位機(jī)、骨干網(wǎng)、遠(yuǎn)動機(jī)、云平臺等)。
工業(yè)網(wǎng)關(guān)的基本結(jié)構(gòu):南向接口北向接口安全管理與協(xié)議轉(zhuǎn)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(luò)模組等。
南向接口用來連接物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備,除了剛說的 BLE、ZigBee、LoRa、Wi-Fi 這些無線技術(shù)的接口,常見的還有用在工控機(jī)(Industrial Personal Computer,工業(yè)控制計算機(jī))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(guān)設(shè)備的接口類型和個數(shù)不是固定的,因為網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品一般會根據(jù)應(yīng)用場景確定幾個不同的規(guī)格型號。
不同型號的網(wǎng)關(guān)需要支持不同類型的協(xié)議,以及不同個數(shù)協(xié)議的轉(zhuǎn)換,所以網(wǎng)關(guān)的協(xié)議轉(zhuǎn)換功能一般采用插件的軟件架構(gòu)方式。
工業(yè)網(wǎng)關(guān)的基本要求——嚴(yán)苛工業(yè)場景下長年無人值守穩(wěn)定運行
工業(yè)網(wǎng)關(guān)與傳統(tǒng)的路由器、交換機(jī)工作環(huán)境不同。傳統(tǒng)的路由器、交換機(jī)都在機(jī)房中,開著空調(diào),有專門的工作人員做維護(hù)。保證工作環(huán)境,如溫度、濕度、空氣質(zhì)量等。而工業(yè)網(wǎng)關(guān)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(shè)備各種復(fù)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(shè)中利舊,保護(hù)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(guān)。
工業(yè)工業(yè)網(wǎng)關(guān)集成了本地多傳輸通訊鏈路方式的集成和協(xié)議轉(zhuǎn)換、通訊路由、數(shù)據(jù)交換、安全防護(hù)、穩(wěn)定運行于一體的融合網(wǎng)關(guān)。它提供了工業(yè)級的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)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(jìn)行協(xié)議的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化成傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)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(yīng);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(wù)風(fēng)險;工業(yè)網(wǎng)關(guān)支持智能運維:自助處理故障、遠(yuǎn)程測試與診斷。
如何兼容各種設(shè)備?需要物模型數(shù)據(jù)抽象傳統(tǒng)的各種接入設(shè)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(yīng)用的開發(fā)和設(shè)備的互操作。這個模型如果更進(jìn)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(jìn)化,積累各種信息和知識,并且促進(jìn)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(shè)備影子用于緩存設(shè)備狀態(tài)。應(yīng)用程序可以通過設(shè)備影子直接獲取設(shè)備最后一次更新的屬性值,而無需每次都訪問設(shè)備。設(shè)備在線時,可以直接獲取應(yīng)用指令;設(shè)備離線后,再次上線可以主動拉取應(yīng)用指令。
如果設(shè)備網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定,很多應(yīng)用程序請求獲取設(shè)備狀態(tài),設(shè)備需要根據(jù)請求響應(yīng)多次,即使響應(yīng)的結(jié)果是一樣的。但是可能設(shè)備本身處理能力有限,其實無法負(fù)載被請求多次的情況。使用設(shè)備影子機(jī)制,設(shè)備只需要主動同步狀態(tài)給設(shè)備影子一次,多個應(yīng)用程序請求設(shè)備影子獲取設(shè)備狀態(tài),即可獲取設(shè)備最新狀態(tài),做到應(yīng)用程序和設(shè)備的解耦。比如,智能斷路器電燈的開關(guān)狀態(tài)這個屬性,可以遠(yuǎn)程控制,也可以在本地通過物理開關(guān)改變。如果網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定,那么平臺上存儲的狀態(tài),和設(shè)備的真實狀態(tài)可能會不一致,導(dǎo)致后續(xù)操作邏輯錯誤。設(shè)備影子可以通過雙向的同步,實現(xiàn)服務(wù)器端和設(shè)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(guān)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(shù)可確保各個節(jié)點的信息被精準(zhǔn)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(jié)構(gòu)與DNS的域名結(jié)構(gòu)不同,因此需要開發(fā)新的源尋址技術(shù)。
協(xié)議轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)化功能。為了實現(xiàn)無線傳感網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交互,需要由網(wǎng)關(guān)充當(dāng)協(xié)議轉(zhuǎn)換的角色,將上傳的標(biāo)準(zhǔn)格式數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一封裝,將下發(fā)的數(shù)據(jù)解包成標(biāo)準(zhǔn)格式數(shù)據(jù),使得指令可被識別。
工業(yè)網(wǎng)關(guān)通常基于工控計算機(jī)設(shè)計,以滿足對性能和應(yīng)用的需求,并對整個系統(tǒng)的資源進(jìn)行管理。在工業(yè)應(yīng)用中受實時性、穩(wěn)定性、環(huán)境與成本限制,工業(yè)網(wǎng)關(guān)常以無線廣域網(wǎng)(WWAN)和本地現(xiàn)場總線的結(jié)合為主,以適應(yīng)各種復(fù)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(shù)有GPRS技術(shù)、4G技術(shù)和衛(wèi)星通信技術(shù),而應(yīng)用廣泛的現(xiàn)場總線技術(shù)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(jī)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(shè)置定時任務(wù)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(quán)限,但功耗升高,傳輸效率降低。工業(yè)網(wǎng)關(guān)采用混合式數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制,使用應(yīng)答機(jī)制偵聽雙向數(shù)據(jù),使用主動機(jī)制多閾值定時采集傳輸數(shù)據(jù),從而兼顧了主動式和應(yīng)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(guān)是否需要支持邊緣計算?
在進(jìn)行萬物互聯(lián)的時代,物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的增多,導(dǎo)致了許多數(shù)據(jù)需要傳輸?shù)皆贫诉M(jìn)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(jìn)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(wù)、數(shù)據(jù)優(yōu)化、應(yīng)用智能的需求也可以同時滿足安全與隱私保護(hù)等方面的關(guān)鍵需求。
物聯(lián)網(wǎng)從底層終端設(shè)備收集信息,通過物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)(如:ZigBee、RF、Wi-Fi、REthernet、RS-485、PLC等)接入網(wǎng)關(guān)再通過通信技術(shù)(3G、4G、Ethernet、LTE、xDSL等)接入網(wǎng)絡(luò),將信息傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)平臺(服務(wù)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(luò)發(fā)送到網(wǎng)關(guān)再尋找到相應(yīng)的設(shè)備將命令下發(fā)給設(shè)備,設(shè)備執(zhí)行命令;如果沒做規(guī)則策略,應(yīng)用對接平臺,則在應(yīng)用端(手機(jī)APP)可以進(jìn)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(shè)備,執(zhí)行命令。
如果網(wǎng)關(guān)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(wù)實時性。所以就在網(wǎng)關(guān)處提供計算能力,也就是邊緣計算。
邊緣計算是靠近終端設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)邊緣節(jié)點上,利用本地閑置資源進(jìn)行計算,提供連接、計算、存儲、控制與應(yīng)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(wù)
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(guān)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(wù)等功能。
物聯(lián)網(wǎng)云平臺主要包含四大組件:
設(shè)備接入:可以在智能設(shè)備與云端之間建立安全的雙向連接;
設(shè)備管理:服務(wù)有生命周期、設(shè)備分組、設(shè)備影子、物模型、數(shù)據(jù)解析、數(shù)據(jù)存儲、在線調(diào)試、固件升級、遠(yuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)發(fā)到其他云計算產(chǎn)品上;
1、實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備遠(yuǎn)程控制;
2、實現(xiàn)設(shè)備固件遠(yuǎn)程升級,程序上下載,可靈活接入各種設(shè)備管理平臺;
3、實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場觸摸屏遠(yuǎn)程控制和組態(tài)畫面遠(yuǎn)程映射;
4、可同時與多臺PLC或觸摸屏遠(yuǎn)程通訊;
5、實現(xiàn)西門子、三菱、歐姆龍、施耐德、臺達(dá)、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(yuǎn)程監(jiān)控,PLC遠(yuǎn)程編程,PLC遠(yuǎn)程調(diào)試,PLC遠(yuǎn)程上下載,PLC遠(yuǎn)程控制,PLC數(shù)據(jù)采集,PLC遠(yuǎn)程通訊;
目前市場上設(shè)備接入硬件種類繁多,常見的有數(shù)采網(wǎng)關(guān)、工業(yè)AP、工業(yè)DTU、工業(yè)網(wǎng)關(guān),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(guān),也叫工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)、無線數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)、通訊采集網(wǎng)關(guān),無線網(wǎng)關(guān),工業(yè)通訊網(wǎng)關(guān),工業(yè)以太網(wǎng)串口智能網(wǎng)關(guān),RS485串口Modbus智能網(wǎng)關(guān),屬于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品。具有高度集成化的特點,集數(shù)據(jù)接收、協(xié)議轉(zhuǎn)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(lán)牙,LoRa)方式,實現(xiàn)與設(shè)備的連接與內(nèi)部矩陣式組網(wǎng),通過上位連接設(shè)備(網(wǎng)關(guān),工控機(jī))實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。
2.工業(yè)DTU數(shù)據(jù)透傳網(wǎng)關(guān)、數(shù)據(jù)傳輸單元
基于各類無線連接(WIFI,藍(lán)牙,LoRa等)方式,實現(xiàn)單臺設(shè)備數(shù)據(jù)的透明傳輸,利用串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)的方式,將設(shè)備上的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)(就地監(jiān)控系統(tǒng)、主機(jī))或云端(遠(yuǎn)動站、物聯(lián)網(wǎng)云平臺、設(shè)備管理云平臺)。由上位機(jī)或云端按照設(shè)備約定的數(shù)據(jù)協(xié)議解析。
3.工業(yè)網(wǎng)關(guān)
除了設(shè)備連接與網(wǎng)絡(luò)傳輸之外,網(wǎng)關(guān)內(nèi)置了協(xié)議棧,可以實現(xiàn)協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換,可在本地運行聯(lián)動腳本實現(xiàn)對設(shè)備的控制,設(shè)置數(shù)據(jù)傳輸策略與邏輯判斷,作為智能機(jī)可安裝操作系統(tǒng)并搭配對應(yīng)的外部/本地配置界面。
4.邊緣計算工業(yè)網(wǎng)關(guān)
在傳統(tǒng)工業(yè)網(wǎng)關(guān)的各類功能(多設(shè)備連接、數(shù)據(jù)采集、協(xié)議轉(zhuǎn)換、腳本執(zhí)行等)以外,作為上位機(jī)可以接受來自工業(yè)AP/工業(yè)DTU/網(wǎng)關(guān)等下位設(shè)備的數(shù)據(jù),通過設(shè)備本身的存儲空間進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲,選擇應(yīng)用數(shù)據(jù)上傳云端,并利用設(shè)備自身芯片進(jìn)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(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)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(wù)操作響應(yīng)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(lán)牙.以太網(wǎng))接入設(shè)備的連接,并通過4G/5G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫朔?wù)器。
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(guān)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(shè)備。
邊緣計算網(wǎng)關(guān),顧名思義,能進(jìn)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(shè)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(shè)備接入硬件之外,還有PLC物聯(lián)網(wǎng)模塊和工控機(jī)。
6.PLC物聯(lián)網(wǎng)模塊
負(fù)責(zé)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(jī)或云端,同時借助PLC實現(xiàn)對設(shè)備的控制。
7.工控機(jī)
是邊緣計算盒子的可替換版本,可外接顯示器進(jìn)行使用,基本功能與網(wǎng)絡(luò)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(yīng)程序的功能,部分工控機(jī)為帶觸摸屏的一體機(jī),在功能上較為強大,網(wǎng)關(guān)和邊緣計算盒子能干的它都能做到。