從本文開始，將著重探討關于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺的關鍵技術。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺需要解決多類工業(yè)設備接入、多源工業(yè)數(shù)據(jù)集成、海量數(shù)據(jù)管理與處理、工業(yè)數(shù)據(jù)建模分析、工業(yè)應用創(chuàng)新與集成、工業(yè)知識積累迭代實現(xiàn)等一系列問題，涉及七大類關鍵技術，分別為數(shù)據(jù)集成和邊緣處理技術、IaaS 技術、平臺使能技術、數(shù)據(jù)管理技術、應用開發(fā)和微服務技術、工業(yè)數(shù)據(jù)建模與分析技術、安全技術。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺按層級分第一層是邊緣，此層是通過大范圍、深層次的數(shù)據(jù)采集，以及異構數(shù)據(jù)的協(xié)議轉換與邊緣處理，構建工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺的數(shù)據(jù)基礎。

一是通過各類通信手段接入不同設備、系統(tǒng)和產(chǎn)品，采集海量數(shù)據(jù)；

二是依托協(xié)議轉換技術實現(xiàn)多源異構數(shù)據(jù)的歸一化和邊緣集成；

三是利用邊緣計算設備實現(xiàn)底層數(shù)據(jù)的匯聚處理，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)向云端平臺的集成。

一、設備接入方式

我們經(jīng)?？吹酵ㄟ^物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)設備聯(lián)網(wǎng)。但設備究竟是如何聯(lián)網(wǎng)的卻語焉不詳。今天我們來探討下設備究竟是如何聯(lián)網(wǎng)的。

設備接入是基于工業(yè)以太網(wǎng)、工業(yè)總線等工業(yè)通訊協(xié)議，以太網(wǎng)、光纖等通用協(xié)議，3G/4G/5G、NB-IOT等無線協(xié)議將工業(yè)現(xiàn)場設備接入到平臺的邊緣層。

設備聯(lián)網(wǎng)有兩種方式：

第一種方式：直接接入

直接接入網(wǎng)絡需要滿足一個要求，即設備本身具備聯(lián)網(wǎng)的能力或者在設備端加入2G、3G、NB-IOT等通訊模組。具備通訊功能的設備，可以直接接入網(wǎng)絡。

第二種方式：網(wǎng)關接入

設備或終端本身不具有聯(lián)網(wǎng)能力，這就需要再本地組網(wǎng)后，再統(tǒng)一通過網(wǎng)關再接入網(wǎng)絡。如終端通過ZigbeeLORA等無線組網(wǎng)，然后設備再通過網(wǎng)關統(tǒng)一接入到網(wǎng)絡上。常用到的本地無線組網(wǎng)技術有ZigbeeloraBleMeoHsub-1GHZ等等。

二、網(wǎng)關

1、什么是網(wǎng)關

網(wǎng)關既然如此厲害，那么什么是網(wǎng)關呢？網(wǎng)關(Gateway)又稱網(wǎng)間連接器、協(xié)議轉換器。網(wǎng)關在網(wǎng)絡層以上實現(xiàn)網(wǎng)絡互連，是最復雜的網(wǎng)絡互連設備，僅用于兩個高層協(xié)議不同的網(wǎng)絡互連。網(wǎng)關既可以用于廣域網(wǎng)互連，也可以用于局域網(wǎng)互連。網(wǎng)關是一種充當轉換重任的計算機系統(tǒng)或設備。使用在不同的通信協(xié)議、數(shù)據(jù)格式或語言，甚至體系結構完全不同的兩種系統(tǒng)之間，網(wǎng)關是一個翻譯器。與網(wǎng)橋只是簡單地傳達信息不同，網(wǎng)關對收到的信息要重新打包，以適應系統(tǒng)的需求。

2、網(wǎng)關的功能

簡單地來說，網(wǎng)關就是一個處于本地局域網(wǎng)與外部接入網(wǎng)絡之間的智能設備。網(wǎng)關的主要功能是網(wǎng)絡隔離、協(xié)議轉換和適配、數(shù)據(jù)內外傳輸，還有一項功能在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺中很重要，就是邊緣計算，它占據(jù)了50%左右的計算。而邊緣計算大部分是通過網(wǎng)關或網(wǎng)關服務器來完成的。具體來說，網(wǎng)關主要功能包括：

（1）廣泛的接入能力

（2）網(wǎng)絡隔離

（3）協(xié)議轉換能力

（4）邊緣計算

3、網(wǎng)關工作過程

以ZigBee為例來探討下網(wǎng)關。ZigBee 因其低成本、低功耗、組網(wǎng)靈活等眾多優(yōu)勢，成為工業(yè)無線通信技術中備受關注的技術之一。ZigBee 是一種低速網(wǎng)絡，傳輸速度為10KB/S～250KB/S，多樣的互聯(lián)方式使得組網(wǎng)方式靈活而穩(wěn)健。采用ZigBee 協(xié)議，應用于工業(yè)現(xiàn)場短距離的無線控制、監(jiān)測、數(shù)據(jù)傳輸?shù)鹊囊蕴W(wǎng)協(xié)議轉換，實現(xiàn)遠程監(jiān)控、遠程數(shù)據(jù)交互等。

可通過ZigBee 以太網(wǎng)網(wǎng)關直接訪問或修改儀表數(shù)據(jù)，實現(xiàn)現(xiàn)場儀表的遠程監(jiān)控、遠程診斷等當網(wǎng)關接入GPRS 或因特網(wǎng)后，無論你身處何地都可隨時訪問工業(yè)現(xiàn)場儀表數(shù)據(jù)，實現(xiàn)現(xiàn)場儀表的遠程組態(tài)、遠程診斷以及遠程操作等功能，使世界范圍內的不同傳感監(jiān)測網(wǎng)絡可以信息共享。

一個典型的網(wǎng)關架構圖：

當網(wǎng)關接收到一個正常發(fā)往本地IP 的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包后，經(jīng)過協(xié)議判斷送往上層UDP（TCP）處理，最后到網(wǎng)關的應用程序處理網(wǎng)關應用程序經(jīng)過分析判斷，確定需要轉發(fā)給ZigBee 網(wǎng)絡中的哪個節(jié)點，經(jīng)過ZigBee 端的ARP 地址解析出對應的ZigBee 中的節(jié)點MAC地址，將相應的數(shù)據(jù)包送至該節(jié)點，完成一次數(shù)據(jù)通訊。同理，當ZigBee 端收到數(shù)據(jù)包后，通過同樣的解析將數(shù)據(jù)包送至對應節(jié)點或設備實現(xiàn)ZigBee 節(jié)點的實時訪問、修改、組態(tài)等。

三、數(shù)據(jù)傳輸方式

物聯(lián)網(wǎng)的傳輸層主要負責傳遞和處理感知層獲取的信息，分為有線傳輸和無線傳輸兩大類，其中無線傳輸是物聯(lián)網(wǎng)的主要應用。無線傳輸技術按傳輸距離可劃分為兩類：一類是以Zigbee、WiFi、藍牙等為代表的短距離傳輸技術，即局域網(wǎng)通信技術；另一類則是LPWAN（low-power Wide-Area Network，低功耗廣域網(wǎng)），即廣域網(wǎng)通信技術。LPWAN又可分為兩類：

一類是工作于未授權頻譜的LoRa、Sigfox等技術；

另一類是工作于授權頻譜下，3GPP支持的2G、3G、4G、5G蜂窩通信技術，比如eMTC、NB-IoT。*局域網(wǎng)傳輸設備，應用于本地的連接技術，主要有BLE、Zigbee、Z-ware、NFC、Wifi/藍牙等。

 *廣域網(wǎng)傳輸設備，應用于廣域和遠程數(shù)據(jù)的連接技術，主要有3G/4G/5G、Ethernet、LTE、eMTC、NB-IOT等。

根據(jù)傳輸速率的不同，物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務可分為高速率、中速率及低速率業(yè)務。其中，高速率業(yè)務主要使用3G、4G 及WiFi技術，可應用于視頻監(jiān)控、車載導航等場景；中速率業(yè)務主要使用藍牙、eMTC等技術，可應用于智能家居、儲物柜等高頻使用場景；低速率業(yè)務，即LPWAN(低功耗廣域網(wǎng))，主要使用NB-IoT、LoRa、Sigfox及ZigBee等技術，可應用于智慧停車、遠程抄表等使用頻次低的應用場景。

根據(jù)麥肯錫咨詢所調研的數(shù)據(jù)來看，全球物聯(lián)網(wǎng)市場有大約60%以上都屬于低速率業(yè)務，這類應用需要具有支持海量連接數(shù)、低終端成本、低終端功耗和超強覆蓋等能力。由于自身的發(fā)展以及成本等問題，各個企業(yè)都在向低成本、低功耗等方向發(fā)展。而在低速率領域，中國電信企業(yè)如中國移動、中國電信等都主要以發(fā)展NB-IoT（窄帶物聯(lián)網(wǎng)）為主，而LoRa在中國電信類企業(yè)之外也是發(fā)展的重點。

四、數(shù)據(jù)解析方式

傳感器和設備信息需要通過各種不同的協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)接入的。協(xié)議轉換分為兩個方面：

一方面運用協(xié)議解析、中間件等技術兼容ModBus、OPC、CAN、Profibus等各類工業(yè)通信協(xié)議和軟件通訊接口，實現(xiàn)數(shù)字格式轉換和統(tǒng)一。

另一方面利用HTTP、MQTT等方式從邊緣層將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫?，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程接入。

在轉換協(xié)議中，主要有協(xié)議即用于短距離設備連接的本地協(xié)議 Modbus 以及支持物聯(lián)網(wǎng)進行遠程全局通信的可擴展互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議MQTT。

ModBus

ModBus首次出現(xiàn)于 1979 年，是連接行業(yè)設備實際使用的標準協(xié)議。是一種純粹的“軟”協(xié)議，不依賴于任何通訊介質和通訊設備。ModBus 的核心是一個串行通信協(xié)議，采用主從模式，借助 RS-485，主從機之間的通信發(fā)生在指示功能碼的幀中。該功能碼可識別要操作的功能，如讀取獨立輸入；讀取先進先出隊列；或執(zhí)行診斷函數(shù)。然后，從機根據(jù)收到的功能碼進行響應，該響應較為簡單，由一組字節(jié)指示。因此，從機可以是智能設備，也可以是只有一個傳感器的簡單設備。 

MQTT

MQTT 是一個開放的輕量級機器對機器協(xié)議，專為物聯(lián)網(wǎng)交互設計。MQTT 網(wǎng)絡包含一個 MQTT 經(jīng)紀人 (broker)，負責協(xié)調 MQTT 代理之間的交互。代理是發(fā)布器，負責發(fā)布供用戶使用的信息。MQTT支持傳感器、設備和云之間安全交互。 

五、數(shù)據(jù)接入架構

上圖為數(shù)據(jù)接入架構圖。設備或傳感器的信息通過ModBus等協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)關，再通過MQTT等協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_，在云平臺上進行數(shù)據(jù)解析與存儲，再通過云計算成為管理和決策的重要依據(jù)。

六、結語

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺，數(shù)據(jù)連接是第一步，是基礎。基于海量工業(yè)數(shù)據(jù)的全面感知，通過端到端的數(shù)據(jù)深度集成構成網(wǎng)絡的邊緣層，再通過建模分析，實現(xiàn)智能化的決策與控制指令，形成智能化生產(chǎn)、網(wǎng)絡化協(xié)同、個性化定制、服務化延伸等新型制造模式。

作者：物聯(lián)研究 

來源：CSDN

原文地址：https://blog.csdn.net/iot_research/article/details/82662797