物聯網網關特點及體系結構

發布時間：2024-01-09 瀏覽量：43324

?為什么需要物聯網的網關呢？

現在，您可能想知道：為什么將網關引入物聯網架構是一個重要的原因？

首先，傳感器在網絡連接方面的功能通常比較有限。通常情況下，您的傳感器可能會使用藍牙低功耗（BLE），就像市場上大多數信標一樣。而一些傳感器也可能會使用ZigBee協議進行連接。此外，在局域網（LAN）、家庭局域網（HAN）或個人局域網（PAN）中，還有其他許多協議可供選擇。所有這些協議都有一個共同特點，即它們無法直接連接到廣域網（WAN）或Internet等大型網絡。為了讓您的傳感器能夠與外部網絡進行一對一的聯系，您需要一個網關。這個網關可以通過WiFi、GSM或其他類型的連接方式，為您的傳感器提供與外部網絡的連接。

請注意，網關的功能不限于將傳感器數據轉發給后端服務的存儲代理。直接將所有傳感器收集到的信息發送至數據中心會導致性能和網絡利用效率低下。在將信息發送至數據中心之前，需要一個物聯網網關來對現場信息進行預處理。這種預處理包括消息過濾和聚合。

網關在這里扮演了一個關鍵角色，它作為一個單一的訪問點，來監測指定區域的操作和字段。您無需使用監視軟件來連接每個傳感器，只需監測網關即可。通過這種方式，網關將負責收集所有必要的傳感器數據。

體系結構概述

下面是一種常見的網關體系結構設計圖，網關本身沒有安裝傳感器。相反，網關軟件安裝在設備上，負責從傳感器收集數據、對數據進行預處理，并將處理結果發送到數據中心。

體系結構

請注意，傳感器體系結構可能會有一些變動，部分傳感器可能會放置在網關設備上。具體的布局如下圖所示。

嵌入式傳感器可以被視為網關的組成部分，這些傳感器包括GPS模塊和通過GPIO接口連接到網關的溫度傳感器等。

網關軟件

軟件應用程序是網關的核心，它的主要任務是收集傳感器所提供的信息，并將其安全地存儲，直到可以進行預處理并發送到數據中心。在每個處理階段，網關軟件都會根據需要決定將數據暫時存儲在內存中還是永久保存。

在設計網關軟件時，有必要充分考慮到故障和災害恢復的情況。由于網關設備通常在現場進行操作，因此應該對不理想的工作環境做好充分的準備。例如，需要預先準備好網關軟件以應對斷電或其他可能導致網關處理中斷的操作。在電源恢復后，網關軟件應能夠自動啟動，并能夠從中斷的地方繼續工作。

網關軟件需要具備充分的智能，以正確處理系統日志記錄。它必須在設備存儲的日志條目數量和發送到數據中心的日志條目數量之間找到合適的平衡點。

安裝和更新軟件

如何訪問設備上的網關軟件？有三種主要的解決方案。

一種方法是在網關磁盤（或存儲卡）上預先安裝軟件，這種方法被稱為工廠引導程序。然而，如果解決方案中有很多個網關，這種技術的擴展性就有限。

另一種方法是使用基于服務器啟動的引導方式。在這種模式下，中央軟件管理服務器與網關設備進行通信，并向其安裝適當版本的軟件。雖然這種方法比工廠引導擴展更高效，但仍然需要在服務器端進行啟動和部署操作。

一種方法是通過客戶端啟動引導程序來實現。這種模式下，假設網關負責連接到中央存儲庫服務器并下載適用的軟件版本。為此，網關需要安裝輕量級的引導軟件，以便與軟件管理服務器進行通信。這種方式是最具可擴展性的一種方法。

物聯網網關有一個非常重要的特點，就是可以通過無線方式進行軟件更新。需要記住的是，一旦將網關軟件安裝到設備上并部署到現場，您對網關軟件的維護能力將非常有限。從安全的角度來看，通過無線下載軟件更新的能力尤為重要，因為它可能會影響關鍵安全修復程序的交付時間。這也意味著不需要進行任何集中協調操作，每個網關設備都可以在接通電源后立即下載軟件。

感測器的客戶群體

假設軟件應用程序是網關的核心，那么傳感器就扮演了網關的視覺和聽覺工具的角色。傳感器是一種小型硬件設備，可以測量現實世界的各個方面。傳感器通常收集的數據類型包括溫度、GPS坐標、濕度和氣壓等。

通常，網關處理來自傳感器的小型信息。例如，傳感器測量的當前溫度是一個十進制數。而GPS坐標由兩個十進制數字表示，分別是經度和緯度。需要注意的是，網關需要處理大量的這些小型信息。

盡管傳感器本身能夠頻繁產生消息，但是我們需要預測我們真正需要從傳感器中收集多少消息。例如，我們可以每毫秒讀取傳感器的溫度，但我們真的需要如此精確的溫度變化測量嗎？在大多數情況下，每秒讀取傳感器幾次就足夠了，因為我們更加關注的是較長時間內的度量標準。網關軟件通常會定期查詢傳感器數據。一款優秀的網關軟件允許您輕松設置每個傳感器的查詢間隔。您絕對不希望將不必要的傳感器數據存儲在網關中，因為過時的數據會占用有限的網關設備處理能力。

數據傳輸使用網關進行

一般來說，網關連接的方式包括GPS、WiFi和以太網。一些網關甚至可以同時支持GPS和WiFi模式，例如移動車輛上的網關。一般而言，非GPS連接被視為優先選擇，因為它可以避免高昂的移動數據流量費用。一些網關會持續連接到低成本的本地網絡，而使用GPS連接的網關則應該小心地將數據發送到數據中心。網關應該根據業務邏輯處理收集到的數據，判斷哪些消息需要通過昂貴的GPS網絡發送，哪些數據可以在設備上進行緩存，以便延遲時離線處理。