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物联网网关特点及体系结构

发布时间:2024-01-09 浏览量:5151

‌为什么需要物联网的网关呢?

现在,您可能想知道:为什么将网关引入物联网架构是一个重要的原因?

首先,传感器在网络连接方面的功能通常比较有限。通常情况下,您的传感器可能会使用蓝牙低功耗(BLE),就像市场上大多数信标一样。而一些传感器也可能会使用ZigBee协议进行连接。此外,在局域网(LAN)、家庭局域网(HAN)或个人局域网(PAN)中,还有其他许多协议可供选择。所有这些协议都有一个共同特点,即它们无法直接连接到广域网(WAN)或Internet等大型网络。为了让您的传感器能够与外部网络进行一对一的联系,您需要一个网关。这个网关可以通过WiFi、GSM或其他类型的连接方式,为您的传感器提供与外部网络的连接。

请注意,网关的功能不限于将传感器数据转发给后端服务的存储代理。直接将所有传感器收集到的信息发送至数据中心会导致性能和网络利用效率低下。在将信息发送至数据中心之前,需要一个物联网网关来对现场信息进行预处理。这种预处理包括消息过滤和聚合。

网关在这里扮演了一个关键角色,它作为一个单一的访问点,来监测指定区域的操作和字段。您无需使用监视软件来连接每个传感器,只需监测网关即可。通过这种方式,网关将负责收集所有必要的传感器数据。

体系结构概述

下面是一种常见的网关体系结构设计图,网关本身没有安装传感器。相反,网关软件安装在设备上,负责从传感器收集数据、对数据进行预处理,并将处理结果发送到数据中心。

体系结构

请注意,传感器体系结构可能会有一些变动,部分传感器可能会放置在网关设备上。具体的布局如下图所示。


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嵌入式传感器可以被视为网关的组成部分,这些传感器包括GPS模块和通过GPIO接口连接到网关的温度传感器等。

网关软件

软件应用程序是网关的核心,它的主要任务是收集传感器所提供的信息,并将其安全地存储,直到可以进行预处理并发送到数据中心。在每个处理阶段,网关软件都会根据需要决定将数据暂时存储在内存中还是永久保存。

在设计网关软件时,有必要充分考虑到故障和灾害恢复的情况。由于网关设备通常在现场进行操作,因此应该对不理想的工作环境做好充分的准备。例如,需要预先准备好网关软件以应对断电或其他可能导致网关处理中断的操作。在电源恢复后,网关软件应能够自动启动,并能够从中断的地方继续工作。

网关软件需要具备充分的智能,以正确处理系统日志记录。它必须在设备存储的日志条目数量和发送到数据中心的日志条目数量之间找到合适的平衡点。

安装和更新软件

如何访问设备上的网关软件?有三种主要的解决方案。

一种方法是在网关磁盘(或存储卡)上预先安装软件,这种方法被称为工厂引导程序。然而,如果解决方案中有很多个网关,这种技术的扩展性就有限。

另一种方法是使用基于服务器启动的引导方式。在这种模式下,中央软件管理服务器与网关设备进行通信,并向其安装适当版本的软件。虽然这种方法比工厂引导扩展更高效,但仍然需要在服务器端进行启动和部署操作。

一种方法是通过客户端启动引导程序来实现。这种模式下,假设网关负责连接到中央存储库服务器并下载适用的软件版本。为此,网关需要安装轻量级的引导软件,以便与软件管理服务器进行通信。这种方式是最具可扩展性的一种方法。

物联网网关有一个非常重要的特点,就是可以通过无线方式进行软件更新。需要记住的是,一旦将网关软件安装到设备上并部署到现场,您对网关软件的维护能力将非常有限。从安全的角度来看,通过无线下载软件更新的能力尤为重要,因为它可能会影响关键安全修复程序的交付时间。这也意味着不需要进行任何集中协调操作,每个网关设备都可以在接通电源后立即下载软件。

感测器的客户群体

假设软件应用程序是网关的核心,那么传感器就扮演了网关的视觉和听觉工具的角色。传感器是一种小型硬件设备,可以测量现实世界的各个方面。传感器通常收集的数据类型包括温度、GPS坐标、湿度和气压等。

通常,网关处理来自传感器的小型信息。例如,传感器测量的当前温度是一个十进制数。而GPS坐标由两个十进制数字表示,分别是经度和纬度。需要注意的是,网关需要处理大量的这些小型信息。

尽管传感器本身能够频繁产生消息,但是我们需要预测我们真正需要从传感器中收集多少消息。例如,我们可以每毫秒读取传感器的温度,但我们真的需要如此精确的温度变化测量吗?在大多数情况下,每秒读取传感器几次就足够了,因为我们更加关注的是较长时间内的度量标准。网关软件通常会定期查询传感器数据。一款优秀的网关软件允许您轻松设置每个传感器的查询间隔。您绝对不希望将不必要的传感器数据存储在网关中,因为过时的数据会占用有限的网关设备处理能力。

数据传输使用网关进行

一般来说,网关连接的方式包括GPS、WiFi和以太网。一些网关甚至可以同时支持GPS和WiFi模式,例如移动车辆上的网关。一般而言,非GPS连接被视为优先选择,因为它可以避免高昂的移动数据流量费用。一些网关会持续连接到低成本的本地网络,而使用GPS连接的网关则应该小心地将数据发送到数据中心。网关应该根据业务逻辑处理收集到的数据,判断哪些消息需要通过昂贵的GPS网络发送,哪些数据可以在设备上进行缓存,以便延迟时离线处理。


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