【正達信通 】工業物聯網平臺核心技術之一：資料整合與邊緣處理

從本文開始，將著重探討關於工業物聯網平臺的關鍵技術。工業物聯網平臺需要解決多類工業裝置接入、多源工業資料整合、海量資料管理與處理、工業資料建模分析、工業應用創新與整合、工業知識積累迭代實現等一系列問題，涉及七大類關鍵技術，分別為資料整合和邊緣處理技術、IaaS 技術、平臺使能技術、資料管理技術、應用開發和微服務技術、工業資料建模與分析技術、安全技術。

工業物聯網平臺按層級分第一層是邊緣，此層是透過大範圍、深層次的資料採集，以及異構資料的協議轉換與邊緣處理，構建工業物聯網平臺的資料基礎。

一是透過各類通訊手段接入不同裝置、系統和產品，採集海量資料；

二是依託協議轉換技術實現多源異構資料的歸一化和邊緣整合；

三是利用邊緣計算裝置實現底層資料的匯聚處理，並實現資料向雲端平臺的整合。

一、裝置接入方式

我們經常看到透過物聯網實現裝置聯網。但裝置究竟是如何聯網的卻語焉不詳。今天我們來探討下裝置究竟是如何聯網的。

裝置接入是基於工業乙太網、工業匯流排等工業通訊協議，乙太網、光纖等通用協議，3G/4G/5G、NB-IOT等無線協議將工業現場裝置接入到平臺的邊緣層。

裝置聯網有兩種方式：

第一種方式：直接接入

直接接入網路需要滿足一個要求，即裝置本身具備聯網的能力或者在裝置端加入2G、3G、NB-IOT等通訊模組。具備通訊功能的裝置，可以直接接入網路。

第二種方式：閘道器接入

裝置或終端本身不具有聯網能力，這就需要再本地組網後，再統一透過閘道器再接入網路。如終端透過Zigbee\LORA等無線組網，然後裝置再透過閘道器統一接入到網路上。常用到的本地無線組網技術有Zigbee\lora\Ble\MeoH\sub-1GHZ等等。

二、閘道器

1、什麼是閘道器

閘道器既然如此厲害，那麼什麼是閘道器呢？閘道器（Gateway）又稱網間聯結器、協議轉換器。閘道器在網路層以上實現網路互連，是最複雜的網路互連裝置，僅用於兩個高層協議不同的網路互連。閘道器既可以用於廣域網互連，也可以用於區域網互連。閘道器是一種充當轉換重任的計算機系統或裝置。使用在不同的通訊協議、資料格式或語言，甚至體系結構完全不同的兩種系統之間，閘道器是一個翻譯器。與網橋只是簡單地傳達資訊不同，閘道器對收到的資訊要重新打包，以適應系統的需求。

2、閘道器的功能

簡單地來說，閘道器就是一個處於本地區域網與外部接入網路之間的智慧裝置。閘道器的主要功能是網路隔離、協議轉換和適配、資料內外傳輸，還有一項功能在工業網際網路平臺中很重要，就是邊緣計算，它佔據了50%左右的計算。而邊緣計算大部分是透過閘道器或閘道器伺服器來完成的。具體來說，閘道器主要功能包括：

（1）廣泛的接入能力

（2）網路隔離

（3）協議轉換能力

（4）邊緣計算

3、閘道器工作過程

以ZigBee為例來探討下閘道器。ZigBee 因其低成本、低功耗、組網靈活等眾多優勢，成為工業無線通訊技術中備受關注的技術之一。ZigBee 是一種低速網路，傳輸速度為10KB/S～250KB/S，多樣的互聯方式使得組網方式靈活而穩健。採用ZigBee 協議，應用於工業現場短距離的無線控制、監測、資料傳輸等的乙太網協議轉換，實現遠端監控、遠端資料互動等。

可透過ZigBee 乙太網閘道器直接訪問或修改儀表資料，實現現場儀表的遠端監控、遠端診斷等當閘道器接入GPRS 或因特網後，無論你身處何地都可隨時訪問工業現場儀表資料，實現現場儀表的遠端組態、遠端診斷以及遠端操作等功能，使世界範圍內的不同感測監測網路可以資訊共享。

一個典型的閘道器架構圖：

當閘道器接收到一個正常發往本地IP 的乙太網資料包後，經過協議判斷送往上層UDP（TCP）處理，最後到閘道器的應用程式處理閘道器應用程式經過分析判斷，確定需要轉發給ZigBee 網路中的哪個節點，經過ZigBee 端的ARP 地址解析出對應的ZigBee 中的節點MAC地址，將相應的資料包送至該節點，完成一次資料通訊。同理，當ZigBee 端收到資料包後，透過同樣的解析將資料包送至對應節點或裝置實現ZigBee 節點的實時訪問、修改、組態等。

三、資料傳輸方式

物聯網的傳輸層主要負責傳遞和處理感知層獲取的資訊，分為有線傳輸和無線傳輸兩大類，其中無線傳輸是物聯網的主要應用。無線傳輸技術按傳輸距離可劃分為兩類：一類是以Zigbee、WiFi、藍芽等為代表的短距離傳輸技術，即區域網通訊技術；另一類則是LPWAN（low-power Wide-Area Network，低功耗廣域網），即廣域網通訊技術。LPWAN又可分為兩類：

一類是工作於未授權頻譜的LoRa、Sigfox等技術；

另一類是工作於授權頻譜下，3GPP支援的2G、3G、4G、5G蜂窩通訊技術，比如eMTC、NB-IoT。*區域網傳輸裝置，應用於本地的連線技術，主要有BLE、Zigbee、Z-ware、NFC、Wifi/藍芽等。

*廣域網傳輸裝置，應用於廣域和遠端資料的連線技術，主要有3G/4G/5G、Ethernet、LTE、eMTC、NB-IOT等。

根據傳輸速率的不同，物聯網業務可分為高速率、中速率及低速率業務。其中，高速率業務主要使用3G、4G 及WiFi技術，可應用於影片監控、車載導航等場景；中速率業務主要使用藍芽、eMTC等技術，可應用於智慧家居、儲物櫃等高頻使用場景；低速率業務，即LPWAN（低功耗廣域網），主要使用NB-IoT、LoRa、Sigfox及ZigBee等技術，可應用於智慧停車、遠端抄表等使用頻次低的應用場景。

根據麥肯錫諮詢所調研的資料來看，全球物聯網市場有大約60%以上都屬於低速率業務，這類應用需要具有支援海量連線數、低終端成本、低終端功耗和超強覆蓋等能力。由於自身的發展以及成本等問題，各個企業都在向低成本、低功耗等方向發展。而在低速率領域，中國電信企業如中國移動、中國電信等都主要以發展NB-IoT（窄帶物聯網）為主，而LoRa在中國電信類企業之外也是發展的重點。

四、資料解析方式

感測器和裝置資訊需要透過各種不同的協議實現資料接入的。協議轉換分為兩個方面：

一方面運用協議解析、中介軟體等技術相容ModBus、OPC、CAN、Profibus等各類工業通訊協議和軟體通訊介面，實現數字格式轉換和統一。

另一方面利用HTTP、MQTT等方式從邊緣層將採集的資料傳輸到雲端，實現資料的遠端接入。

在轉換協議中，主要有協議即用於短距離裝置連線的本地協議 Modbus 以及支援物聯網進行遠端全域性通訊的可擴充套件網際網路協議MQTT。

ModBus

ModBus首次出現於 1979 年，是連線行業裝置實際使用的標準協議。是一種純粹的“軟”協議，不依賴於任何通訊介質和通訊裝置。ModBus 的核心是一個序列通訊協議，採用主從模式，藉助 RS-485，主從機之間的通訊發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；讀取先進先出佇列；或執行診斷函式。然後，從機根據收到的功能碼進行響應，該響應較為簡單，由一組位元組指示。因此，從機可以是智慧裝置，也可以是隻有一個感測器的簡單裝置。

MQTT

MQTT 是一個開放的輕量級機器對機器協議，專為物聯網互動設計。MQTT 網路包含一個 MQTT 經紀人 （broker），負責協調 MQTT 代理之間的互動。代理是釋出器，負責釋出供使用者使用的資訊。MQTT支援感測器、裝置和雲之間安全互動。

五、資料接入架構

上圖為資料接入架構圖。裝置或感測器的資訊透過ModBus等協議將資料傳輸到閘道器，再透過MQTT等協議將資料傳輸到雲平臺，在雲平臺上進行資料解析與儲存，再透過雲計算成為管理和決策的重要依據。

六、結語

工業物聯網平臺，資料連線是第一步，是基礎。基於海量工業資料的全面感知，透過端到端的資料深度整合構成網路的邊緣層，再透過建模分析，實現智慧化的決策與控制指令，形成智慧化生產、網路化協同、個性化定製、服務化延伸等新型製造模式。

作者：物聯研究

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