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摘要：工業(yè)物聯(lián)網是工業(yè)領域的物聯(lián)網技術，是新一代信息技術的重要組成部分。在工業(yè)物聯(lián)網體系架構中，感知層網絡和工業(yè)互聯(lián)網之間需要一個網關設備，實現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網與傳感層網絡的互聯(lián)互通。工業(yè)物聯(lián)網網關旨在解決當前感知層網絡設備的橫向不關聯(lián)，無法聯(lián)動控制和統(tǒng)一管理的問題。網關以工業(yè)互聯(lián)網為載體進行信息交換，把分散在各種工業(yè)現(xiàn)場的感知網絡設備信息進行采集、存儲、分析、管理。本文研究了一種工業(yè)物聯(lián)網網關設計及實現(xiàn)方案。該方案設計基于ARM9平臺，采用Linux操作系統(tǒng)，集成多種通用工控通訊協(xié)議、物聯(lián)網通訊協(xié)議及互聯(lián)網通訊協(xié)議，實現(xiàn)物聯(lián)網感知層與工業(yè)互聯(lián)網應用層之間的無縫對接。

關鍵詞：工業(yè)物聯(lián)網網關；安全傳輸；工控協(xié)議；近距離無線通信

Abstract: Industrial Internet of Things (IOT) is the technology of the Internet of Things (IOT) in the industrial field. It is an important part of the new generation of information technology. In the industrial Internet of Things (IOT) architecture, a gateway device is needed between the perception layer network and the industrial Internet to realize the interconnection between the industrial Internet and the sensor layer network. Industrial Internet of Things (IOT) gateway aims to solve the problems of current perception layer network devices that are not connected horizontally and cannot be controlled and managed in a unified way. The gateway takes the industrial Internet as the carrier for information exchange, and collects, stores, analyses and manages the information of the perceptual network equipment scattered in various industrial sites. This paper studies the design and implementation of an industrial Internet of Things gateway. The scheme is based on ARM9 platform, using Linux operating system, integrating general industrial control protocol, Internet of Things protocol and Internet protocol, and realizing seamless docking between the perception layer of Internet of Things and the application layer of Internet of Industry.

Key words: Industrial Internet of Things Gateway; Secure transmission; Industrial control protocol; Short distance wireless communication

1　引言

工業(yè)物聯(lián)網是工業(yè)領域的物聯(lián)網技術，是將工業(yè)領域的感知設備、控制終端設備、工業(yè)網絡設備以全球移動通信技術為基礎進行互聯(lián)互通。隨著新興技術在傳統(tǒng)工業(yè)領域的應用，當前融合了云平臺、邊緣計算、大數(shù)據分析和人工智能等技術的新型工業(yè)生產模式，正促使工業(yè)物聯(lián)網向數(shù)字化、智能化快速轉變。工業(yè)物聯(lián)網網關作為工業(yè)物聯(lián)網的重要組成部分，實現(xiàn)了工業(yè)物聯(lián)網到工業(yè)互聯(lián)網的全面轉換。

圖1 工業(yè)物聯(lián)網應用體系架構

本文設計了一款基于ARM平臺，Linux操作系統(tǒng)的工業(yè)物聯(lián)網網關產品。本方案中，工業(yè)物聯(lián)網網關下行通信接口采用模塊化設計，靈活連接各種短距離通信接口的感知層節(jié)點，實現(xiàn)對物理環(huán)境的測量和控制；上行通信接口采用有線網絡或WIFI/GSM方式接入工業(yè)互聯(lián)網，實現(xiàn)對物理環(huán)境測量數(shù)據的遠程傳輸和控制。工業(yè)物聯(lián)網網關主要完成感知層節(jié)點的屬性管理、網絡組建、遠程操作和遠程診斷，并且對感知層節(jié)點采集協(xié)議進行兼容，將感知層節(jié)點數(shù)據進行統(tǒng)一封包、存儲、分析、上傳。

硬件設計上：對短距離無線通訊設備采用模塊化設計，支持ZigBee、Bluetooth?、LoRa、IrDA。板載支持數(shù)字量輸入/輸出、模擬量輸入/輸出、脈沖量輸入/輸出、RS232、RS485/RS422、USB及網絡通信接口。軟件設計上：支持感知層網絡設備信息采集、多映射存儲、數(shù)據分析、異常報警控制等，對感知節(jié)點數(shù)據進行統(tǒng)一管理，數(shù)據進行統(tǒng)一封裝，與應用層之間支持傳統(tǒng)的工控協(xié)議IEC101/104、DNP3.0、OPC、ModbusTCP/RTU等，為了迎合當前云計算平臺技術的發(fā)展，集成HTTP、websocket、XMPP、COAP、MQTT等云通訊協(xié)議，實現(xiàn)與云端的互聯(lián)互通。

2　工業(yè)物聯(lián)網網關的硬件設計

本方案采用Cortex-A9四核imx6quad處理器芯片，設計通用工業(yè)互聯(lián)網網關設計，采用雙層結構，包括底板和擴展板。底板設計包括：CPU模塊、電源模塊、存儲模塊、看門狗模塊、I/O接口模塊、外部接口模塊等；擴展板設計包括：無線HART擴展板、ZigBee擴展板、LoRa擴展板、IrDA擴展板、Bluetooth?擴展板等。如圖2所示：

圖2 工業(yè)物聯(lián)網網關硬件模塊框圖

各個功能模塊相互配合，完成儀表的整體功能。各個模塊的主要作用如表1所示。

表1 功能模塊描述

2.1　電源模塊

采用隔離性模塊化電源電路設計，提升了輸出短路保護、容性負載能力、空載功耗、輕載效率和軟啟動等性能，為工業(yè)物聯(lián)網網關提供安全、可靠的電源驅動，同時為I/O接口電路提供電源。

2.2　CPU模塊

采用imx6quad工業(yè)級芯片作為核心處理器，該芯片為四核ARM Cortex-A9架構，單個核心主頻均可達1GHz，擁有1MB二級緩存的，具備豐富的外設資源，滿足產品后續(xù)的升級需要。

2.3　存儲器模塊

鐵電存儲器（FRAM）產品將ROM的非易失性數(shù)據存儲特性和RAM的無限次、高速讀寫以及低功耗等優(yōu)勢結合在一起，兼具了RAM和ROM優(yōu)點。設計采用鐵電存儲器，用于工業(yè)物聯(lián)網網關的系統(tǒng)參數(shù)、網絡參數(shù)、感知層設備表參數(shù)、協(xié)議轉換參數(shù)、數(shù)據映射參數(shù)、運行過程數(shù)據、運行歷史數(shù)據等。

2.4　看門狗模塊

工業(yè)物聯(lián)網網關設計硬件看門狗，確保網關在強干擾、高輻射、極限溫度等極端情況下出現(xiàn)異常死機時，能夠完成設備重啟，自動恢復正常。

2.5　 I/O接口模塊

集成I/O電路，按照I/O點數(shù)和電路類型進行劃分，包括DIO、AIO、PIO等，采用電磁隔離、端口保護、防雷、防止浪涌保護、抗EMC保護設計。

2.6　外部接口模塊

設計為外部連接，包括上行通信接口（以太網、802.11、GSM）、下行通信接口（短距離通信接口）、調試接口等。下行通信接口設計為可插拔模式，根據工業(yè)物聯(lián)網網關的使用環(huán)境及感知節(jié)點類型，選擇對應的模塊。

3　工業(yè)物聯(lián)網網關軟件設計

工業(yè)物聯(lián)網網關軟件內部功能模塊包括感知層設備管理、感知層數(shù)據管理、網關管理、網絡管理、協(xié)議轉換、安全傳輸?shù)裙δ堋?br/>

3.1　感知層設備管理

在工業(yè)物聯(lián)網網關中建立感知層設備表，通過網絡接口實現(xiàn)對感知層設備的遠程通訊控制，實現(xiàn)對感知層設備進行實時在線診斷、配置、調試和升級。

圖3 工業(yè)物聯(lián)網網關軟件設計

3.2　感知層數(shù)據管理

工業(yè)物聯(lián)網網關對感知層數(shù)據進行采集、分析、存儲和傳輸。在對感知層設備表中的設備進行采集時，監(jiān)測設備報警狀態(tài)、上線時間、掉線時間、持續(xù)運行時間；分析采集數(shù)據，實現(xiàn)多層級報警、異常聯(lián)動控制；采用多索引映射技術對各種感知層數(shù)據進行分類存儲；傳輸數(shù)據包括實時報警狀態(tài)數(shù)據，主動上傳應用層網絡。應用層網絡也可以通過網絡協(xié)議訪問工業(yè)物聯(lián)網網關數(shù)據存儲表。

3.3　網關管理

對工業(yè)物聯(lián)網網關采用客戶端軟件進行配置，采用權限認證機制訪問網關，非授權用戶不得訪問；在網關中設計用戶權限管理機制，分為管理員（最高權限）、一級用戶（安裝調試人員）、二級用戶（只讀）三個層級進行管理；網關系統(tǒng)參數(shù)、網絡參數(shù)、感知層設備表參數(shù)、協(xié)議轉換參數(shù)、數(shù)據映射參數(shù)進行分類存儲；通過客戶端可實現(xiàn)網關遠程固件更新。

3.4　網絡管理

通過FTP、SSH/TELNET、Webserver和SNMP等方式對設備運行狀態(tài)和網絡資源進行配置、測試、分析、監(jiān)視、評價、控制。

3.5　協(xié)議轉換

工業(yè)物聯(lián)網網關中集成通用的短距離通信協(xié)議，能覆蓋大部分工業(yè)領域的感知層設備，為感知網絡節(jié)點數(shù)據提供統(tǒng)一的封裝，保證不同的協(xié)議能夠抽象成統(tǒng)一的數(shù)據幀，通過上行通信接口上傳至應用服務器端；應用服務器端數(shù)據，通過通用的工控協(xié)議、互聯(lián)網協(xié)議將數(shù)據下發(fā)給工業(yè)物聯(lián)網網關，網關通過協(xié)議解析，將數(shù)據幀拆解并重新組合成感知層網絡能識別的數(shù)據幀，通過下行通信接口進行下發(fā)。

圖4 工業(yè)物聯(lián)網網關協(xié)議設計

3.6　安全傳輸

工業(yè)物聯(lián)網網關基于TCP/IP協(xié)議通信技術通信，網絡安全對整個系統(tǒng)的安全起著至關重要的作用。為保證網絡通信安全傳輸，設計采用openssl和iptable保證通信安全。

4　結語

本文提供了一種感知層設備接入工業(yè)互聯(lián)網的解決方案。文中設計的工業(yè)物聯(lián)網網關，實現(xiàn)了工業(yè)領域的感知
層設備協(xié)議兼容、實現(xiàn)了物理環(huán)境的監(jiān)測和控制。為應用層屏蔽感知層網絡差異提供了一種新的解決方案。AP

參考文獻：

[1] YD/T 3253-2017. 無線傳感器網與電信網結合的網關設備技術要求[S].

[2] 趙小鳳. 基于嵌入式系統(tǒng)的物聯(lián)網網關的設計分析[J]. 信息系統(tǒng)工程. 2018, (01).

作者簡介：

唐　杰（1988-），男，河南南陽人，本科，現(xiàn)就職于北京中油瑞飛信息技術有限責任公司，研究方向是電氣工程自動化。

馬　亮（1972-），男，甘肅禮縣人，高級工程師，現(xiàn)就職于北京中油瑞飛信息技術有限責任公司，研究方向是物聯(lián)網技術在油氣領域的應用。

閔利昆（1981-），男，河北保定人，學士學位，現(xiàn)就職于北京中油瑞飛信息技術有限責任公司，研究方向是電氣工程自動化。

梁　瀟（1990-），男，河北涿州人，研究生，現(xiàn)就職于北京中油瑞飛信息技術有限責任公司，研究方向是電氣工程自動化。

摘自《自動化博覽》2020年1月刊