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摘要：工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是工業(yè)領(lǐng)域的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，是新一代信息技術(shù)的重要組成部分。在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)中，感知層網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)之間需要一個(gè)網(wǎng)關(guān)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與傳感層網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)旨在解決當(dāng)前感知層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的橫向不關(guān)聯(lián)，無法聯(lián)動(dòng)控制和統(tǒng)一管理的問題。網(wǎng)關(guān)以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)為載體進(jìn)行信息交換，把分散在各種工業(yè)現(xiàn)場的感知網(wǎng)絡(luò)設(shè)備信息進(jìn)行采集、存儲(chǔ)、分析、管理。本文研究了一種工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)方案。該方案設(shè)計(jì)基于ARM9平臺(tái)，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(wǎng)通訊協(xié)議及互聯(lián)網(wǎng)通訊協(xié)議，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)感知層與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層之間的無縫對接。

關(guān)鍵詞：工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)；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(wǎng)是工業(yè)領(lǐng)域的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，是將工業(yè)領(lǐng)域的感知設(shè)備、控制終端設(shè)備、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備以全球移動(dòng)通信技術(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行互聯(lián)互通。隨著新興技術(shù)在傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，當(dāng)前融合了云平臺(tái)、邊緣計(jì)算、大數(shù)據(jù)分析和人工智能等技術(shù)的新型工業(yè)生產(chǎn)模式，正促使工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)向數(shù)字化、智能化快速轉(zhuǎn)變。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)作為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)到工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的全面轉(zhuǎn)換。

圖1 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用體系架構(gòu)

本文設(shè)計(jì)了一款基于ARM平臺(tái)，Linux操作系統(tǒng)的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品。本方案中，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)下行通信接口采用模塊化設(shè)計(jì)，靈活連接各種短距離通信接口的感知層節(jié)點(diǎn)，實(shí)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(wǎng)絡(luò)或WIFI/GSM方式接入工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)對物理環(huán)境測量數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸和控制。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)主要完成感知層節(jié)點(diǎn)的屬性管理、網(wǎng)絡(luò)組建、遠(yuǎn)程操作和遠(yuǎn)程診斷，并且對感知層節(jié)點(diǎn)采集協(xié)議進(jìn)行兼容，將感知層節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一封包、存儲(chǔ)、分析、上傳。

硬件設(shè)計(jì)上：對短距離無線通訊設(shè)備采用模塊化設(shè)計(jì)，支持ZigBee、Bluetooth?、LoRa、IrDA。板載支持?jǐn)?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(wǎng)絡(luò)通信接口。軟件設(shè)計(jì)上：支持感知層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備信息采集、多映射存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)分析、異常報(bào)警控制等，對感知節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理，數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一封裝，與應(yīng)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(dāng)前云計(jì)算平臺(tái)技術(shù)的發(fā)展，集成HTTP、websocket、XMPP、COAP、MQTT等云通訊協(xié)議，實(shí)現(xiàn)與云端的互聯(lián)互通。

2　工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的硬件設(shè)計(jì)

本方案采用Cortex-A9四核imx6quad處理器芯片，設(shè)計(jì)通用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)，采用雙層結(jié)構(gòu)，包括底板和擴(kuò)展板。底板設(shè)計(jì)包括：CPU模塊、電源模塊、存儲(chǔ)模塊、看門狗模塊、I/O接口模塊、外部接口模塊等；擴(kuò)展板設(shè)計(jì)包括：無線HART擴(kuò)展板、ZigBee擴(kuò)展板、LoRa擴(kuò)展板、IrDA擴(kuò)展板、Bluetooth?擴(kuò)展板等。如圖2所示：

圖2 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)硬件模塊框圖

各個(gè)功能模塊相互配合，完成儀表的整體功能。各個(gè)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(shè)計(jì)，提升了輸出短路保護(hù)、容性負(fù)載能力、空載功耗、輕載效率和軟啟動(dòng)等性能，為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)提供安全、可靠的電源驅(qū)動(dòng)，同時(shí)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(gòu)，單個(gè)核心主頻均可達(dá)1GHz，擁有1MB二級緩存的，具備豐富的外設(shè)資源，滿足產(chǎn)品后續(xù)的升級需要。

2.3　存儲(chǔ)器模塊

鐵電存儲(chǔ)器（FRAM）產(chǎn)品將ROM的非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)特性和RAM的無限次、高速讀寫以及低功耗等優(yōu)勢結(jié)合在一起，兼具了RAM和ROM優(yōu)點(diǎn)。設(shè)計(jì)采用鐵電存儲(chǔ)器，用于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的系統(tǒng)參數(shù)、網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、感知層設(shè)備表參數(shù)、協(xié)議轉(zhuǎn)換參數(shù)、數(shù)據(jù)映射參數(shù)、運(yùn)行過程數(shù)據(jù)、運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)等。

2.4　看門狗模塊

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)硬件看門狗，確保網(wǎng)關(guān)在強(qiáng)干擾、高輻射、極限溫度等極端情況下出現(xiàn)異常死機(jī)時(shí)，能夠完成設(shè)備重啟，自動(dòng)恢復(fù)正常。

2.5　 I/O接口模塊

集成I/O電路，按照I/O點(diǎn)數(shù)和電路類型進(jìn)行劃分，包括DIO、AIO、PIO等，采用電磁隔離、端口保護(hù)、防雷、防止浪涌保護(hù)、抗EMC保護(hù)設(shè)計(jì)。

2.6　外部接口模塊

設(shè)計(jì)為外部連接，包括上行通信接口（以太網(wǎng)、802.11、GSM）、下行通信接口（短距離通信接口）、調(diào)試接口等。下行通信接口設(shè)計(jì)為可插拔模式，根據(jù)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的使用環(huán)境及感知節(jié)點(diǎn)類型，選擇對應(yīng)的模塊。

3　工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)軟件內(nèi)部功能模塊包括感知層設(shè)備管理、感知層數(shù)據(jù)管理、網(wǎng)關(guān)管理、網(wǎng)絡(luò)管理、協(xié)議轉(zhuǎn)換、安全傳輸?shù)裙δ堋?br/>

3.1　感知層設(shè)備管理

在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)中建立感知層設(shè)備表，通過網(wǎng)絡(luò)接口實(shí)現(xiàn)對感知層設(shè)備的遠(yuǎn)程通訊控制，實(shí)現(xiàn)對感知層設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)在線診斷、配置、調(diào)試和升級。

圖3 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)

3.2　感知層數(shù)據(jù)管理

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)對感知層數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析、存儲(chǔ)和傳輸。在對感知層設(shè)備表中的設(shè)備進(jìn)行采集時(shí)，監(jiān)測設(shè)備報(bào)警狀態(tài)、上線時(shí)間、掉線時(shí)間、持續(xù)運(yùn)行時(shí)間；分析采集數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)多層級報(bào)警、異常聯(lián)動(dòng)控制；采用多索引映射技術(shù)對各種感知層數(shù)據(jù)進(jìn)行分類存儲(chǔ)；傳輸數(shù)據(jù)包括實(shí)時(shí)報(bào)警狀態(tài)數(shù)據(jù)，主動(dòng)上傳應(yīng)用層網(wǎng)絡(luò)。應(yīng)用層網(wǎng)絡(luò)也可以通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議訪問工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)表。

3.3　網(wǎng)關(guān)管理

對工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)采用客戶端軟件進(jìn)行配置，采用權(quán)限認(rèn)證機(jī)制訪問網(wǎng)關(guān)，非授權(quán)用戶不得訪問；在網(wǎng)關(guān)中設(shè)計(jì)用戶權(quán)限管理機(jī)制，分為管理員（最高權(quán)限）、一級用戶（安裝調(diào)試人員）、二級用戶（只讀）三個(gè)層級進(jìn)行管理；網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)參數(shù)、網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、感知層設(shè)備表參數(shù)、協(xié)議轉(zhuǎn)換參數(shù)、數(shù)據(jù)映射參數(shù)進(jìn)行分類存儲(chǔ)；通過客戶端可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)遠(yuǎn)程固件更新。

3.4　網(wǎng)絡(luò)管理

通過FTP、SSH/TELNET、Webserver和SNMP等方式對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行配置、測試、分析、監(jiān)視、評價(jià)、控制。

3.5　協(xié)議轉(zhuǎn)換

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)中集成通用的短距離通信協(xié)議，能覆蓋大部分工業(yè)領(lǐng)域的感知層設(shè)備，為感知網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)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(jù)幀，通過上行通信接口上傳至應(yīng)用服務(wù)器端；應(yīng)用服務(wù)器端數(shù)據(jù)，通過通用的工控協(xié)議、互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議將數(shù)據(jù)下發(fā)給工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)通過協(xié)議解析，將數(shù)據(jù)幀拆解并重新組合成感知層網(wǎng)絡(luò)能識(shí)別的數(shù)據(jù)幀，通過下行通信接口進(jìn)行下發(fā)。

圖4 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)協(xié)議設(shè)計(jì)

3.6　安全傳輸

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)基于TCP/IP協(xié)議通信技術(shù)通信，網(wǎng)絡(luò)安全對整個(gè)系統(tǒng)的安全起著至關(guān)重要的作用。為保證網(wǎng)絡(luò)通信安全傳輸，設(shè)計(jì)采用openssl和iptable保證通信安全。

4　結(jié)語

本文提供了一種感知層設(shè)備接入工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的解決方案。文中設(shè)計(jì)的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)領(lǐng)域的感知
層設(shè)備協(xié)議兼容、實(shí)現(xiàn)了物理環(huán)境的監(jiān)測和控制。為應(yīng)用層屏蔽感知層網(wǎng)絡(luò)差異提供了一種新的解決方案。AP

參考文獻(xiàn)：

[1] YD/T 3253-2017. 無線傳感器網(wǎng)與電信網(wǎng)結(jié)合的網(wǎng)關(guān)設(shè)備技術(shù)要求[S].

[2] 趙小鳳. 基于嵌入式系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)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(shù)有限責(zé)任公司，研究方向是電氣工程自動(dòng)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(shù)有限責(zé)任公司，研究方向是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在油氣領(lǐng)域的應(yīng)用。

閔利昆（1981-），男，河北保定人，學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)就職于北京中油瑞飛信息技術(shù)有限責(zé)任公司，研究方向是電氣工程自動(dòng)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(shù)有限責(zé)任公司，研究方向是電氣工程自動(dòng)化。

摘自《自動(dòng)化博覽》2020年1月刊