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物联网网关设备的工作原理:了解架构

发表于:2019-01-27

为了更好地了解物联网网关设备,我们要求我们的物联网软件开发人员了解物联网网关的技术架构。以下是此次对话的摘录。如果您是物联网软件或硬件开发人员或物联网爱好者,此博客可以作为理解物联网网关的各种软件/硬件模块的良好起点。

物联网网关架构

了解物联网网关架构 - 概述

物联网网关的设计由“自定义应用”驱动[例如 - 车队管理,资产跟踪,工业自动化,联网汽车,信息娱乐等]

作为物联网开发人员,根据应用程序的要求,需要校准以下内容:

  • 物联网传感器系列

  • 电力需求

  • 性能

  • 可扩展性和安全性

物联网网关设备硬件

物联网网关硬件包括处理器/微控制器,物联网传感器,保护电路,连接模块(例如Zigbee,蓝牙,WiFi等)。

硬件类型(处理器/微控制器),处理速度和存储空间根据物联网网关设备的操作系统决定。

最终用户应用程序在物联网硬件的设计中也有很大的发言权。

小型到中型应用可以在微控制器上运行; 但是,如果期望网关执行复杂的操作,则需要处理器。

这将直接影响网关设备的成本。

作为物联网开发合作伙伴或供应商,应始终考虑性能,成本和效率来设计硬件组件。

操作系统

操作系统的选择在很大程度上取决于物联网应用。

如果网关要设计用于简单到中等规模的应用程序,则使用RTOS(实时操作系统); 但是,如果网关必须执行相当复杂的操作,那么Linux是首选

对于需要丰富GUI的Car HUD或信息娱乐系统等应用,Android OS是首选。

HAL(硬件抽象层)

硬件抽象层支持物联网软件的可重用性和可移植性。

该层使软件设计独立于底层硬件平台。因此,它有助于减少将开发的软件应用程序移植到不同硬件平台(从现有平台迁移或重新设计产品线期间)所需的时间和成本。

物联网传感器堆栈

该层基本上由软件堆栈组成,用作与IoT传感器模块的接口。

根据物联网网关必须支持的传感器接口,集成了特定的堆栈。一些流行的集成堆栈是ZigBee,6LoWPAN,EnOcean,BLE,Modbus,PROFIBUS等。

设备管理和配置

物联网网关需要与不同类型的传感器设备连接,每个传感器节点(用于捕获不同的数据)具有不同的属性集。

物联网网关设备需要跟踪所有连接的设备/传感器。

除此之外,所有设备/传感器管理和配置任务都在IoT网关上执行。

因此,物联网网关设备可轻松配置以管理物联网传感器设置,属性和访问控制,这一点非常重要。

所有IoT传感器设备的配置和设置都存储在网关设备内存中。这可确保每次重新启动后最后保存的设置都可用。

安全

在IoT网关设计过程中,网关安全性是物联网网关架构中的关键考虑因素之一。

设计的物联网网关应确保强大的数据安全性,设备安全性和网络安全性。

使用加密认证芯片在网关硬件中实现设备安全性和设备标识。为了增加IoT网关的安全性,实现了硬件篡改。

还实施了安全启动,以确保网关不会从未经授权的固件启动。

网关和云之间的所有消息以及网关传感器节点之间的消息都经过加密,以确保数据完整性和传感器节点的机密性。来自IoT应用程序中每个节点的数据都经过加密,以确保网络安全。

FOTA

确保物联网网关安全需要持续和及时的努力; 作为物联网开发合作伙伴,需要不断修复安全环路孔并保持设备完整性。

固件无线(FOTA)更新使这成为可能!FOTA更新可确保使用最新版本的安全补丁,操作系统,防火墙等更新物联网网关软件。

在物联网网络中,网关设备定期检查云中的固件更新并获取更新。

如果出现故障,IoT Gateway将恢复到最后一个最熟知的状态。在更新过程开始之前,IoT Gateway会检查可用的固件版本是否来自受信任的来源。

数据通信协议

物联网网关通过以太网云,Wi-Fi或4G / 3G调制解调器连接。与云建立双向通信信道,用于数据交换和命令传输。

底层通信层是UDP或TCP IP协议。

为了便于开发和维护标准化,使用了诸如MQTT,CoAP,XMPP,AMQP的协议。这是因为在原始套接字上处理和维护与云的通信是一个更复杂的过程。

考虑到必须与云共享的数据的数量和频率,选择协议。

数据管理

数据管理包括数据流,数据过滤和数据存储(在与云失去连接的情况下)。

物联网网关管理从传感器节点到网关的数据以及从网关到云的数据。

这里的挑战是最小化延迟以确保数据保真度。

云连接管理器

该层负责与云的无缝连接,还可以处理重新连接,设备状态,心跳消息和云端网关设备身份验证等情况。

定制应用

物联网网关应用程序是根据业务需求定制设计的。

网关应用程序与来自所有其他层或模块的服务和功能进行交互,以高效,安全和响应的方式管理传感器节点和网关之间以及从网关到云的数据。

网关数据传输

物联网网关可以连接到互联网,使用以太网,4G / 3G / GPRS调制解调器或Wifi进行数据传输。非GPRS网络是最优选的互联网连接模式。这是由于通过Wifi或以太网进行数据传输的成本效益。

网关应具有内置智能,以分析和决定哪些数据应通过网络传输以进行处理,哪些数据可以缓存以进行离线处理,以节省主应用程序的数据传输成本和处理能力。

在了解了架构后,人们意识到物联网网关设备的设计和开发是一件艺术品!

作为物联网软件和硬件开发人员,了解物联网应用程序的业务需求(和逻辑)非常重要。

对物联网应用的理解是有助于开发双赢物联网网关设计的重要因素

虽然可以使用一些非常流行的现成物联网网关解决方案,但某些定制成为将产品概念转变为商业现实的必要条件!

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