物联网网关的发展现状与转变

在早期物联网体系结构中，物联网网关是至关重要的一部分，但随着边缘计算和其他技术的发展，催生了不少新的技术，这些新的技术很有可能会将网关淘汰出局。

物联网网关仍然重要吗?

多年来，物联网网关一直是消费级物联网体系和企业级物联网体系结构的基本要素，也可以说是最基本的体系结构组件之一，可以充当不同网络之间的桥梁，让物联网设备生成的数据能够传输到云端。

但是，随着不同行业的物联网应用的发展，特别是在过去的三、四年里，架构需求也发生了变化。随着企业大规模应用物联网，有关物联网网关的定义，以及设备在更广泛的物联网体系结构中所扮演的角色，已经变得模糊不清。

物联网网关最基本的功能是将局域网内的传感器或其他设备与广域网上的设备进行交互，并将数据汇聚起来传送出去。尽管目前仍有网关设备在某些体系结构中扮演桥梁这一角色，但在对边缘计算能力的需求、日益增长的安全担忧、不断变化的物联网客户需求以及IT和OT世界正在融合的总体认同等各种因素的综合作用下，已经引发了一种超越以网关为中心的物联网体系结构的演变。

总的来说，2015年或2016年的物联网网关和今天的物联网网关是一样的。它依旧提供了一种从一个地方到达另一个地方的途径。所不同的是，在2015年，你所拥有的只是物联网网关，而在2019年，你还有许多其他设备可以驱动物联网体系，并不是非物联网网关不可。

传统上，物联网网关拥有与PC类似的电源、内存存储和功能，但在坚固的外壳中，它们可以是桥接元素，可以在工厂或工业环境中连接OT设备、从OT设置中的机械、控件或其他元素获取数据，并将其输送到存在技术标准的IT世界或数据中心或云中，以完成在OT设置中无法运作的物联网报告和分析。

一些物联网网关在今天仍然做着重复的事情，它们最有可能出现在企业使用托管云或数据中心服务来分析和存储其物联网设备生成的数据的物联网架构。对于这些服务的供应商来说，传统的物联网网关仍然很重要。

然而，一些企业正在使用物联网设备来解决靠近网络边缘的问题。可以把这看作是一种设备进化，网关正在变成路由器，路由器正在变成边缘计算资源。

最初的系统专注于通过自己的硬件处理器运行简单的脚本和二进制文件，现在已经发展到包括基于容器的网络功能，允许它们与托管云进行交互，并且基本上将机器学习算法推向了边缘，以支持本地决策。

这种演变在很大程度上与物联网架构近年来的发展有很大关系，从孤立的概念证明到跨越局域网和广域网中更多的数据生成端点。这些应用可以从更多的边缘计算处理能力中获益，而且不需要将每一点(或字节)数据发送到一个遥远的数据中心或云。

越来越多的企业客户已经认识到，曾经独立的OT和IT环境已经可以进行通信是应用程序发展的核心。例如，传统上，工业过程自动化和控制应用使用PLC控制器。随着越来越多的物联网传感器应用于工业，物联网网关已经被用来收集和转发这些站点的数据，但仍与传统的OT体系结构相互独立。当时有一项明确的规定，即IT世界和OT世界不应该相互交互。现今，由于有了新的分析和软件功能，经过许多不同的行业领域的验证，大家已经明确意识到：只有在某种程度上将OT世界的IT世界融合在一起，才能发挥协同作用并提高效率。

同时，融合OT世界的IT世界，意味着更少的数据在客户终端和云端来回往返，以及更迅速的决策力，从而大幅度降低带宽成本。鉴于云或其他组织资源的距离不再是问题，对数据进行分析决策甚至可能是自动完成的。以前，跨国企业必须明确不违反关于不同国家之间数据传输的国际条例，现可以更轻易地利用更多的边缘处理和分析能力来管理不同国家/地区之间的数据传输。

这一转变的结果是，物联网网关失去了其在物联网体系结构中的地位，被新型的平台：边缘路由器或汇聚边缘系统所取代，它们将网络、物联网管理、处理能力和安全性，甚至软件定义的网络结合起来。

超越传统物联网网关之外的一个主要方面是路由器，它不仅包括连接，而且使用SD-WAN来允许动态使用连接路径。比如一辆警车，它有一个双调制解调器路由器，其中一个路由器指向FirstNet，另一个指向在Verizon上，然后可以根据特定的性能特征或其他因素为网络设置特定的应用策略。在边缘路由器上增加这样的高级功能是传统网关需求最终将减少的原因之一。

在任何类型的IT环境中，我们都会意识到，一旦拥有了更多的计算能力和存储空间，就可以开始采取不同的做法。比如，一家企业开始与传统物联网网关的客户合作时，会遇到一些问题，但如果能够缩小采集数据的地点和处理数据的地点之间的距离，这些问题是可以解决的。并且不同于以前，解决这个问题有着一种增值作用。

大多数企业和工业物联网环境中的建筑事务可描述为“混合环境”，在这种环境中，传统物联网网关或其他类型平台的普及程度取决于用例、生成的数据、需要处理和存储的数据以及边缘需要多少智能性和安全性。更先进的网络可以在这条路上走的更远，IT不仅可与OT融合，而且可以重塑OT，实现高度自动化的企业和工业环境的愿景。

与此同时，仍然需要传统的网关来弥补从OT到IT的鸿沟。仅仅在制造业，过去三年里，世界上有多少家工厂(通过物联网部署)实现了联网，有多少家工厂还处于离线状态？这个具体的数字尚不清楚，但小编认为部署了物联网联网的工厂只占总数的一小部分。

随着越来越多的公司部署物联网，一些组织可能会发现物联网网关的转换功能足以满足他们的用例。这也就意味着，某种形式的物联网网关将与我们同行很长一段时间。

浅谈基于无线技术的智慧校园物联网数据网关的探讨

摘要： 智慧校园的显著特征在于对校园内各种类型传感器的感知，其核心部件是智慧校园数据网关，使用无线通信技术进行构建，具有易于布线、易于施工、易于维护等优点。然后使用诸如Zigbee、WIFI、蓝牙等传统无线传输技术，在传输距离、功耗、效率等多方面都表现出明显的缺陷。论文设计并实现了一种基于LoRa技术的智慧校园物联网数据网关，其具有部署简单、低成本、易于维护等显著特点，可在智慧校园解决方案中广泛使用。

关键词： LoRa；数据网关；物联网；智慧校园

0引言

随着电子技术和信息技术的发展与创新，物联网产业与物联网紧密结合并快速发展，其已成为推进全球经济增长的主要支撑点。物联网数据网关设备，作为解决“物联网”的数据传感和数据传输的关键设备，具有广泛的用途。物联网数据网关有效解决了“物联网”发展的数据链路问题，其市场需求必将随着“物联网”的发展而不断大幅度增加，其将为国民经济的各领域的发展起到一定的推进作用。

物联网的发展推进了新型智慧城市以及智慧校园的快速发展，其是“互联网+”的重要功能扩展，其对构建城市以及校园的基础设施、信息化管理与服务起到了关键性的作用。物联网需要将种类繁多、格式各异、不同协议的数据进行分布式采集、存储和处理，而物联网数据网关能够对多类型的数据进行整合和处理，实现数据之间的转换与互联。

智慧校园的显著特征在于对校园内各种类型传感器的感知，例如温度、湿度、PM2.5、烟雾、门禁、漏水、门窗、电压、电流、功率、用电量、用水量等。由于这些传感器在校园内广泛分布，为了避免布线的困难，其与中心服务器的传输一般采用无线方式。利用传统的短距离无线传输技术（例如Zigbee、WIFI、蓝牙等）实现智慧校园的感知具有不可克服的困难，主要表现为：

（1）传输距离有限，不能将数据直接或少量中继跳转传递给中心服务器；

（2）采用传统的自组网技术（例如Zigbee）技术进行远距离传输，由于传输距离远，导致网络内节点数目较多，网络管理复杂，传输效率低下；

（3）功耗普遍较高，在一些只能采用电池供电的特定应用场合，难以实现。

为了解决上述问题，论文设计并实现了一种基于LoRa技术的智慧校园物联网数据网关，其使用LoRa传输方式与传感器进行通信，采集传感器数据，并通过数据网关传递给中心服务器。由于LoRa技术传输距离远，在园内，传感器数据可以直接或仅通过1-2个中继便可传递到中心服务器；由于LoRa技术自身功耗低，可在电池供电的情况下长时间工作（与电池容量和输出频率相关，一般设计为2-3年），所以传感器可以安装在校园内的任何地点。论文设计的数据网关具有部署简单、低成本、易于维护等显著特点，可在智慧校园解决方案中广泛使用。

1 LoRa技术

1.1 简介

LoRa是LPWAN（Low Power Wide Area Net work，低功耗广域网）通信技术中的一种，是美国Semtech公司研发的一种基于扩频技术的超远距离无线传输技术。LoRa技术颠覆了过去通信技术领域中有关远距离与低功耗的传统认知。设计者采用LoRa技术完成数据通信可以兼顾远距离与低功耗的各自优点，并由于LoRa技术传输距离远，其可以大大节省额外的中继开销，使得系统部署简单，传输效率较高。目前，LoRa技术主要在ISM（Industrial Scientific Medical，工业科学医疗）频段运行，主要包括433、868、915MHz等。

LoRa技术将扩频调制技术（Spread Spectrum Modulation，SSFM）和循环冗余码校验技术（Cyclic Redundancy Check，CRC）相结合，实现通信信号的调制解调。相对于频移监控技术（Frequency Shift Keying，FSK），LoRa技术在扩大无线通讯链路覆盖范围的同时，又提高了系统的鲁棒性。所以LoRa技术具有较强的抗干扰性，设计者通过调整扩频因子，以及带宽和编码率，就可以对LoRa网络进行优化。

1.2特点

（1）灵敏度可达-148dBm，发射功率可达22dBm；

（2）传输距离上限可达15km，建筑物密集区可覆盖2km左右的通信范围，空旷地带覆盖范围可达10km；

（3）接收是功耗低至10mA，睡眠电流为200nA，可使用电池供电，长时间工作；

（4）数据传输速率的范围是0.3kbps到50kbps，其可通过速率自适应技术动态调整数据传输速率，以均衡功耗和传输距离；

（5）使用基于信号传输时间的测距技术进行定位，其精度可达5米。

1.3 LoRa网络构成

LoRa网络构成如图1所示，由传感器节点、网关、中心服务器和移动服务组成。传感器节点与网关之间通过LoRa技术进行通信，网关与中心服务器之间可以采用有线通信方式，也可以采用4G/5G等无线通信方式，移动服务通过Internet访问中心服务器。

图1 LoRa网络构成

2 数据网关的硬件实现

2.1 总体结构

数据网关硬件设计的总体结构如图2所示，由LoRa射频电路、微控制器、以太网控制器和以太网接口电路组成。LoRa射频电路主芯片采用Semtech公司的SX1268IMLTRT，用于通过无线方式采集远端的传感器数据；微控制器电路采用ST公司的低功耗微控制器STM32L053R8T6用于处理接收到的传感器数据，并进行分析和存储；以太网电路采用WIZnet公司的W5500，W5500内部集成全硬件TCP/IP协议栈并自带MAC和PHY电路，使用便捷、稳定可靠；以太网接口电路采用HanRun公司的HR91105A，其内部集成网络变压器，并具有很强的EMI表现。

图2 数据网关硬件设计的总体结构

2.2 LoRa射频电路

LoRa射频电路主芯片采用Semtech公司的LoRa收发芯片SX1268，其内部结构图如图3所示。其内部集成了低噪放大器（LNA），在LoRa调制下，接收灵敏度上限可达-148dBm；同时集成了功率放大器（PA），其发射功率上限可达+22dBm。SX1268具有2种调制方式，分别为FSK和LoRa；2种供电方式，分别为低压差现行稳压器（LDO）和DC-DC电压转换器，当其工作在DC-DC方式下，其接收低电流信号可达4.2mA，可以实现实际意义的低功耗。SX1268通过SPI接口与微控制器进行数据交换。

图3 SX1268内部结构图

LoRa射频电路如图4所示，SX1268工作在内部DC-DC供电方式下，由于SX1268为半双工工作方式，所以电路中采用视频模拟开关PE4259进行射频电路的切换。PE4259有2种工作方式，1是单引脚控制，其实现方法是第6脚接电源，如第4脚接高电平，则将RFC切换给RF1；如第4脚接电平，则将RFC切换给RF2。PE4259的第2种工作方式是第6脚给低电平，第4脚给高电平，则将RFC切换给RF1；第6脚给高电平，第4脚给低电平，则将RFC切换给RF2。SX1268的DIO2引脚为多功能引脚，可将其功能配置为收发控制，这样DIO2直接与PE4259的第4脚相连即可。微控制器控制PE4259的第6脚，其功能是天线开关（ATN_SW），当第6脚给高电平，打开天线，此时SX1268可通过DIO2直接控制射频收发；当第6脚给低电平时，关闭天线，以达到降低功耗的目的。

图4 LoRa射频电路

2.3 微控制器电路

微控制器电路用于接收LoRa射频电路采集的传感器数据，并进行分析、存储，并将其转换为专用格式通过以太网电路传递给中心服务器。微控制器电路核心芯片选择ST公司的超低功耗单片机STM32L053R8T6，其有7种低功耗模式，分别为：Sleep mode（睡眠模式）、Low-power run mode（低功耗运行模式）、Low-power sleep mode（低功耗睡眠模式）、Stop mode with RTC（带有RTC的停止模式）、Stop mode without RTC（不带RTC的停止模式）、Standby mode with RTC（带有RTC的旁路模式）、Standby mode without RTC（不带RTC的旁路模式），其具体功耗数值见表1。

表1 STM32L053R8T6低功耗模式电流

STM32L053R8T6的Stop模式分为2种，一种是启动内部RTC（实时时钟）电路，另一种是不启动内部RTC。当芯片运行于Stop模式是，具有唤醒功能的外设，会在条件满足时，启动HISRC时钟，并且任何外部中断都可以在3.5us的时间内唤醒期间，处理器可以进入中断处理程序，进行相应的处理，所以论文所设计的网关微控制器在低功耗时，运行于Stop模式。

微控制器电路如图5所示，主芯片STM32L053R8T6的时钟，由外部晶振CSTCE12M0G55Z-R0提供，其频率为12MHz；电阻R1下拉，用于选择启动模式为内部Flash。为了增强系统的可靠性，对于复位电路除采用阻容复位外，额外焊接外部看门狗复位芯片TPS3823-33DBVR。STM32L053R8T6通过SPI接口与LoRa射频电路和以太网电路通信。

2.4 以太网电路

W5500是一款全硬件TCP/IP嵌入式以太网控制器，内部集成硬件TCP/IP协议栈，10/100M自适应的MAC层和PHY层，可使电路通过单芯片扩展以太网硬件链接。W5500使用SPI接口与微控制器进行通信，支持TCP、UDP、IPv4、ICMP、ARP、IGMP和PPPoE协议，内部集成32字节buffer用于处理和解析以太网数据包。W5500使用Socket进行以太网通讯设计，内部可同时使用8个硬件Socket进行通讯。

以太网电路如图6所示，W5500使用硬件SPI与微控制器进行通信，由CS、SCK、MOSI和MISO4路信号构成，W5500工作于从机模式。电路使用低温漂25M晶振为W5500提供时钟，使用磁珠FBMA-11-201209-601A20T进行数字信号与模拟信号的隔离。W5500使用TXN/TXP和RXN/RXP2路差分信号与以太网接口电路通信。

2.5 以太网接口电路

以太网接口电路如图7所示，其接口采用内部自带网络变压器的RJ46接口HR91105A，TXN/TXP差分对与HR91105A的1脚和2脚相连接，RXN/RXP差分对与HR91105A的3脚和6脚相连接，4脚和5脚为网络变压器的中心抽头，9脚和10脚为绿色指示灯，11脚和12脚为绿色指示灯。

图5 微控制器电路

图6 以太网电路

图7 以太网接口电路

3 系统软件设计

图8 软件总体架构

网关系统的软件设计采用层次化软件设计方法进行设计，其总体架构如图8所示。先在网关硬件上移植Fre-eRTOS操作系统，已实现多任务调度，然后实现SX1268和W5500驱动程序的移植，在此基础上使用Socket通讯库实现TCP/IP通信，使用文件系统完成传感器数据的本地存储。上层是应用程序设计，实现逻辑层与底层硬件的无关性。采用上述层次化软件设计方法进行系统软件设计后，使得系统在软件设计上具有如下特点：

（1）具有较强的可读性：由于逻辑层与驱动程序分层设计，使得系统的软件代码具有较高的可读性。代码可读性提高，不仅有利于多人之间相互交流，也有利于代码的维护，代码可读性强是项目可持续性发展的必要条件。

（2）具有较强的可复用性：由于逻辑层与驱动程序分层设计，在进行项目升级或者其它项目设计时，可以借助原有项目的程序设计代码，使得程序的开发效率大幅度提高。

（3）具有可多人协作性：由于逻辑层与驱动程序分层设计，使得不同的设计人员根据自身的技术特点，仅专注于某一层进行程序设计，这样可以使得程序开发可以多人协作进行。

（4）具有可移植性：由于逻辑层与驱动程序分层设计，则逻辑层与硬件无关，这就意味着逻辑层可以在其它满足逻辑层运行条件的硬件上运行，使得逻辑层可以跨硬件平台移植。

4 系统特点

本文所设计的智慧校园数据网关相对于传统的物联网数据网关，具有如下显著特点：

（1）基于LoRa技术实现传感器数据的采集，通信距离远，网络简单，易于控制；

（2）采用低功耗技术实现数据网关，可采用电池供电方案，亦可在供电电源断电工作较长时间；

（3）采用W5500实现TCP/IP数据收发，实时性强；

（4）软件系统采用层次化软件设计方法，使得软件具备可读性强、可复用、可多人协作和可移植的显著特点。

5 安科瑞网关介绍

5.1通信管理机

5.1.1概述

本系列智能通信管理机是一款采用嵌入式硬件计算机平台，具有多个下行通信接口及一个或者多个上行网络接口，用于将一个目标区域内所有的智能监控/保护装置的通信数据整理汇总后，实时上传主站系统，完成遥信、遥测等能源数据采集功能。

同时，本系列智能通信管理机支持接收上级主站系统下达的命令，并转发给目标区域内的智能系列单元，完成对厂站内各开关设备的分、合闸远方控制或装置的参数整定，实现遥控和遥调功能，以达到远动输出调度命令的目标。

5.1.2产品介绍

名称

型号

图片

功能

通信管理机

ANet-1E1S1

通用网关，1路网口，1路RS485，可选配4G通讯、LORA通讯

ANet-1E2S1

通用网关，1路网口，2路RS485，可选配4G通讯，LORA通讯

ANet-2E4S1

通用网关，2路网口，4路RS485

ANet-2E8S1

通用网关，2路网口，8路RS485

ANet-2E4SM

通用网关，2路网口，4路RS485，可选配LORA通讯，断电告警

5.2数据转换模块

5.2.1概述

AF-GSM是安科瑞电气推出的新型的4G远程无线数据采集设条，采用嵌入式设计。内嵌TCP/IP协议栈，同时采用了功能强大的微处理芯片，配合内置看门狗，性能可靠稳定。

本产品提供标准RS485数据接口，可以方便的连接RTU、PLC、工控机等设备，仅需一次性完成初始化配置。就可以完成对MODBUS设备的数据采集，并且与安科瑞服务器进行通讯。

5.2.2产品介绍

名称

型号

图片

功能

AF-GSM数据转换模块

AF-GSM300

通用版，1路网口，1路LORA，可选转4G、CE通讯

AF-GSM400

通用版，1路网口，1路LORA，可选转4G、CE、NB、2G通讯

AF-GSM500

点阵液晶显示、4G通讯、全网通7模、LORA通讯、断点续传、U盘拷贝、内嵌8G SD卡、事件记录，可选择2路串口或6路串口

5.3无线通讯终端

5.3.1概述

AWT100数据转换模块是安科瑞电气推出的新型数据转换DTU，通讯数据转换包括 2G、4G、NB、LoRa、LoRaWAN，GPS,WiFi,CE,DP 等通讯方式，下行接口提供了标准RS485数据接口，可以方便的连接电力仪表、RTU、PLC、工控机等设备，仅需一次性完成初始化配置，就可以完成对MODBUS设备的数据采集；同时AWT100系列无线通讯终端采用了功能强大的微处理芯片，配合内置看门狗技术，性能可靠稳定。

AWT200数据通讯网关应用于各种终端设备的数据采集与数据分析。实现设备的监测、控制、计算，为系统与设备之间建立通讯纽带，实现双向的数据通讯。实时监测并及时发现异常数据，同时自身根据用户规则进行逻辑判断，大大的节省了人力和通讯成本。

5.4.2产品介绍

名称

型号

图片

功能

AWT100无线通讯终端

AWT100-4G

4G通讯、RS485通讯接口，用于辅助RS485设备无线通讯

AWT100-4GHW

4G通讯、RS485通讯接口，用于辅助RS485设备无线通讯

AWT100-NB

NB-IoT通讯、RS485通讯接口，用于辅助RS485设备无线通讯

AWT100-LoRa

LoRa通讯、RS485通讯接口，用于辅助RS485设备无线通讯

AWT100-LW

LoRaWAN通讯、RS485通讯接口，用于辅助RS485设备无线通讯

AWT100-LW868

海外，下行RS485，上行LoRaWAN无线通讯

AWT100-LW923

海外，下行RS485.上行LoRaWAN无线通讯

AWT100-CE

RS485通讯接口，以太网通讯双向透明传输

AWT100-GPS

RS485通讯接口，GPS定位

AWT100-WiFi

RS485通讯接口，WiFi无线双向透明传输

AWT100-DP

RS485通讯接口，Profibus通讯双向透明传输

AWT200无线通讯终端

AWT200-1E4S

4路串口，不带显示按键

AWT200-1E4S-4G

4路串口，不带显示按键，4G通讯

AWT200-1E4S-4G/K

4路串口，不带显示按键，4G通讯、开关量功能

AWT200-1E4S-4G/LR

4路串口，不带显示按键，4G通讯、LORA通讯

AWT200-1E4SL

4路串口，带显示按键

AWT200-1E4SL-4G

4路串口，带显示按键，4G通讯

AWT200-1E4SL-4G/K

4路串口，带显示按键，4G通讯、开关量功能

AWT200-1E4SL-4G/LR

4路串口，带显示按键，4G通讯、LORA通讯

AWT200-1E8SL

8路串口，带显示按键

AWT200-1E8SL-4G

8路串口，带显示按键，4G通讯

6 结语

论文详细介绍了基于LoRa技术的智慧校园数据网关的硬件实现与软件架构，其具有传输距离远、超低功耗、联网简单、实时性强等显著特点。论文所设计的数据网关已在国内多所高校进行了安装，取得了较好的应用效果。

参考文献：

[1]NIE Zhou.The impact of communication technologies on social structure-take the example of smart city[J].Journal of Shanxi University of Finance and Economics,2016(s2):137-144.

[2]张皓.计算机物联网技术应用及发展研究[J].电子技术与软件工程,2016(22):10.

[3]智能电网用户端电力监控/电能管理/电气安全（产品报价手册）.2023.01版

[4]企业微电网设计与应用手册.2022.05版.

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