物联网扫盲篇——物联网网关

物联网网关在物联网项目中扮演着怎样的角色？什么情况下的物联网项目里，才需要物联网网关呢？这篇文章里，作者尝试从物联网网关的作用、种类和选择等维度做了拆解分析，一起来看看，或许可以帮你了解物联网网关所真正扮演的“角色”。

在物联网项目中，物联网网关作为一个关键组件经常被提及。那么，物联网网关究竟扮演着怎样的角色？它具备哪些核心功能？同时，我们也注意到，并非所有物联网设备都需要网关。那么，我们究竟在何种情况下需要物联网网关呢？

首先，什么是物联网网关？

物联网网关类似我们常见的路由器，具有网络接入能力，但是功能比较简单，通讯速率要求不高，看重移动网络接入能力一般只是做数据透传使用，将物联网的数据转发到服务器上，做进一步分析和处理网关是物联网非常重要的组件，是传感层与网络层连接的纽带。

一、物联网网关扮演的角色

聊到物联网网关，必须先要了解网关在物联网中的应用和物联网架构。

其实物联网的架构之前也有讲到过，主要由感知层、网络层、平台层、应用层构成。 感知层可以主要由基础芯片、执行器、传感器等组成。

传感器根据根据应用场景，功能非常丰富。如我之前做的项目，主要是环保类的。包含了温湿度，压力，S02浓度、粉尘浓度、流量、O2含量等等，针对不同的项目需求可以配置不同的传感器。

传感器收集的数据通常需要传输到物联网平台以进行深度的大数据分析和可视化展示。在实际操作中，根据项目需求与用户网络环境，数据可以通过4G/5G、WIFI或局域网等多种方式上传至物联网平台。

然而，若每个传感器都配置4G/5G或WIFI功能，成本会相对较高。为了降低成本，在特定项目中，可能会选择有线连接或采用LORA、Zigbee等无线技术来满足区域内传感器的部署需求，并最终将数据传输至平台。

在这一背景下，物联网网关设备发挥着关键作用。以智能家居为例，我们可能会部署烟感、温湿度传感器、人体雷达和门禁报警等多种设备。这些设备可以利用Zigbee等无线传输技术在房屋内部进行数据传输，通过一个Zigbee网关进行集中管理和汇聚。随后，网关再通过WIFI或有线网口与外部网络连接，将收集到的数据传输至物联网平台，以便进行进一步的分析和应用。这种方式不仅降低了成本，还提高了数据传输的效率和可靠性。

二、物联网网关的作用

在一些智能办公，智能园区的项目中，我们可能采用lora或者有线的方式，连接各种有线，无线传感器，再通过物联网网关进行数据的汇聚上传到平台。那么为什么很多物联网项目中又没有网关呢？比如我们要监测一个城市范围内的气象信息，市政水位信息，工地扬尘等。这些监控点位跨度大，覆盖分散，一般直接采用NB-IoT，5G等方式直接回传数据，无线经过网关中转。综上所述，物联网网关的应用主要考虑以下几个方面。1）协议转换和标准化 在物联网生态系统中，众多设备和传感器协同工作，这些设备可能采用不同的通信协议和标准。为了确保这些数据的顺畅流通和统一处理，物联网网关扮演着至关重要的角色。它具备强大的协议转换功能，能够将来自不同设备的数据进行转换，使其能够被统一处理和管理。通过这种方式，物联网网关促进了设备之间的互操作性，为物联网系统的稳定运行提供了有力保障。

2）数据聚合和处理

物联网网关可以收集来自多个设备和传感器的数据，进行聚合和处理。这有助于减少数据传输量，优化网络使用，并在本地对数据进行初步的处理和分析，降低云端处理的负担。

3）本地决策和响应

物联网网关不仅扮演着数据转换与统一处理的关键角色，更具备在本地执行决策的能力。这意味着，物联网网关可以根据实时设备状态和传感器数据，迅速作出相应的措施，而无需等待云端的指令。这种本地决策执行的特性不仅大幅提升了响应速度，还显著降低了对云服务的依赖，增强了系统的可靠性和自主性。在智能家居、工业自动化等场景中，物联网网关的这一功能尤为关键，它确保了系统在各种情况下的快速响应和稳定运行。

4）存储能力

网关中需要存储的信息分为两部分。

网关和设备的配置信息。存储这些信息是为了设备在运行过程中能够快速读取。物联网设备上传的，经了协议转换之后的通用格式的数据。这些数据是临时存储，避免网络故障等原因导致设备数据丢失。

既然涉及到数据的存储与传输，那么不得不提的就是数据安全的问题。物联网网关需要做好以下的数据安全方面的事情：

完善的本地身份认证机制，防止网关设备被恶意修改配置或数据。数据的加密传输能力。支持专用传输通道，例如VPN或者运营商的专网接入。

其他基础能力：网关还需要提供其他的配置管理的基础能力，包括但不限于设备管理、配置管理、在线升级等功能。

以上的这些是网关的传统功能。但是在现在这个”智能“时代，我们越来越看重设备的智能性，因此一个趋势就是越来越强调物联网网关的数据分析处理的能力。这个也就是我们经常听到的”边缘计算“。

我们知道，物联网的一大特性就是海量的接入设备。这就导致海量的数据涌入云平台。一方面这些数据会占用大量的网络带宽，另一方面对云平台的计算能力提出了很大的挑战。

另外，有一些原始数据是比较私密或敏感的，比如家庭摄像头拍摄的影像数据、工业场景中的一些数据。我们不希望这些原始数据被上传到云平台。

因此，目前的物联网中，在逐步尝试将原本在云平台上的计算任务，放到靠近数据原产地的设备上完成。这个过程称为将计算能力下沉到边缘设备，也称为边缘计算。

但是，很大物联网设备由于计算能力、能耗等的限制，是无法承担这些任务的，因此一个最轻量的解决方案就是在物联网网关中完成这些计算任务。

整个边缘计算的实现，还是基于分层的思路。在物联网网关中，完成初步的数据处理，或者需要快速响应的计算任务。云平台则负责大规模数据和复杂计算的任务，以及整体的协调控制。

三、网关的种类及选择

第1种，数据透传网关，简称DTU，仅支持数据透传功能，有一路或两路串口，可以直接应用于大部分的物联网场景，不过数据采集和自动控制都在服务器上实现，对服务器压力较大，适合单一或小型项目，并发量上不去。

第2种，数据采集网关，自带协议库，支持常见工业设备主要应用在工业互联网场景，可以采集PLC，DCS等设备

第3种，边缘计算网关，CPU和内存比较大，使用Linux操作系统，支持二次开发，要求使用者有一定的软件开发能力。

那么我们该如何选择物联网网关呢？

个人的经验：

1）先看功能，看功能是否满足你现有业务应用场景。

目前现在大部分的物联网项目还是数据透传模式，只需要透传功能，那么我们使用普通的DTU就行。如果设备比较多，并发量大，那么我们就需要有数据解析功能的网关，这样服务器只需要存储数据，压力会小很多。如果需要在现场做实时的自动控制，或者实现更高级的功能，那么我们就只能使用边缘计算网关了

2）看价格，现在的网关价格大多在800-2000不等，DTU则更加的便宜。具体对比可以通过某宝或者百度进行筛选对比一下

小结

物联网网关的作用就是设备和云平台之间的桥梁。我们可以把互联网网关放在网络环境（例如WiFi，4G）比较好的环境中。其他的物联网设备则采用LoRa等通信计算连接到物联网网关上，从而间接地实现设备的联网。

物联网网关主要具备四种能力：

协议转换和标准化、数据聚合和处理、本地决策和响应、存储能力。

选取物联网网关主要是先看功能再看价格。

目前的物联网中，在逐步尝试将原本在云平台上的计算任务，放到靠近数据原产地的设备上完成。这个过程称为将计算能力下沉到边缘设备，也称为边缘计算。

边缘计算的能力，对网关提出了新的要求…

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串口服务器——存储型网关和可配置网关介绍及使用方法

前文讲到多主机网关模式与简单协议转换比起来，针对多主机同时发送数据场景，做了单独的数据处理。例如在主机1、2、3发送数据时间较短时，串口服务器将把请求的数据拦截在网络端，数据将会按照先后顺序将指令发送给串口设备，此时串口设备收到数据后将数据返回给主机，并且是哪个主机请求数据就会将数据指定发送给哪个主机，这样就可以避免出现通信异常现象，提高通信的可靠性。

但是主机端的读取还是会受限于串口端通信速率（因为网络端速率远高于串口速率），如此，在多主机同时读取时，虽然不会引起数据冲突，但是在多个主机同时快速读取的时候，仍然会等到串口端排队处理。

前文指路：

《串口服务器——多主机网关介绍及使用方法》

《串口服务器——简单协议转换介绍及使用方法》

存储型网关

本节先给大家介绍一种针对多个主机读取相同相同寄存器或线圈数据时，给到一种高速率解决方案——存储型网关 。存储型网关特别适用于读取固定寄存器内容且适用于多主机高速刷新数据场景。

存储型网关原理上来说，就是在串口服务器内部开辟一块单独的数据暂存区域，将前一个主机读取的内容进行存储，如在指令存储时间内，其余主机再次读取数据，为了减少延迟，串口服务器将在存储区间内将数据直接取出并回复给第二个查询的主机。并且在主机任意查询一次数据后，如串口服务器没有读取其余主机内容（串口总线闲置），将按照读取先后顺序自动轮询历史查询指令。历史查询指令最大可存储50条。

优点在于当主机读取任意指令后，串口服务器会按照轮询时间间隔定时查询历史轮询指令，并将数据一直更新，确保后续查询的指令内容是最新的。当历史存取指令长时间无主机读取，存储时间超过指令存储时间后，会将指令自动清空，避免浪费存储资源。

存储型网关与多主机网关使用方式一致，本处只使用Modbus Pool与Modbus Slave作为展示，PLC/HMI等参照此进行链路连接。

如何配置参数在前面的文章中已经做出讲解，本节不再单独介绍。

使用EBYTE网络配置工具查看当前串口服务器参数情况，IP需要修改为与电脑同一网段，设置串口服务器为TCP服务器模式，记录当前本机IP和本地端口。

打开ModBus Slave软件模拟从机，连接方式使用串口，选择串口服务器的串口号、连接参数（波特率、数据位、校验位、停止位，这里采用默认115200，8N1）

数据返回内容选择从机ID为1，功能码选择03，寄存器地址选择为0，数量为10（稍后读取也为这个参数）。

打开ModBus Pool软件，连接方式选择为ModBus TCP/IP，目标IP设置为串口服务器IP地址，目标端口设置为串口服务器本地端口（192.168.0.113/8887）超时时间可使用默认。

读取参数也选用从机ID为1，功能码选择03，寄存器地址选择为0，数量为10。参照此参数可以连接6个主机，如下图。

可配置网关

存储型网关缺点在于第一次读取指令逻辑还是在于主动向串口端轮询，因此首条查询指令时间会偏长一点，配置型网关 优点在于可以将要查询的指令预先配置给串口服务器，在串口服务器上电后将主动按照指令顺序进行读取，完成后将数据返回内容存储在内部空间中，只要主机在指令存储时间内进行读取，串口服务器将立即将数据进行返回。

配置时，只需将要查询的指令进行配置，无需输入ModBus CRC校验，设备将自动进行校验，在输入框中输入指令后，点击添加即可，此时设备会校验当前输入是否是标准指令，如不满足格式将无法添加，如下图：