物联网技术栈之网关技术

物联网技术栈

和传统企业应用于互联网应用相比，物联网的技术栈更宽泛更复杂。大致可以将物联网归类为以下6组技术栈：

 

1. 物联网网关
2. M2M/IoT通信服务
3. 大数据和过程管理
4. 用户交互
5. 平台和赋能
6. 安全

每组技术栈的纵深都很陡峭，都可以单独作为一个学科来研究和讨论。在这里我们只做关键技术的一个概述，介绍它们与其他概念的一个关系，从而为项目经理、产品经理和解决方案架构师提供不同技术的一个概览，使他们更好地了解什么时候使用(不使用)这些技术(取决于具体项目的情况)。

 

本篇文章主要介绍物联网网关相关技术。

 

物联网网关

一. 概念

在物联网解决方案中，网关是一个至关重要的技术节点。可以把网关想想成一个特殊的计算机，通常部署在一个资产上或者靠近一个资产。网关提供了与不同设备、互联网或企业网络的互联。

 

另外网关通常会运行本地逻辑，包括简单的路由逻辑和复杂的数据收集和过滤，甚至非常复杂的自动化、分析和规则引擎逻辑，这取决于具体的解决方案。

 

使用一个以物联网网关为中心的架构有很多优点：

 

• 通过利用网关完成协议映射和本地互联，可以更容易集成多个异构设备。
• 网关支持更丰富的应用。
• 执行本地业务逻辑支持实时操作，有助于减少响应时间。
• 网关有助于实现一定程度的自治性，确保稳定性和容错性(例如在外部网络受限的情况下，设备间局域网可以支持设备的可用性)。
• 本地数据分析和过滤有助于减少网络流量。
• 网关可以部署本地安全方案，提高整个解决方案的安全性。
• 网关功能与硬件本身的逻辑和云上逻辑解耦，有利于方案的可扩展性。

 

这个概念主要围绕资产硬件端展开，但是由于这是一个非常宽泛的领域，少有广泛接受的标准，还是结合物联网资产架构从常见的应用场景出发分析，推理出几种常见的网关模型。

 

二. 物联网网关模型

物联网电器

支持IP的智能自包含电器，如智能冰箱、智能空气净化器、智能电动工具等。这种物联网电器可以直接集成到任何IP网络中，通常不依赖特定的外部网关。

 

 

智能手机和可穿戴设备

通过一个移动运营商网络提供互联的智能手机或可穿戴设备(在这里，资产可以抽象成一个人，这也是对物联网领域建模中的一个关键点，后期分析物联网领域模型时再详细分析)，还可以提供本地处理能力和与附近可穿戴设备网络的无线互联。

 

 

工业与家用网关及传感器网络

这些网关提供与后端无线或者固定线路互联。它们还可能提供本地集成逻辑(如绑定适配器)以及与本地设备的无线或有线互联。本地设备可以是家用电器(智能家居网关)或传感器(传感器网络)

 

 

雾计算

雾计算是思科发明的技术，这是对基于网关概念的一个扩展，在这里网关增加了大量本地存储和计算功能。(关于雾计算和边缘计算的概念请参考另一篇文章《彻底理解雾计算和边缘计算》)

 

 

边缘计算

相比于雾计算，边缘计算进一步推进了雾计算中“局域网处理能力”的理念，也就是说资产硬件更近一些。边缘计算将边缘网关或设备的智能、处理能力和通信操作直接驱动到设备本身，如PACs(可编程自动化控制器)。

 

 

当前使用的IoT网关有很多不同的类型，但是都有几个共同的特性，如有线/无线互联、计算和存储、后端互联等。

 

 

下图摘自国外Wyconn公司总结的IoT网关类型矩阵。

这个矩阵感觉总结的很好，老任吐血把他翻译成了中文

 

下面我们对物联网网关的几个关键共通特性逐个进行分析。

 

三. 物联网网关特性

1. 计算和存储

硬件
每一代芯片都越来越小，但功能却越来越强大，成本越来越低。智能手机就不用说，现在仅用最低成本就能得到功能极其强大的单片机，如树莓派(Raspberry Pi)。(但如果批量商用化的产品，还是比较贵，一般使用更廉价的单片机进行定制开发后量产)。

物联网网关硬件架构划分为两大CPU架构：基于ARM的CPU，用于中低端网关；基于x86的CPU，用于中高端网关。

软件
现在越来越多的传导嵌入式系统都被更高层系统所取代，如基于Linux的平台，上面提到的树莓派就可以轻松刷入各种高级操作系统。这是因为人们需要功能更丰富的解决方案，这就需要更丰富的底层操作系统功能(如通信、进程管理等)。下图总结了比较常用的网关层使用的底层操作系统。

肯定很多人会联想到华为的鸿蒙操作系统，那他属于哪个类型呢？简单来说，鸿蒙属于微内核架构，但可以像拼积木一样按需扩展成不同类型的操作系统，适用于几乎所有物联网场景。后面有时间我们再详细聊一聊它的架构体系。

 

2. 本地局域互联

很多网关都有这个关键特性，支持与设备或传感器节点的本地无线互联，标准和技术繁杂多样。一般使用短距离无线通信技术实现。对于这个特性，关键因素有：距离/范围，带宽和延迟，电力消耗及成本。

 

• NFC/RFID：低功耗，但距离非常短。用于支付，物流仓储等场景。
• 超宽带(UWB) ：系统复杂度低，发射信号功率谱密度低，对信道衰落不敏感，截获能力低，定位精度高，尤其适用于室内等密集多径场所的高速无线接入。
• Wi-Fi：得到广泛采用，数据传输速率高，不过也存在高功耗和基础设施需求相对复杂等问题。
• 蓝牙(Bluetooth) ：这个技术可能有最大的生态系统(智能手机，平板电脑等)。特点是低功耗、大范围、适中的数据速率
• Zigbee：强调低功耗，面向智能仪表、家居自动化、传感器网络、远程控制单元等，对电池供电的设备尤其有用。

 

下图是常用短距离无线通信技术特性比较:

 

3. 互联广域网络

为了让网关与远距离外的远程后端集成，网关通常必须依赖注入卫星通信、运营商网络(2G、3G、4G、5G)、低功耗广域网(LPWA)、固定线路、电力线通信等技术。这部分属于IoT通信服务的技术栈范畴，后续文章会详细分析。下图是常用互联广域网络技术特性比较。

所有通信技术会根据能耗、成本、覆盖范围等因素形成了一个雷达区域。

 

 

四. 总结

物联网网关是设备端的大脑，它根据应用场景可大致分为：物联网电器、可穿戴设备、工业及家用网关、雾计算、边缘计算 几种类型。即使不同类型网关都有几种共通特性：计算、存储、本地局域网、互联广域网。可根据项目的特定需求进行选型和设计。

 

 

 

 

 

 

版权声明: 本文为 InfoQ 作者【老任物联网杂谈】的原创文章。