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2024年4月24日发(作者：)
Reliable Transmission
DOI
：
10.16667/.2095-1302.2022.06.014
可配置物联网网关设计与实现
施永贵
（
福建和盛高科技产业有限公司
，
福建 福州 350100
）
物联网网关作为物联网技术的核心组成部件
，
具有承上启下的作用
。
然而各类智能终端设备的数据传
摘 要：
输协议
、
格式都无法保持一致
，
导致每种设备的数据采集都需要开发有针对性的物联网网关程序
，
不仅网关设备难
以复用
，
二次开发难度高
，
还存在随着数据采集需求增长而导致云端负载过大的问题
。
为此
，
文中提出了一种层次
化的物联网网关框架
，
该框架基于分层思想
，
将网关功能分为5个层次
：
感知层
、
数据处理层
、
边缘计算层
、
传输
层和应用层
，
五层框架结合配置客户端即可实现完整网关功能
。
物联网
；
网关
；
层次化
；
可配置
；
数据协议
；
数据采集
关键词：
TP3-05 A 2095-1302
（
2022
）
06-0051-04
中图分类号：文献标识码：文章编号：
0 引 言
网关作为物联网技术的核心组成部件
，
具有承上启下的
作用
，
是用于连接感知层网络与上层公共网络的纽带
，
也被
视为一种协议转换器
。
网关正朝着效率
、
实时性
、
抗干扰能
力逐渐提升的方向发展
，
应用的场景也越来越多
，
在农业
、
工业
、
交通
、
智慧电网等诸多场景都有一席之地
。
应用场景
的增加导致网关种类随之增多
，
如家居智能网关
、
工业数据
网关和交通管控网关等
。
网关的功能是相通的
，
主要用于协
议转换
、
数据交互
、
网络互联互通
，
区别在于各网关的应用
场景不同
。
传统网关的创建方法是把现场设备的数据先收集到网
关节点
，
利用内嵌协议分析转换器将处理完毕的数据通过
MQTT物联网协议传送到客户自定义的云平台
[1-2]
。
存在支
持的数据协议较为单一
、
应用范围较小
、
开放性不足等问题
，
当现场使用的设备和数据协议发生改变时
，
需要重新对网关
程序进行二次开发
，
花费大量的人力物力
。
针对此类问题
，
设计一种支持多种接入协议
、
具备边缘计算特性以提高网关
的通用性
[3]
、
数据采集可配置以减少数据冗余
，
避免浪费传
输带宽的物联网网关就变得十分重要
。
换
，
将数据分析成标准格式后交给边缘计算层处理
[4]
。
图1 物联网网关总体设计框架
边缘计算层作为物联网网关的核心层
，
需要对转换后的
标准格式数据进行边缘计算
，
包括数据运算
、
逻辑判断
、
信
号联动和故障研判
。
边缘计算的内容需要预先设定
，
计算方
法由用户设定
。
传输层用于传输感知层采集的数据
，
使用4G网络
传输
。
应用层是指对采集设备的数据进行本地动态曲线显示
，
网关的本地显示使用微信小程序实现
[5]
。
1.2 硬件架构
物联网网关硬件平台由边缘计算核心板EC Core-L-1和
网关底板和扩展单片机STM32F4007IG组成
，
其连接和软件
架构如图2和图3所示
。
EC Core-L-1板卡构架了双嵌入式
操作系统
：
网络OS系统和容器Linux 系统
。
该板卡主要含
有内存
、
NAND FLASH
、
DDR3
、
RTC实时时钟
、
LTE 4G
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年
/
第
6
期
物联网技术
1 可配置物联网网关架构
1.1 软件架构
物联网网关整体框架可分为五层
，
如图1所示
。
感知层作为物联网关框架的第一层
，
用于采集各类接入
网关设备数据
，
并将采集的数据上传给数据处理层
。
数据处理层对感知层上传的数据包进行解析和协议转
收稿日期
：
修回日期
：
2021-08-07 2021-09-10
51
Reliable Transmission
模块
、
WiFi模块
、
电源管理模块
。
扩展单片机能扩接丰富的
模块
，
如USB接口模块
、（
PLC
）
电力载波模块
、
以太网接
口模块
、
LTE模块
。
外设通过USB和GPIO接口连接扩展单
片机
，
扩展单片机作为USB Device设备
，
核心板作为USB
Host控制器
，
实现核心板接口的扩展
。
图2 扩展单片机连接
图3 核心板与扩展单片机软件架构
2 网关可配置功能设计与实现
2.1 配置客户端软件
配置客户端需要实现采集网关及其下联设备的参数及信
息
，
因此界面需要包含多个输入框便于填写信息
，
以满足不
同的配置要求
。
首先
，
设备配置文件的参数输入
，
填入每个
设备的身份认证
（
三元组
）
然后
，
填入设备的数据协议参
；
数
（
目前为Modbus协议
）
最后
，
填入设备寄存器的对应地
；
址及其含义和计算系数
，
填写完成后保存
。
具体工作流程如
图4所示
。
一个输入框的参数为Modbus_RTU或Modbus_TCP
，
选择
Modbus_RTU之后就可以选择接口类型
（
485或PLC
），
若选
择485类型
，
则在设备参数区域的第三行输入串口信息
；
选
择 PLC则输入第四行的IP信息
。
同理
，
当第一个输入框选
择Modbus_TCP时
，
只需输入第四行的IP信息
。
接下来输
入设备属性的标识符和地址
，
按照设备使用说明中的信息填
写
。
界面右边部分是设备配置文件的菜单栏
，
可以看到各接
口下的设备数量
。
图5 配置客户端设备管理界面
配置客户端边缘计算界面如图6所示
。
左边显示已经创
建好的计算节点
，
右边为添加计算节点的部分
。
根据边缘计
算的设计
，
将一串长长的计算公式拆分成两两一组的计算节
点
，
将每个计算节点的信息输入框中
，
然后点击
“
插入
”
即可
，
图4 配置客户端工作流程
添加完成后选择
“
保存
”，
生成边缘计算的配置文件
。
配置客户端联动界面如图7所示
。
左边显示创建好的联
动任务
，
右边是输入联动任务的操作界面
。
本配置客户端将
联动任务拆分成监测设备和联动设备
，
当监测设备的目标值
达到阈值时触发联动设备动作
。
添加联动任务的方法与添加
边缘计算方法相似
，
即插入
、
保存
[6-7]
。
2.2 感知层配置实现
感知层主要负责识别网关连接的设备并采集数据
。
本设
根据配置客户端的工作流程
，
设计配置客户端各界面
，
客户端设备管理界面设计如图5所示
。
界面第一行输入框为
网关的参数信息
，
这些参数大多在阿里云物联网云平台创
建网关设备时生成
，
是网关连接阿里云物联网平台的唯一
身份认证
（
三元组
）。
填写完参数后需要点击按钮更新并保
存网关信息
。
界面左下部分的区域为设备参数输入框
，
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物联网技术
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期
计使用多个线程采集不同接口下连接设备的数据
。
首先读取
配置客户端生成配置文件
，
判断类型后将数据分别复制到
不同的JSON对象中
。
分完大类后将提取每个类型的小类
，
按照配置文件的设计
，
Modbus_RTU_json对象的下一层是
485_json和PLC_json
，
故将Modbus_RTU_json对象解析成
485_json和PLC_json对象
，
485_json对象向下为各COM口
的对象
，
即所有设备信息的上一层
。
创建4个COM接口的
JSON对象存储设备信息
。
得到每个类型的设备信息JSON
数组后
，
将JSON数组内的设备信息取出存入对应的接口链
表中
，
每个设备的信息均存放在链表节点的json_data内
。
设
备信息提取完成后
，
各接口的采集线程开始工作
，
等待接口
的轮循时间
，
到达时间后开始判断每个设备的采集周期是否
到达
，
若到达采集周期
，
则按照当前设备节点的信息创建串
口或Socket连接
，
采集设备数据
，
采集后存储到当前设备链
表节点的数据缓存区即可
[8]
。
数据采集流程如图8所示
。
图6 配置客户端边缘计算界面
图7 配置客户端联动界面
图8 数据采集流程
Reliable Transmission
2.3 数据处理层配置实现
感知层采集到数据后
，
根据配置文件的内容判断是否对
采集的数据包进行协议解析和数据处理
。
若需处理
，
数据处
理程序按照当前线程的通信协议类型进行协议解析
，
解析完
成后
，
根据当前链表节点的信息判断是否需要其他处理
，
最
后将数据存储到链表缓存区
，
等待边缘计算层使用
。
数据处
理模块流程如图9所示
。
图9 数据处理模块流程
2.4 边缘计算层配置实现
将边缘计算需要的公式在配置客户端上按照规定方法写
入
，
生成的边缘计算配置文件将被传入网关指定文件夹内
。
在网关程序运行之初
，
将文件读取到程序缓存中等待使用
。
此设计将边缘计算的公式分解成两个一组的计算节点
，
便于
长公式的计算
。
数据处理层已将数据解析完成并存储到每个
设备的链表节点缓存中
，
存储时按照寄存器地址顺序进行
。
链表节点中还有关于设备寄存器地址和寄存器标识符的映射
关系表
，
因此在使用这些数据时可以直接用寄存器标识符来
调用数据
[9]
。
2.5 传输层软件设计与实现
阿里云物联网云平台提供基于设备端SDK开发
，
可
以在网关程序开发中结合云平台设计开发者使用的设备端
SDK
，
实现网关与物联网云平台的数据互通
。
子设备接入
云平台通过网关设备上报
，
网关设备会根据读取的配置客户
端的配置文件获取需要连接云平台的子设备数量
，
并且获取
每个子设备的三元组
（
在云平台创建设备生成的设备身份信
息
），
通过网关向云平台报备子设备并建立拓扑关系
。
子设
备可通过网关上发数据
。
本设计选择C-SDK进行网关开发
，
C-SDK安装完成后可使用其提供的API与云端通信
，
传输
其规定格式的数据包至云端
[10]
。
业务逻辑
、
SDK
、
HAL关
系如图10所示
。
2.6 应用层软件配置实现
应用层主要具备实时云动态曲线显示功能
、
手机端动态
曲线显示功能和远程控制终端设备功能
。
应用层的云端动态
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物联网技术
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Reliable Transmission
曲线展示在阿里云物联网云平台已有工具可实现
，
只需配置
使用即可
。
手机端的动态曲线展示选用微信小程序实现
，
在
微信小程序上
，
可以使用云平台提供的云端SDK API实现云
平台的设备属性设置
、
设备服务调用
、
设备信息获取等功能
，
之后即可在微信小程序上实现物联网云平台的功能
。
微信小
程序可通过调用云平台的服务调用功能实现远程控制
。
控制
过程如图11所示
。
图10 业务逻辑、SDK、HAL关系图
图11 服务器远程控制设备
3 结 语
本文针对目前网关数据采集中协议转换复杂
、
难以复用
的情况
，
对网关整体框架进行设计
。
并通过引入分层的思想
，
将物联网网关整体架构分为5个层次
：
感知层
、
数据处理层
、
边缘计算层
、
传输层和应用层
，
实现了根据实际需求结合配
置客户端进行输入文件参数
、
数据协议参数
、
设备信息
、
边
缘计算公式等功能
，
使网关的利用率以及使用灵活度得到了
极大提高
，
具有较高的工程应用价值
。
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作者简介
：
丁志清
（
1994
—），
男
，
硕士研究生
，
研究方向为MIMO天线
。
王三山
（
1989
—），
女
，
硕士研究生
，
讲师
，
研究方向为物联网应用技术
。
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