工业物联网网关:新兴趋势

远程连接和新的软件许可结构可以为控制和自动化软件的增量升级创造机会，提高效率，改善信息流，并带来更大的优化。无所不在的、基于开放标准的互联网连接和功能强大、低成本的嵌入式设备的融合，导致了物联网(IoT)的出现。

到2020年，预计将有250亿台物联网设备上线。这一趋势颠覆了现有的控制和仪器仪表领域，为工业物联网(IIoT)带来了一系列新的可能性。

互联网本身的发展以协作、互操作性和符合开放标准为特征，这与互联网的基本精神形成了鲜明对比。在专有移动电话生态系统的预示下，物联网/工业物联网领域正在成为一个新的“西部大荒”，其中出现了相互竞争的封闭孤岛。每个竖井都在通过提供完整的、封闭的、专有的堆栈来锁定预期的巨大市场的最大份额，这些堆栈在该领域的“事物”和使它们有用的集成云服务之间提供完全的垂直集成。

工业物联网的碎片化趋势与系统集成商和制造商在控制、仪器仪表、建筑管理和能源管理领域的需求不一致。在过去的二十年中，这些领域的特点是全行业合作，建立开放标准，使供应商面临更直接的竞争，同时扩大了他们的市场范围。这一结果为整个行业带来了巨大的利益。这种方法的便利性、附加价值和效率受到新的竖井的威胁。

为了应对这种危险，一些供应商已经成立了工业互联网联盟(IIC)致力于在互操作性方面建立共识。为此，IIC发布了“工业互联网参考体系结构技术报告”(IIRA)，阐述了一个旨在指导工业互联网系统(IIS)发展的体系结构框架。IIRA从业务、使用、功能和实现的角度探讨架构关注点。

实现观点讨论了参考体系结构所需的技术和通信方案，并且对当前的主题特别感兴趣。

IIRA概述了一些很大程度上依赖于网关设备的架构模式，例如:

具有边缘层、平台层和企业级的三层体系结构模式

此模式使用网关将边缘层(包含由邻近网络连接的现场设备或边缘节点)通过访问网络连接到平台层(包含数据转换、操作和分析)，该访问网络提供了要交换的数据和控制流。来自IIRA的图7-2说明了这种模式(参见下一页的示例)。

网关介导的边缘连接和管理体系结构模式

在这里，边缘网关提供了边缘设备的局域网(LAN)和连接到更高级别服务的广域网(WAN)之间的链路。边缘网关本身可以通过充当枢纽来充当本地连接的提供者。它用于将边缘设备与WAN隔离，并且可以包含一些数据处理、分析、控制逻辑和应用程序实体。

随着现代开放领域协议标准的广泛接受，减少了该领域对传统网关的需求，工业物联网创造了对新型智能网关的需求，以释放各种现实世界设备和工业互联网系统之间互操作性的全部潜力。

数据管理

工业和建筑自动化网关已经远远超出了网关经典定义的简单消息转换范式。网关现在可以占据开放系统互连(OSI)网络模型的所有级别。通过支持应用层实体，现代网关可以主动读取、写入和操作数据，并实现智能数据缓存、数据记录和控制器功能。存储转发技术允许在Internet连接不可靠或断断续续的情况下维护连续的历史记录。

虚拟化、抽象

除了缓存和镜像数据之外，网关正在成为数据抽象的重要提供者。通过在一致的、自文档化的虚拟设备模型中对不同的现场设备建模，网关将系统的高层与现场遇到的无数不同数据结构隔离开来。类似地，现场设备功能可以以连贯的方式包装和呈现。例如，网关可以在整个IIS中以一致的抽象表示形式呈现一组非常不同的电能表，从而使系统的高层免受现场通常不可避免的变化的影响。

网络管理

网关通常理想地用于承载现场网络管理功能，从而消除了对第三方网络管理工具的需求。

网络发现，自我配置

进一步考虑网络管理问题，IIoT网关正能够实现零配置部署。一旦在现场网络中安装了这种网关，它就能够自主地检测现场设备，并将数据和功能整合到一个完整的接口中。

众包

现有产品的巨大碎片化和多样性使得某种程度的人机交互不可避免。许多遗留的现场协议无法描述它们所呈现的数据，迫使供应商为每个设备模型提供单独的数据映射文档。反过来，这些需要手动转换为网关配置，以便数据在更完整的虚拟设备模型中呈现。

在一项新的发展中，网关供应商创建了一种可移植的数据格式，通过这种格式，网关上手动配置的设备配置文件可以被导出，并通过网关供应商托管的配置文件共享网站与更广泛的用户社区共享。这导致了一个不断增长的、公共可用的节省人力的配置文件库的出现，这些配置文件由一个现场设备模型索引，并且可以由任何系统集成商在兼容的网关上上传和实例化。

应用程序托管

即使站点与Internet断开连接，或者在给定部署保持隔离的情况下，多层体系结构通常也需要一系列功能供本地运营商使用。此外，一个健壮的系统设计可能需要将某些监控和控制功能设置在本地，以在互联网连接断断续续的情况下保持不间断的操作。

远程访问

网关能够托管远程访问服务器，为托管在网关上的应用程序的远程用户提供安全的隧道访问。这最大限度地减少了云基础设施所需的功能，并扩展了本地托管应用程序的可用性。

网关体系结构开发

网关功能范围的扩展对支持技术的生产力和灵活性提出了巨大的要求。传统上，网关可能是作为用C或c++编程的单块嵌入式应用程序而成功的，但今天所需的功能多样性和灵活性需要平台，允许从一系列定制的、专用的组件和第三方的、专有的或开源组件组装所需的服务组合。传统服务器环境和嵌入式环境之间的日益融合为扩展网关的功能创造了重要的机会。

便携式软件平台

软件可移植性通过允许通信或应用程序代码在多个平台上重用，极大地提高了连接系统的开发速度和成本。有两个因素使得边缘和云平台之间的代码共享成为可能:兼容的虚拟机(vm)和可移植的操作系统。

了解更多关于兼容虚拟机的趋势，并查看modbus数据地图和文本。

兼容的虚拟机

在过去的二十年中，Java通过为各种大小的平台提供兼容的VM实现，使得代码变得可移植。虽然对性能要求相对较高，但今天的边缘设备能够很好地运行功能齐全的Java虚拟机，并可以利用巨大的代码库。脚本语言，如Perl、Python、PHP以及最近的JavaScript，都适合于可移植的实现，因为只需要将解释器移植到任何新的平台。JavaScript已经是世界上最流行的编程语言，快速发展的Node.js生态系统提供了一个非常有前途的可移植平台，允许代码在嵌入式设备、服务器和web浏览器之间共享。JavaScript代码的异步、事件驱动特性使其非常适合开发I/ o密集型、事务驱动的系统。此外,npm作为一种开源包管理系统，它在支持大量流行协议、服务、应用程序编程接口(API)客户端、数据库客户端和服务器的小的、有重点的、高质量的模块的数量和范围方面提供了前所未有的增长。

便携式操作系统

Linux侵入了专有嵌入式多任务操作系统的历史保留区，已成为嵌入式设备的流行选择。通过RT-Preempt补丁，Linux内核支持软的实时系统，通常足以满足具有毫秒级定时需求的现场协议。从历史上看，边缘设备使用的是定制的轻量级Linux发行版，通常与桌面或服务器版本不同。

Canonical的Ubuntu是一个连贯的Linux产品，通过添加Snappy Ubuntu Core覆盖了从边缘到云的IIoT操作系统需求。Snappy为嵌入式设备和云部署服务器提供了健壮、安全、模块化的更新和回滚机制。

可互操作、可组合的软件模块

除了使用可移植操作系统和虚拟机之外，软件设计实践以可互操作和可组合的方式封装功能模块，从而增强了体系结构的灵活性。这为系统设计人员提供了更多的选择，以决定是在边缘网关上还是在云中定位应用程序、监控或控制代码，并且通过代码重用最大化了效率。除了提供内部和下游抽象之外，各种上游云层提供者之间的差异还可以抽象并包装在标准组件接口中，从而使给定的网关实现能够以最小的工作量集成到各种系统中。

丰富的、自描述的数据模型

从XML开始，逐渐通过更紧凑和浏览器友好的JSON，网关可以以自身有意义的、固有的可扩展的、可以被许多系统集成和解释的格式表示数据和api。

例如，传统的Modbus数据映射将包含大量的16位数据寄存器，这些寄存器由数字地址标识。这样的映射通常会硬编码到设备中，扩展映射的唯一可能是在映射的末尾附加新值。

Modbus数据图

数据地址	数据值(可通过Modbus获取	描述(不通过Modbus提供)
30000	65	内部温度(华氏度)
30001	59	室外温度(华氏度)
<更多值>
31000 <最后值>	80	湿度(%相对湿度)
31001		<一个新的值可以添加到这里，在>的末尾

所有这些信息都可以在一个JSON对象中表示，可以通过简单地添加字段(如突出显示的添加字段Setpoint所示)进行扩展，而不会破坏与现有实现的兼容性，可以简单地插入该字段而不会影响通信的完整性。对象作为文本字符串传输，并且本身是可理解的。虽然JSON格式要比Modbus格式冗长得多，但在大多数情况下，好处大大超过了成本。

Json数据对象

｛

“内部温度”: {

“单位”：“华”，

“价值”：65，

“选点”: 63

}，

“外部温度”: {

“单位”：“华”，

“价值”：59

}，

“湿度”: {

“单位”：“% RH”，

“价值”：80

｝

｝

整合、成熟

工业物联网生态系统处于早期阶段，未来还会有很多巩固和成熟的过程。新兴的工业物联网网关品种将有助于遏制不确定性，并通过提供快速适应能力来跟上不断变化的环境，从而保持现有投资的价值。正如IIRA中提出的工业互联网架构所设想的那样，在可预见的未来，工业物联网网关仍将是工业互联网不可或缺的一部分。

虚拟化和众包

Sierra Monitor公司的FieldServer EZ-Gateway演示了现场设备虚拟化的标准化方法。在本例中，系统集成商创建了一个配置文件，配置从Modbus设备读取的数据项，并将其映射到BACnet数据模型，允许用户使用以下内容丰富数据模型:对象名称、对象类型、单位和描述字段。然后，每个配置文件可以用于创建多个DeviceProxy实例，对应于该字段中的多个Modbus设备。下图显示了正在实例化并映射到虚拟BACnet设备的四个DeviceProxy实例。

Network Management-FieldServer BACnet Router DeviceFind

Sierra Monitor公司的FieldServer BACnet路由器被系统集成商用于使用不同介质互连BACnet网络，如RS485现场网络和互联网协议(IP)网络，通常用于将设备连接到建筑管理系统。虽然BACnet路由是一种非常标准化的低级功能，但BACnet路由器所基于的FieldServer IIoT网关体系结构使其能够承载应用程序级功能，为系统集成商增加价值，不需要其他工具来验证所有预期的设备都可以到达和识别。

延斯·埃格斯是Sierra Monitor公司的软件工程师。石油与天然气工程，eeissler@cfemedia.com．

关键概念

• 工业物联网走向碎片化的趋势与系统集成商和制造商的需求不一致。
• 软件可移植性显著提高了连接系统的开发速度和成本。

考虑一下这个

随着工业物联网/物联网的发展，许多公司将试图通过制造专有软件来尽可能多地赚到钱，就像以前的技术战争一样，比如Betamax vs. VHS，蓝光vs. HD DVD。

在线额外

-查看有关物联网和工业物联网及其许多潜在应用的相关报道，链接如下。

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