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IoT网关平台与应用

2017年08月01日09:43:28 本网站 我要评论(2)字号:T | T | T

物联网网关和通用网关平台设计挑战探讨


 


Indar Prakash Singhal

意法半导体

印度大诺伊达

indar.singhal@st.com

Prashant Pandey

意法半导体

印度大诺伊达

prashant-mpa.pandey@st.com

Raunaque Mujeeb Quaiser

意法半导体

印度大诺伊达

raunaque.quaiser@st.com


 



摘要有关物联网将能实现资源利用高效化、智能化的论述提高了科技界以及消费者对物联网的期待。物联网(IoT)需要给我们周围的日用物品(物)增加感知和联网功能,将其变成一个网络节点。不过,受到功率大小和运算能力限制,直接将物联网节点连接到公共网络有时是行不通的。IoT网关能够利用适合的联网技术,把资源有限的“物”连接到规模更大的网络。有多种技术可用于“物”与网关之间的连接通信。同样,IoT网关与云端的通信也有多种网络协议可用。IoT网关设计面临很多挑战和难题,例如,数据安全、身份验证和设备开通。对于一个具体应用,做出正确的选择,不是一件小事。本文介绍一个无线网桥IoT网关平台架构,该网关平台灵活可变,支持不同的无线通信技术。我们还将探讨“物”与“云”通过IoT网关平台交换信息所需的多种联网技术和网络协议。本文有助于设计人员开发安全、灵活、可扩展的IoT网关。

关键词 物联网(IoT),无线网桥,RF传感器节点, 6LoWPANWi-Fi,蓝牙,NFC , Sub GHz

前言

物联网就是一个物品互联网,这里的物品(物)内部有电子系统,具有感知和上报功能,支持远程控制,有时还能做出简单的决策。与物联网相关的其它常用术语包括M2M(机器间通信)IoE(万物互联)。将内部有电子系统的物品连接到网络的概念由来已久。大致浏览一下相关资料后发现,物联网似乎不是什么新概念。不过,物联网和传统的机器间通信还是略有不同的。物联网的目标是将所有能够与用户互动的设备(物)都连接在一起,包括通常不联网的设备,实现万物互联。第二个不同之处是,物联网打算沿用现有的基于IP的网络,建立一个全球规模的物联网,而这一代机器间通信技术则是建立专用通信网络基础设施。物联网接入互联网的概念可提高物联网延伸距离,同时也使物联网技术面临一些独特的挑战。其中一个挑战是,受限于系统内存、数据存储容量和计算能力,很多物联网节点无法直接连接基于IP的网络。IoT网关可以填补这块空白,在基于IP的公共网络与本地物联网之间架起一座网络桥梁,同时还能提供数据安全、存储和处理服务,尽可能地提高物联网节点终端设备的成本效益和能效。此外,网关还能让网内设备使用不同的通信技术相互对话。不幸地是,影响设计的不确定因素太多,设计一个面向未来的IoT网关是一项十分艰巨的任务。物联网市场碎片化严重,厂商数以万计,缺少统一的标准。目前有关物联网的技术规范过多,每家科技企业都各自为阵,只推广自有技术。本文旨在于概述目前市场所有的可用技术,不深入介绍厂商的具体通信协议。

 

IoT网关的设计挑战

      节点连接: 将网关连接到物联网节点,需要选用一种近距离射频(RF)通信技术。选择射频技术时需要比较各种参数,例如频带、调制方法、信道数量、数据速率、延迟、稳健性等。此外,还要考虑本地行业法规的相关规定。如果是节点类型相同的同构网络,射频技术选择就比较容易。相反,如果网内有多种不同的节点,有不同的需求,射频选择就会复杂很多。

      后台连接: IoT网关与节点的连接可以使用近距离射频技术,而网关与互联网的连接则需要远距离通信技术。选择这项技术时需要考虑带宽需求和本地现有可用的连接技术,还要考虑是否是关键应用。因为每个地区的网络连接技术都不尽相同,所以准备多个后台连接方法是一个不错的主意。

      管理服务器: 物联网节点作为独立的实体,通常不接受网络设备(通过网关)的访问请求。较为普遍做法是通过中央服务器管理网络节点,同时IoT网关为服务器提供通信支持,因此,我们需要选择网关与管理服务器之间的通信协议。

      本地智能: 在真云架构中,节点将全部数据发送到云端进行处理和控制。不过,这种设定并不是很理想,因为毫无价值的数据也会发到云服务器,导致带宽浪费、服务器负荷增加,甚至连接断开时还会丢失数据。边缘计算概念解决了这个问题。如果IoT网关在本地承担大部分决策工作,只向云端发送过虑后的有价值的数据,系统运行将会变得更加高效。出于灵活性考虑,网关决策逻辑可以由服务器设定。本地智能程度和类型取决于实际应用,如果会影响网关设计决策,应给予深度考虑。

      需要考虑的功率因素: 网关电源也会影响我们的设计定案。因为广泛用于物联网设备,所以传感器网络应尽可能从环境中汲取能量。

      数据安全: 这是决定大规模物联网能成败的关键要素。随着网络成更多应用(某些应用实际上是关键应用)的重要组成部分,数据安全变得更加重要。安全问题应落实到每一个设计阶段,而在设计任务全部完成后再增加安全功能的做法是错误的。

      可维护: 这是一个经常被忽视的需求。历史经验告诉我们,没有系统是完美无缺的。不管部署前做过多少测试,部署后还会发现安全缺陷、隐患和漏洞。IoT网关和节点必须支持现场维护和更新功能。设备维护不应只依赖远程维护,还应有更多的联网方法可选。

下面我们详细讨论现有联网技术,以及每种连接技术可用于哪些场景。

节点连接技术

目前,蓝牙、Wi-FiNFCZigBee是大家非常熟悉的无线通信技术。此外,新兴联网技术,例如Sub GHzThreadANTZ-Wave,可直接用于智能家居、智慧城市、智能照明和智能表计。

根据实际应用情况,功耗、数据速率、工作频率、电池续航能力是决定选择哪一种或一些联网技术的主要因素。本文后面的表1比较了当今主要无线通信技术的特性。

后台连接:

网关与管理服务器(后台)的连接需要选择回程连接技术以及通信协议。回程连接是IoT网关到ISP互联网服务提供商端点之间的远距离连接。2G/3G/LTE等移动通信技术是当前最热的回程链路技术。此外,智能路灯等应用还可以使用电力线通信(PLC)技术。高带宽应用可以选用光纤通信技术。没有被移动网络覆盖的边远地区,可以选用卫星通信或微波点对点连接技术。

 

通信协议

有很多通信协议可用于IoT网关与云服务器之间的通信。这里我们讨论一些比较热门的技术及其优缺点。

Plain HTTP: 这是目前普及度最高的网络协议,被服务器厂商广泛接受,得到互联网标准的支持,兼容性问题最少,无缝支持RESTful API。不过,这项技术的缺点是开销太大,体现在HTTP报头和基于文本的格式方面。Plain HTTP虽然运行在TCP之上,但还是一种无状态协议,不适合即时通信应用。客户端必须发送一个请求信号,才能收到服务器的应答(命令)。为收到服务器的更新信息,客户端必须不断地轮询服务器。

CoAP: 资源受限型应用协议,可以认为是二进制版的HTTP,对HTTP协议的一些局限性做了改进,拥有非常准确的报头,支持二进制数据格式,因此降低了开销;可运行在TCP或其它传输层甚至SMS之上。CoAP数据包很容易转换成HTTP包。不过,因为缺乏对互联网基础设施的支持,此技术不能很好地兼容防火墙、代理服务器和路由器。因此,这项协议通常只适用于传感器网络内的私有网络。

Web sockets: 这是一个互联网标准支持的新的网络协议,采用与HTTP相同的寻址和握手方法,兼容现有网络基础设施。在完成握手对话后,立即转换成TCP之上的双工通信,适合即时双向通信,特别适合主机共享的虚拟主机环境和代理服务器后面的网关。

MQTT: 也是一个深受市场欢迎的运行在TCP层之上(可选)的网络协议,有一个主题订阅模式,更适合向相关网关广播信息,同时还适用于网关与服务器通信,具有一些适合物联网应用的功能,例如,最后一条消息永久存在和遗嘱消息。

AMQP: 这或许是最适合网关与服务器通信的网络协议。该协议的作用相当于一个存储队列,即便临时断网,也确保数据包不会丢失。

      XMPP: 可扩展消息处理与现场协议,是聊天客户端广泛使用的即时通信协议,对很多功能进行了标准化,例如,用户验证和消息ID。不过,因为技术规范十分复杂,数据交换采用冗长的XML格式,所以不适合物联网应用。