摘要：工业物联网是工业领域的物联网技术，是新一代信息技术的重要组成部分。在工业物联网体系架构中，感知层网络和工业互联网之间需要一个网关设备，实现工业互联网与传感层网络的互联互通。工业物联网网关旨在解决当前感知层网络设备的横向不关联，无法联动控制和统一管理的问题。网关以工业互联网为载体进行信息交换，把分散在各种工业现场的感知网络设备信息进行采集、存储、分析、管理。本文研究了一种工业物联网网关设计及实现方案。该方案设计基于ARM9平台，采用Linux操作系统，集成多种通用工控通讯协议、物联网通讯协议及互联网通讯协议，实现物联网感知层与工业互联网应用层之间的无缝对接。

关键词：工业物联网网关；安全传输；工控协议；近距离无线通信

Abstract: Industrial Internet of Things (IOT) is the technology of the Internet of Things (IOT) in the industrial field. It is an important part of the new generation of information technology. In the industrial Internet of Things (IOT) architecture, a gateway device is needed between the perception layer network and the industrial Internet to realize the interconnection between the industrial Internet and the sensor layer network. Industrial Internet of Things (IOT) gateway aims to solve the problems of current perception layer network devices that are not connected horizontally and cannot be controlled and managed in a unified way. The gateway takes the industrial Internet as the carrier for information exchange, and collects, stores, analyses and manages the information of the perceptual network equipment scattered in various industrial sites. This paper studies the design and implementation of an industrial Internet of Things gateway. The scheme is based on ARM9 platform, using Linux operating system, integrating general industrial control protocol, Internet of Things protocol and Internet protocol, and realizing seamless docking between the perception layer of Internet of Things and the application layer of Internet of Industry.

Key words: Industrial Internet of Things Gateway; Secure transmission; Industrial control protocol; Short distance wireless communication

1　引言

工业物联网是工业领域的物联网技术，是将工业领域的感知设备、控制终端设备、工业网络设备以全球移动通信技术为基础进行互联互通。随着新兴技术在传统工业领域的应用，当前融合了云平台、边缘计算、大数据分析和人工智能等技术的新型工业生产模式，正促使工业物联网向数字化、智能化快速转变。工业物联网网关作为工业物联网的重要组成部分，实现了工业物联网到工业互联网的全面转换。

图1 工业物联网应用体系架构

本文设计了一款基于ARM平台，Linux操作系统的工业物联网网关产品。本方案中，工业物联网网关下行通信接口采用模块化设计，灵活连接各种短距离通信接口的感知层节点，实现对物理环境的测量和控制；上行通信接口采用有线网络或WIFI/GSM方式接入工业互联网，实现对物理环境测量数据的远程传输和控制。工业物联网网关主要完成感知层节点的属性管理、网络组建、远程操作和远程诊断，并且对感知层节点采集协议进行兼容，将感知层节点数据进行统一封包、存储、分析、上传。

硬件设计上：对短距离无线通讯设备采用模块化设计，支持ZigBee、Bluetooth?、LoRa、IrDA。板载支持数字量输入/输出、模拟量输入/输出、脉冲量输入/输出、RS232、RS485/RS422、USB及网络通信接口。软件设计上：支持感知层网络设备信息采集、多映射存储、数据分析、异常报警控制等，对感知节点数据进行统一管理，数据进行统一封装，与应用层之间支持传统的工控协议IEC101/104、DNP3.0、OPC、ModbusTCP/RTU等，为了迎合当前云计算平台技术的发展，集成HTTP、websocket、XMPP、COAP、MQTT等云通讯协议，实现与云端的互联互通。

2　工业物联网网关的硬件设计

本方案采用Cortex-A9四核imx6quad处理器芯片，设计通用工业互联网网关设计，采用双层结构，包括底板和扩展板。底板设计包括：CPU模块、电源模块、存储模块、看门狗模块、I/O接口模块、外部接口模块等；扩展板设计包括：无线HART扩展板、ZigBee扩展板、LoRa扩展板、IrDA扩展板、Bluetooth?扩展板等。如图2所示：

图2 工业物联网网关硬件模块框图

各个功能模块相互配合，完成仪表的整体功能。各个模块的主要作用如表1所示。

表1 功能模块描述

2.1　电源模块

采用隔离性模块化电源电路设计，提升了输出短路保护、容性负载能力、空载功耗、轻载效率和软启动等性能，为工业物联网网关提供安全、可靠的电源驱动，同时为I/O接口电路提供电源。

2.2　CPU模块

采用imx6quad工业级芯片作为核心处理器，该芯片为四核ARM Cortex-A9架构，单个核心主频均可达1GHz，拥有1MB二级缓存的，具备丰富的外设资源，满足产品后续的升级需要。

2.3　存储器模块

铁电存储器（FRAM）产品将ROM的非易失性数据存储特性和RAM的无限次、高速读写以及低功耗等优势结合在一起，兼具了RAM和ROM优点。设计采用铁电存储器，用于工业物联网网关的系统参数、网络参数、感知层设备表参数、协议转换参数、数据映射参数、运行过程数据、运行历史数据等。

2.4　看门狗模块

工业物联网网关设计硬件看门狗，确保网关在强干扰、高辐射、极限温度等极端情况下出现异常死机时，能够完成设备重启，自动恢复正常。

2.5　 I/O接口模块

集成I/O电路，按照I/O点数和电路类型进行划分，包括DIO、AIO、PIO等，采用电磁隔离、端口保护、防雷、防止浪涌保护、抗EMC保护设计。

2.6　外部接口模块

设计为外部连接，包括上行通信接口（以太网、802.11、GSM）、下行通信接口（短距离通信接口）、调试接口等。下行通信接口设计为可插拔模式，根据工业物联网网关的使用环境及感知节点类型，选择对应的模块。

3　工业物联网网关软件设计

工业物联网网关软件内部功能模块包括感知层设备管理、感知层数据管理、网关管理、网络管理、协议转换、安全传输等功能。

3.1　感知层设备管理

在工业物联网网关中建立感知层设备表，通过网络接口实现对感知层设备的远程通讯控制，实现对感知层设备进行实时在线诊断、配置、调试和升级。

图3 工业物联网网关软件设计

3.2　感知层数据管理

工业物联网网关对感知层数据进行采集、分析、存储和传输。在对感知层设备表中的设备进行采集时，监测设备报警状态、上线时间、掉线时间、持续运行时间；分析采集数据，实现多层级报警、异常联动控制；采用多索引映射技术对各种感知层数据进行分类存储；传输数据包括实时报警状态数据，主动上传应用层网络。应用层网络也可以通过网络协议访问工业物联网网关数据存储表。

3.3　网关管理

对工业物联网网关采用客户端软件进行配置，采用权限认证机制访问网关，非授权用户不得访问；在网关中设计用户权限管理机制，分为管理员（最高权限）、一级用户（安装调试人员）、二级用户（只读）三个层级进行管理；网关系统参数、网络参数、感知层设备表参数、协议转换参数、数据映射参数进行分类存储；通过客户端可实现网关远程固件更新。

3.4　网络管理

通过FTP、SSH/TELNET、Webserver和SNMP等方式对设备运行状态和网络资源进行配置、测试、分析、监视、评价、控制。

3.5　协议转换

工业物联网网关中集成通用的短距离通信协议，能覆盖大部分工业领域的感知层设备，为感知网络节点数据提供统一的封装，保证不同的协议能够抽象成统一的数据帧，通过上行通信接口上传至应用服务器端；应用服务器端数据，通过通用的工控协议、互联网协议将数据下发给工业物联网网关，网关通过协议解析，将数据帧拆解并重新组合成感知层网络能识别的数据帧，通过下行通信接口进行下发。

图4 工业物联网网关协议设计

3.6　安全传输

工业物联网网关基于TCP/IP协议通信技术通信，网络安全对整个系统的安全起着至关重要的作用。为保证网络通信安全传输，设计采用openssl和iptable保证通信安全。

4　结语

本文提供了一种感知层设备接入工业互联网的解决方案。文中设计的工业物联网网关，实现了工业领域的感知
层设备协议兼容、实现了物理环境的监测和控制。为应用层屏蔽感知层网络差异提供了一种新的解决方案。AP

参考文献：

[1] YD/T 3253-2017. 无线传感器网与电信网结合的网关设备技术要求[S].

[2] 赵小凤. 基于嵌入式系统的物联网网关的设计分析[J]. 信息系统工程. 2018, (01).

作者简介：

唐　杰（1988-），男，河南南阳人，本科，现就职于北京中油瑞飞信息技术有限责任公司，研究方向是电气工程自动化。

马　亮（1972-），男，甘肃礼县人，高级工程师，现就职于北京中油瑞飞信息技术有限责任公司，研究方向是物联网技术在油气领域的应用。

闵利昆（1981-），男，河北保定人，学士学位，现就职于北京中油瑞飞信息技术有限责任公司，研究方向是电气工程自动化。

梁　潇（1990-），男，河北涿州人，研究生，现就职于北京中油瑞飞信息技术有限责任公司，研究方向是电气工程自动化。

摘自《自动化博览》2020年1月刊