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通用物联网软网关的研究与实现

范文

张聃郑之光傅均承

【摘? 要】我国从2009年“感知中国”行动启动以来，物联网产业得到飞速发展，大量物联网新技术、新产品应用到各行各业。物联网软网关作为将传统和下一代设备引入物联网的关键要素，把分散在不同位置、不同应用感知设备通过网络连接在一起，实现不同制造商设备间的通信。论文分析了实现物联网软网关接入的主要技术、业务场景，旨在研究一种能同时支持不同感知设备、多种接入协议，具备高并发、高可用能力的通用物联网软网关的实现方法。

【Abstract】Since China launched the action of "Experience China" in 2009， the internet of things industry has developed rapidly， and a large number of new technologies and products of the internet of things have been applied to all walks of life. As the key element of introducing traditional and next-generation devices into the internet of things， internet of things soft gateway connects devices scattered in different locations and with different application sensing through the network to realize the communication between devices of different manufacturers. This paper analyzes the main technologies and business scenarios for realizing the access of the internet of things soft gateway， aiming to study a realization method of general internet of things soft gateway which can support different sensing devices and multiple access protocols at the same time， and has high concurrency and high availability capabilities.

【关键词】物联网;软网关;感知设备

【Keywords】internet of things; soft gateway; sensing device

【中图分类号】TP391.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文献标志码】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章编号】1673-1069（2021）01-0164-02

1 引言

互联网技术实际是物联网技术的基础，而物联网是基于互联网技术发展和延伸出的一种新技术，物联网是将标准工业设备、射频识别（RFID）、激光扫描器、红外感应器、摄像头、全球定位系统等信息传感设备，按约定协议进行通信，以实现智能识别、数据采集、定位、跟踪、监控和管理的一种网络技术。而构建物联网的核心就是物联网软网关，就像驾车经过停车场出入口道闸，一个网络与另一个网络通信，也必须经过一个关口，这个关口就是网关，网关又称协定转换器或网间连接器，按特定需求设计的网关大多仅作为网络协议的转换器，在应用需求变动时需对网关做很大的变动才能适应新的应用场景，这使得物联网大规模应用困难重重。鉴于此，本文提出了一种物联网软网关实现思路，具有一定的通用性与适应性。

2 总体方案

2.1 业务架构

物联网架构一般分为设备侧、网关侧、应用侧三个層面，物联网设备侧的传感器网络将采集数据传输到服务端，一般情况下在设备侧和网关侧之间通过一个接入网关来完成数据无缝传输（见图1）。目前的物联网解决方案供应商大多针对特定应用场景，根据特定需求设计软网关，在网络环境、应用需求变动时需对网关做很大的变动才能适应新的应用场景。目前还没有一个与软硬件无关、能适应不同应用场景、快速实施、易扩展的网关平台，这是物联网大规模应用的一个障碍。因此，本文提出了一个通用的物联网软网关平台IPIG，IPIG是基于微服务架构设计的松耦合系统，具有很好的扩展性和适应性。

2.2 系统架构

从系统整体架构来看，软网关基于SpringCloud分布式集群云架构构建，所有的微服务结点都支持横向扩展，满足系统高并发、高可用性的需要（见图2）。通过SpringCloud Gateway访问控制网关实现外部访问的身份识别与访问控制。基于Jenkins进行持续集成并采用Apollo支持分布式配置文件的可视化管理，可以很方便地将最新的系统发布到K8S/Docker容器编排环境中，通过K8S达到最佳的运营监控效果。表1为软网关包含的所有微服务详细列表。

3 关键技术

3.1 多协议适配

ipig-gateway模块通过设备类型自动适配OPC UA、ModBus TCP、MQTT等标准工业协议以及TCP Socket、HTTP和Websocket-flv等互联网网络协议，并支持自定义消息格式以满足特殊设备的接入需求，系统架构如图3所示。

信号转发统一化：软网关和应用程序之间的上行接口统一，无论是哪种信号或指令，都通过统一的接口规格，指定接口参数、命令组成、指令释义，便于应用程序统一接收、集中处理、分开响应。

3.2 数据标准化

ipig-meta-data模块通过将预先定义的标准化物模型元数据和不同类型设备的采集数据建立映射关系，在收到原始数据时按映射关系进行转换成标准数据并分发到内部消息总线中，按元数据标准化后的数据有利于后续对数据的转发与统计分析，并且对外提供了统一的Restfull接口，方便查询和管理元数据信息。

3.3 规则引擎

ipig-rule-engine模块支持对规则引擎的可视化编辑，在规则引擎中可订阅消息网关中的数据，并将处理后的数据转发到指定的地方。

規则引擎使用的是Rete算法：其核心思想是将分离的匹配项根据内容动态构造匹配树（其实是构造一个DAG，有向无环图），以达到显著降低计算量的效果。Rete算法可以被分为两个部分：规则编译和规则执行。当Rete算法进行事实的断言时，包含三个阶段：匹配、选择和执行，同时也被称作match-select-act cycle，本质上是利用空间换时间。

3.4 推/关视频流方案

软网关支持视频监控数据的采集，为统一兼容不同厂商视频监控设备，采用了视频推流的方案，方案中将所有视频相关实时播放和回放的设备，统一通过NVR进行连接和管理，然后在软网关服务器上，使用流媒体服务器进行统一规划推流和及时回收释放资源的管理。

4 结论

物联网的飞速发展诞生了一批如ACU（智能区域控制单元）、无线传感器、边缘计算之类的标准设备。而物联网软网关解决了异构网络中和这些设备间最基本的互联互通问题，是物联网应用中极其重要的组成部分。IPIG旨在提供一种通用的物联网软网关解决方案，满足物联网各种应用场景的需求，最大限度地满足网关软件的实施快、高可用、易部署的要求。

【参考文献】

【1】邹力.物联网与智能交通[M].北京：电子工业出版社，2012.

【2】翟永超.Spring Cloud微服务实战[M].北京：电子工业出版社，2017.

【3】郑磊，罗健飞，苏湘，等.一种面向物联网应用的通用网关平台的设计[J].自动化与仪表，2013，28（09）：24-28.

【4】龚正.Kubernetes权威指南——从Docker到Kubernetes实践全接触[M].北京：电子工业出版社，2016

【5】克劳斯·施瓦布.第四次工业革命[M].杭州：浙江出版集团数字传媒有限公司，2016.

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