物聯(lián)網(wǎng)解決方案的典型架構通常比大多數(shù)企業(yè)系統(tǒng)的架構復雜得多。增加物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)復雜性的一個主要因素是，數(shù)據(jù)中心中的后端服務實際上只是更大的物聯(lián)網(wǎng)圖景的一部分。使用物聯(lián)網(wǎng)解決方案，我們必須處理大量在現(xiàn)場工作的設備。由于這些設備的性質(zhì)與Web、臺式機甚至移動客戶機非常不同，因此我們需要一個中間體系結構，充當現(xiàn)場設備世界和企業(yè)數(shù)據(jù)中心之間的代理。我們需要的是物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關。

為什么需要IoT網(wǎng)關

您現(xiàn)在可能想知道：將網(wǎng)關引入您的物聯(lián)網(wǎng)架構背后的主要原因是什么？讓我通過討論網(wǎng)關架構如何運作的一些最重要的方面來闡明這個問題。

首先，傳感器在網(wǎng)絡連接方面通常具有非常有限的能力。 您的傳感器可能會使用藍牙低功耗（BLE），就像市場上的大多數(shù)信標一樣; 您的某些傳感器還可能使用ZigBee協(xié)議提供連接。 在局域網(wǎng)（LAN），家庭局域網(wǎng)（HAN）或個人局域網(wǎng)（PAN）中還可以找到許多其他協(xié)議。 所有這些協(xié)議都有一個共同點：它們無法直接連接到廣域網(wǎng)（WAN）或Internet等大型網(wǎng)絡。 您需要一個網(wǎng)關，通過使用WiFi，GSM或其他類型的連接，可以為您的傳感器提供與外部網(wǎng)絡的單點聯(lián)系。

網(wǎng)關不僅僅是將數(shù)據(jù)從傳感器轉(zhuǎn)發(fā)到后端服務的轉(zhuǎn)儲代理。將傳感器收集到的所有信息發(fā)送到數(shù)據(jù)中心在性能和網(wǎng)絡利用率方面都是非常無效的。在將信息發(fā)送到數(shù)據(jù)中心之前，需要一個物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關對現(xiàn)場信息進行預處理。這種預處理包括消息過濾和聚合。

網(wǎng)關還應充當單個訪問點，用于監(jiān)視操作字段的選定區(qū)域。不需要使用監(jiān)視軟件連接到每個傳感器；只監(jiān)視網(wǎng)關更容易，網(wǎng)關反過來負責從傳感器收集所有必要的數(shù)據(jù)。

體系結構概述

下面的網(wǎng)關體系結構圖是最常見的體系結構設計，其中網(wǎng)關本身沒有配備傳感器。安裝在設備上的網(wǎng)關軟件負責從傳感器收集數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行預處理，并將結果發(fā)送到數(shù)據(jù)中心。

請記住，在此傳感器體系結構上有可能發(fā)生變化，其中一些傳感器位于網(wǎng)關設備上，它可能存在于網(wǎng)關的嵌入式傳感器可以包括GPS單元或使用GPIO接口連接到網(wǎng)關的溫度傳感器等選項。

網(wǎng)關軟件

軟件應用程序是網(wǎng)關的核心。網(wǎng)關軟件負責收集來自傳感器的信息，并將其適當存儲，直到可以對其進行預處理和發(fā)送到數(shù)據(jù)中心。網(wǎng)關軟件決定在給定處理階段的數(shù)據(jù)是臨時的、持久的保存在內(nèi)存中的。

網(wǎng)關軟件的設計應考慮到故障和災難恢復。由于網(wǎng)關設備通常在現(xiàn)場操作，因此您應該為不理想的工作條件做好準備。例如，應為斷電或可能導致網(wǎng)關處理中斷的其他操作準備網(wǎng)關軟件。網(wǎng)關軟件應在電源恢復后立即自動啟動，并從中斷點繼續(xù)工作。

網(wǎng)關軟件還應該足夠智能，能夠正確處理系統(tǒng)日志記錄。它必須在存儲在設備上的日志條目數(shù)和發(fā)送到數(shù)據(jù)中心的日志條目數(shù)之間找到正確的平衡。

軟件安裝和更新

網(wǎng)關軟件如何進入設備？這個問題有三種主要的解決方法。

第一種方法是在網(wǎng)關磁盤（或存儲卡）上預安裝軟件。這種方法稱為工廠引導程序。正如您可能猜到的，如果您的解決方案包含大量網(wǎng)關，則此技術無法很好地擴展。

第二種方法是服務器啟動的引導。在此模式下，中央軟件管理服務器與網(wǎng)關設備通信，并向其部署正確版本的軟件。這種方法比工廠引導擴展得更好，但是仍然需要在服務器端啟動部署操作。

第三種方法是客戶端啟動的引導程序。此模式假定網(wǎng)關負責連接到中央存儲庫服務器并下載適當版本的軟件。在這種情況下，網(wǎng)關需要安裝輕量級引導軟件，以便它可以與軟件管理服務器通信。此方法是最具可擴展性的方法

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關的一個非常重要的特性是能夠通過無線方式下載更新。 將網(wǎng)關軟件安裝到設備上并將其交付到現(xiàn)場后，您在網(wǎng)關軟件維護方面的功能非常有限。 從安全角度來看，通過無線方式下載軟件更新的能力尤其重要，因為它可能會影響關鍵安全修復程序的交付時間。因為它不需要對部署操作進行任何集中協(xié)調(diào)。每個網(wǎng)關設備在打開電源后立即下載軟件。

傳感器消費者

如果軟件應用程序是網(wǎng)關的核心，那么傳感器就是網(wǎng)關的眼睛和耳朵。傳感器是可以測量現(xiàn)實世界某些方面的小型硬件設備。傳感器收集的常見數(shù)據(jù)類型有溫度、GPS坐標、濕度、氣壓等。

網(wǎng)關從傳感器收集的消息通常很小。 例如，傳感器測量的溫度的當前值僅為十進制數(shù)。 GPS坐標是兩個十進制數(shù)字，代表經(jīng)度和緯度。 這是一個需要記住的重要事項：網(wǎng)關對大量的小消息進行操作。

雖然傳感器本身可以經(jīng)常生成消息，但重要的是預測我們真正需要從傳感器收集多少消息。例如，我們可以每毫秒讀取一個傳感器的溫度，但在測量溫度變化時我們真的需要這種精度嗎？在大多數(shù)情況下，每秒讀取傳感器值幾次就足夠了，因為我們對更長時間內(nèi)的度量標準更感興趣。網(wǎng)關軟件通常定期輪詢傳感器數(shù)據(jù)。良好的網(wǎng)關軟件允許您輕松配置每個傳感器的輪詢間隔。您絕對不希望將不必要的傳感器數(shù)據(jù)放入網(wǎng)關，因為過時的消息會占用受限網(wǎng)關設備的寶貴處理能力。

網(wǎng)關數(shù)據(jù)傳輸

通常，網(wǎng)關通過GPS、WiFi或以太網(wǎng)連接到互聯(lián)網(wǎng)。有些網(wǎng)關還可以在GPS和WiFi模式下工作（例如，安裝在移動車輛上的網(wǎng)關）。一般來說，非GPS連接優(yōu)先于發(fā)送數(shù)據(jù)，因為它不需要付費的移動計劃。一些網(wǎng)關將不斷地連接到廉價的本地網(wǎng)絡，但是那些使用GPS連接的網(wǎng)關在發(fā)送到數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)方面應該非常保守。網(wǎng)關應該對它收集的數(shù)據(jù)應用業(yè)務邏輯，以了解哪些消息應該通過昂貴的GPS網(wǎng)絡發(fā)送，哪些數(shù)據(jù)可以緩存在設備上以進行延遲的脫機處理。

總結

網(wǎng)關是每個物聯(lián)網(wǎng)解決方案的關鍵組件。在決定要購買哪種硬件作為網(wǎng)關平臺之前，請花一些時間分析消息和有效負載的數(shù)據(jù)格式，并嘗試在將數(shù)據(jù)從網(wǎng)關發(fā)送到數(shù)據(jù)中心之前過濾或聚合盡可能多的數(shù)據(jù)。此外，雖然為物聯(lián)網(wǎng)解決方案選擇合適的硬件非常重要，但您必須記住，選擇合適的網(wǎng)關軟件和管理基礎設施（如用于管理設備的LWM2M服務器）將對你的總維護成本產(chǎn)生重大影響。