許多低功耗無線接口和協(xié)議(如藍(lán)牙低功耗，ZigBee，Thread等)在智能家庭和智能工業(yè)傳感器網(wǎng)格應(yīng)用中很受歡迎。然而，正如開發(fā)人員發(fā)現(xiàn)的那樣，這些RF協(xié)議是在物聯(lián)網(wǎng)(IoT)成為現(xiàn)實(shí)之前設(shè)計(jì)的，因此通常與互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(IP)IPv4和IPv6的互操作性使得將設(shè)計(jì)連接到物聯(lián)網(wǎng)智能傳感，自動(dòng)化和控制。

　　有關(guān)IP互操作性問題的方法有很多，如轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)包或使用IP兼容的無線接口。第一種選擇效率不高，第二種選擇將設(shè)計(jì)師的選擇縮小到Wi-Fi。

　　本文將重點(diǎn)介紹第三個(gè)選項(xiàng):物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)。這些作為網(wǎng)絡(luò)聚合器，通常具有高級(jí)安全性和多種I / O回程選項(xiàng)。本文將介紹其功能和特點(diǎn)，然后再介紹適合的解決方案以及如何充分利用它們。

　　物聯(lián)網(wǎng)的無線選項(xiàng)

　　盡管缺乏直接的IP互操作性，但許多流行的低功耗無線接口和協(xié)議具有良好的范圍和吞吐量，與其他2.4 GHz技術(shù)共存以及網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)支持。

　　雙向無線連接允許用戶遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制系統(tǒng)，同時(shí)通過強(qiáng)大的基于云的算法分析流程中的數(shù)據(jù)，以優(yōu)化性能，節(jié)約能源或提高生產(chǎn)力。

　　如前所述，有三種方法可以克服低功耗無線協(xié)議缺乏IP互操作性的問題。首先是選擇一個(gè)具有網(wǎng)絡(luò)適配層的協(xié)議，該網(wǎng)絡(luò)適配層對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行“轉(zhuǎn)換”，使其可以通過IPv6網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸。一些制造商通過低功耗無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(6LoWPAN)傳輸層提供藍(lán)牙低功耗，ZigBee，線程和其他RF協(xié)議“堆?！薄Ｍǔ?，這樣的堆棧運(yùn)行良好，但是實(shí)現(xiàn)起來更復(fù)雜，除了要求更多的處理器資源和每個(gè)節(jié)點(diǎn)的功耗。

　　第二種選擇是使用具有本地IP支持的無線協(xié)議。Wi-Fi也許是最好的例子。嚴(yán)格地說，Wi-Fi只定義了堆棧的物理(PHY)，媒體訪問控制(MAC)和邏輯鏈路控制(LLC)層。然而，這種Wi-Fi無處不在的互聯(lián)網(wǎng)連接性，供應(yīng)商通常會(huì)提供基于Wi-Fi低層的完整TCP / IP協(xié)議棧。這種權(quán)衡是Wi-Fi節(jié)點(diǎn)更大，更昂貴，并且需要比競(jìng)爭(zhēng)無線技術(shù)更多的功率，因此不適用于所有應(yīng)用。

　　第三種方法是利用物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)。這些設(shè)備是自包含的單元，包括橋接LAN和IoT之間所需的所有軟件和硬件(圖1)。網(wǎng)關(guān)對(duì)于射頻專業(yè)知識(shí)有限的開發(fā)人員或那些希望將Internet連接添加到傳統(tǒng)低功耗無線網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)人員來說也是一個(gè)很好的選擇。

　　設(shè)計(jì)人員可以從三種選擇中選擇一種將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)連接到物聯(lián)網(wǎng)。此處顯示的第一個(gè)選項(xiàng)介紹了如何將無線節(jié)點(diǎn)鏈接到作為互聯(lián)網(wǎng)橋梁的IoT網(wǎng)關(guān)

　　網(wǎng)關(guān)和路由器的區(qū)別

　　在網(wǎng)關(guān)和路由器之間區(qū)分是非常重要的。路由器是一個(gè)更簡(jiǎn)單的設(shè)備，因?yàn)樗鼮楣蚕硪粋€(gè)公共協(xié)議的節(jié)點(diǎn)提供服務(wù)，并且只需要將通過協(xié)議傳輸?shù)臄?shù)據(jù)中繼到Internet，并以另一種方式回傳。Wi-Fi路由器就是一個(gè)很好的例子。這些設(shè)備在智能手機(jī)和便攜式計(jì)算機(jī)等支持IP的移動(dòng)設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)之間路由數(shù)據(jù)，而無需互動(dòng)。

　　相比之下，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)匯集來自不同無線資源和接口的數(shù)據(jù)，并將它們連接到互聯(lián)網(wǎng)。在某些情況下，網(wǎng)關(guān)與路由器配合使用以簡(jiǎn)化實(shí)施。網(wǎng)關(guān)的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)在于它消除了個(gè)別網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)支持IP以及相關(guān)的復(fù)雜性和成本的需要。

　　網(wǎng)關(guān)可以是簡(jiǎn)單的也可以是復(fù)雜的。一個(gè)簡(jiǎn)單的單元組織并“轉(zhuǎn)換”從節(jié)點(diǎn)收到的數(shù)據(jù)包，以便它們適合通過Internet傳輸。另外，一個(gè)簡(jiǎn)單的網(wǎng)關(guān)可以轉(zhuǎn)換從Internet接收到的數(shù)據(jù)包，并通過網(wǎng)絡(luò)將它們分發(fā)到節(jié)點(diǎn)。

　　更復(fù)雜的網(wǎng)關(guān)不僅可以發(fā)揮這種作用，還可以結(jié)合高級(jí)安全功能以及資源來處理應(yīng)用程序處理的全部或部分(與節(jié)點(diǎn)共享負(fù)載)。該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)點(diǎn)可以更簡(jiǎn)單，更便宜，功耗更低。在包含許多節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)中，集中處理能力的成本要低于在整個(gè)節(jié)點(diǎn)上分配處理能力的成本。更復(fù)雜的網(wǎng)關(guān)還可以確保在Internet訪問中斷時(shí)LAN繼續(xù)運(yùn)行，并且可以在重新建立Internet訪問時(shí)緩存節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)以便傳輸?shù)皆啤?/p>

　　網(wǎng)關(guān)解決方案

　　許多制造商提供商用物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)解決方案。這些設(shè)備通常采用主電源供電單元的形式，可配置為利用各種無線接口，包括選擇低功耗RF協(xié)議。橋接到物聯(lián)網(wǎng)通常通過基于無線IP的廣域網(wǎng)(WAN)接口，如Wi-Fi(或以太網(wǎng)等有線型)。一些更新的設(shè)計(jì)包括通過蜂窩網(wǎng)絡(luò)訪問互聯(lián)網(wǎng)或LoRaWAN等專有WAN技術(shù)。

　　WAN技術(shù)通常采用由Linux等操作系統(tǒng)(OS)控制的重量級(jí)堆棧。為了應(yīng)對(duì)這種固件的計(jì)算需求，商業(yè)IoT網(wǎng)關(guān)配備了功能強(qiáng)大的嵌入式微控制器。

　　更高級(jí)的網(wǎng)關(guān)支持多種網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，例如HSDK，NAT64，PC-BLE-Serialization和LoRaWAN Gateway Bridge，以及Amazon，Microsoft，Ayla和IBM等多種云服務(wù)。這些先進(jìn)的設(shè)備還提供諸如用于安裝應(yīng)用程序的遠(yuǎn)程管理，固件更新和配置更改，終端設(shè)備固件更新以及網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜驮O(shè)備的遠(yuǎn)程管理等功能。

　　Rigado的 Vesta系列物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)是最新一代可配置網(wǎng)關(guān)的典范。該產(chǎn)品是由一個(gè)供電NXP i.MX6 UltraLite的臂?皮質(zhì)?運(yùn)行Yocto Linux操作系統(tǒng)-A7應(yīng)用處理器。本機(jī)支持2.4和5 GHz Wi-Fi(IEEE 802.11a / b / g / n)，藍(lán)牙4.2，低能耗藍(lán)牙和IEEE 802.15.4(包括線程)。該網(wǎng)關(guān)還包括具有IEEE 802.3af以太網(wǎng)供電(PoE)和USB 2.0的以太網(wǎng)。它運(yùn)行4.5到5.5伏電源，或通過PoE連接。根據(jù)Rigado的說法，蜂窩和LoRaWAN擴(kuò)展選項(xiàng)正在開發(fā)中。

　　塞拉利昂無線 FX30的IoT網(wǎng)關(guān)還擁有一個(gè)臂?皮質(zhì)? -A7應(yīng)用處理器，并使用開放源碼的Linux Yocto OS(圖2)?；ヂ?lián)網(wǎng)連接通過蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施(LTE Cat 1)，并且該設(shè)備可以通過IoT連接器擴(kuò)展插槽接受Wi-Fi，藍(lán)牙和ZigBee輸入。標(biāo)準(zhǔn)單元設(shè)計(jì)用于與有線接口(如以太網(wǎng)和USB)一起工作，并且運(yùn)行在4.75至32 V電源下。該器件功耗低，待機(jī)模式下功耗小于1 W，睡眠模式下功耗小于2毫瓦(mW)，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固。它符合MIL-STD-810的振動(dòng)和機(jī)械沖擊，并具有-30°至+ 75°C的工作溫度范圍，這使其成為工業(yè)應(yīng)用的理想選擇。

　　Sierra Wireless的FX30 IoT網(wǎng)關(guān)使用蜂窩技術(shù)連接到互聯(lián)網(wǎng)

　　商業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的第三個(gè)例子來自Laird Technologies。其Sentrius RG1xx系列以LoRaWAN(一種用于互聯(lián)網(wǎng)連接的遠(yuǎn)程低功耗WAN技術(shù))而著稱。該裝置使用Atmel A5嵌入式微處理器并運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)。除LoRaWAN外，該設(shè)備還提供2.4和5 GHz Wi-Fi，藍(lán)牙4.0和藍(lán)牙低功耗無線接口以及一個(gè)以太網(wǎng)接口。由于其遠(yuǎn)程連接性，Sentrius針對(duì)智能電表，工業(yè)自動(dòng)化和農(nóng)業(yè)應(yīng)用。

　　調(diào)試網(wǎng)關(guān)

　　像Rigado，Sierra Wireless和Laird Technologies這樣的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)可以讓設(shè)計(jì)人員將他們的低功耗無線網(wǎng)絡(luò)連接到互聯(lián)網(wǎng)和云服務(wù)，而無需設(shè)計(jì)復(fù)雜的橋接硬件和固件。但是，需要一些開發(fā)工作來確保無縫操作。幸運(yùn)的是，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)制造商通常提供產(chǎn)品，工具和服務(wù)來緩解這一發(fā)展過程。

　　例如，萊爾德的Sentrius設(shè)計(jì)用于連接該公司用于無線傳感器應(yīng)用的RM186 / 191系列LoRaWAN /藍(lán)牙低功耗無線模塊。這些單元將藍(lán)牙低功耗的便利性和智能手機(jī)互操作性與LoRaWAN的擴(kuò)展范圍(高達(dá)15公里)相結(jié)合。Laird提供了一個(gè)開發(fā)套件，DVK-RM186-SM-01，它簡(jiǎn)化了將模塊連接到Sentrius網(wǎng)關(guān)的過程。使用公司的Node-RED開發(fā)環(huán)境和相關(guān)指導(dǎo)原則，流程變得相對(duì)簡(jiǎn)單。

　　Sierra Wireless建議應(yīng)該使用Legato開源Linux平臺(tái)將其FX30 IoT網(wǎng)關(guān)連接到云。Legato具有應(yīng)用程序“沙箱”，為運(yùn)行和控制多個(gè)應(yīng)用程序提供了一個(gè)安全的環(huán)境。該平臺(tái)還提供應(yīng)用程序編程接口(API)，使開發(fā)人員能夠連接到云。

　　對(duì)于需要設(shè)計(jì)高級(jí)網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)人員，Legato提供了基于Eclipse的多語言支持的集成開發(fā)環(huán)境(IDE)和一套診斷工具，以實(shí)現(xiàn)本地和遠(yuǎn)程調(diào)試，故障排除，監(jiān)控和分析。

　　將數(shù)據(jù)發(fā)送到云

　　Rigado利用VG3-23E4-WIB0C0-ASA-DEK IoT開發(fā)套件(包括Vesta Gateway和Nordic Thingy:52藍(lán)牙低功耗開發(fā)套件(圖3))進(jìn)一步簡(jiǎn)化了無線網(wǎng)絡(luò)和云連接。該開發(fā)套件使工程師能夠?qū)⑺{(lán)牙5 /藍(lán)牙低功耗傳感器連接到云端的原型解決方案。使用物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)套件的優(yōu)勢(shì)在于不需要RF經(jīng)驗(yàn)，因?yàn)門hingy:52傳感器已配置為與Vesta Gateway進(jìn)行通信。原型進(jìn)一步簡(jiǎn)化，因?yàn)镽igado的Node-RED開發(fā)環(huán)境包括演示應(yīng)用程序，該應(yīng)用程序通過Vesta Gateway將Thingy:52傳感器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到亞馬遜網(wǎng)絡(luò)服務(wù)(AWS)云服務(wù)。

　　通過Vesta Gateway將北歐Thingy:52的各種傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送到AWS非常簡(jiǎn)單。Vesta首先被配置為Wi-Fi接入點(diǎn)，并通過瀏覽器連接到開發(fā)者的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)。點(diǎn)擊提供的URL啟動(dòng)Node-RED應(yīng)用程序，然后自動(dòng)掃描Nordic Thingy:52，嘗試連接并掃描通用唯一標(biāo)識(shí)符(UUID)。建立連接后，傳感器數(shù)據(jù)將從Nordic Thingy:52讀取并發(fā)送到AWS和Node-RED應(yīng)用程序儀表板。在儀表板中，開發(fā)人員可以進(jìn)行更改以過濾傳輸?shù)男畔⒁约鞍l(fā)送頻率。

　　Node-RED開發(fā)環(huán)境還為經(jīng)驗(yàn)豐富的開發(fā)人員提供了一種創(chuàng)建基于瀏覽器的工作流以連接硬件設(shè)備，應(yīng)用程序編程接口(API)和云服務(wù)的簡(jiǎn)單方法。

　　通過物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)將傳感器網(wǎng)絡(luò)連接到云端可以增加系統(tǒng)的實(shí)用性。云服務(wù)提供商通常提供基礎(chǔ)架構(gòu)來處理傳感器的原始數(shù)據(jù)，操作和分析數(shù)據(jù)，并呈現(xiàn)有用的信息或從中得出的反饋。

　　例如，當(dāng)使用AWS云系統(tǒng)時(shí)，Vesta Gateway與AWS的API網(wǎng)關(guān)接口(圖4)。使用API網(wǎng)關(guān)，開發(fā)人員可以創(chuàng)建，配置和托管API以允許Vesta Gateway應(yīng)用程序訪問云。例如，應(yīng)用程序可以使用API從Nordic Thingy:52的內(nèi)置傳感器上傳溫度和濕度數(shù)據(jù)。原始數(shù)據(jù)可以存儲(chǔ)在Amazon S3“存儲(chǔ)桶”或Amazon DynamoDB數(shù)據(jù)庫服務(wù)中。

　　Vesta Gateway利用亞馬遜的AWS云服務(wù)來收集數(shù)據(jù)并運(yùn)行任何相關(guān)的代碼

　　AWS的另一個(gè)元素AWS Lambda提供了一種計(jì)算服務(wù)，使開發(fā)人員無需配置或管理服務(wù)器即可運(yùn)行基于云的代碼。AWS Lambda支持Node.js，Java，C#和Python。

　　例如，開發(fā)人員可以使用AWS Lambda上運(yùn)行的代碼，通過Nordic Thingy:52發(fā)送的原始數(shù)據(jù)來通知一天，一周和一個(gè)月的溫度和濕度極值以及平均值。

　　將AWS Lambda配置為響應(yīng)觸發(fā)事件(例如存儲(chǔ)區(qū)或數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的特定更改)來運(yùn)行代碼相對(duì)比較簡(jiǎn)單。例如，如果溫度或濕度超過設(shè)定的閾值，開發(fā)人員可能會(huì)選擇運(yùn)行向智能手機(jī)發(fā)送通知的代碼。

　　一旦成型完成后，Rigado家族北歐的基于半導(dǎo)體的模塊藍(lán)牙5 /藍(lán)牙低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用可以取代北歐啄:52以產(chǎn)生用于生產(chǎn)成品設(shè)計(jì)。

　　結(jié)論

　　云連接對(duì)于最大限度地發(fā)揮智能無線技術(shù)的優(yōu)勢(shì)至關(guān)重要，但由于流行的低功耗無線協(xié)議與IP之間缺乏互操作性，它仍然是一項(xiàng)艱巨的技術(shù)挑戰(zhàn)。一個(gè)方便快捷的解決方案是采用IoT網(wǎng)關(guān)，這是一種將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與云相連，并且設(shè)計(jì)開銷最小的嵌入式設(shè)備。