无线传感器网络 zigbee 物联网扫盲篇——物联网网关

发布时间：2024-10-07 02:10:03

物联网扫盲篇——物联网网关

物联网网关在物联网项目中扮演着怎样的角色？什么情况下的物联网项目里，才需要物联网网关呢？这篇文章里，作者尝试从物联网网关的作用、种类和选择等维度做了拆解分析，一起来看看，或许可以帮你了解物联网网关所真正扮演的“角色”。

在物联网项目中，物联网网关作为一个关键组件经常被提及。那么，物联网网关究竟扮演着怎样的角色？它具备哪些核心功能？同时，我们也注意到，并非所有物联网设备都需要网关。那么，我们究竟在何种情况下需要物联网网关呢？

首先，什么是物联网网关？

物联网网关类似我们常见的路由器，具有网络接入能力，但是功能比较简单，通讯速率要求不高，看重移动网络接入能力一般只是做数据透传使用，将物联网的数据转发到服务器上，做进一步分析和处理网关是物联网非常重要的组件，是传感层与网络层连接的纽带。

一、物联网网关扮演的角色

聊到物联网网关，必须先要了解网关在物联网中的应用和物联网架构。

其实物联网的架构之前也有讲到过，主要由感知层、网络层、平台层、应用层构成。 感知层可以主要由基础芯片、执行器、传感器等组成。

传感器根据根据应用场景，功能非常丰富。如我之前做的项目，主要是环保类的。包含了温湿度，压力，S02浓度、粉尘浓度、流量、O2含量等等，针对不同的项目需求可以配置不同的传感器。

传感器收集的数据通常需要传输到物联网平台以进行深度的大数据分析和可视化展示。在实际操作中，根据项目需求与用户网络环境，数据可以通过4G/5G、WIFI或局域网等多种方式上传至物联网平台。

然而，若每个传感器都配置4G/5G或WIFI功能，成本会相对较高。为了降低成本，在特定项目中，可能会选择有线连接或采用LORA、Zigbee等无线技术来满足区域内传感器的部署需求，并最终将数据传输至平台。

在这一背景下，物联网网关设备发挥着关键作用。以智能家居为例，我们可能会部署烟感、温湿度传感器、人体雷达和门禁报警等多种设备。这些设备可以利用Zigbee等无线传输技术在房屋内部进行数据传输，通过一个Zigbee网关进行集中管理和汇聚。随后，网关再通过WIFI或有线网口与外部网络连接，将收集到的数据传输至物联网平台，以便进行进一步的分析和应用。这种方式不仅降低了成本，还提高了数据传输的效率和可靠性。

二、物联网网关的作用

在一些智能办公，智能园区的项目中，我们可能采用lora或者有线的方式，连接各种有线，无线传感器，再通过物联网网关进行数据的汇聚上传到平台。那么为什么很多物联网项目中又没有网关呢？比如我们要监测一个城市范围内的气象信息，市政水位信息，工地扬尘等。这些监控点位跨度大，覆盖分散，一般直接采用NB-IoT，5G等方式直接回传数据，无线经过网关中转。综上所述，物联网网关的应用主要考虑以下几个方面。1）协议转换和标准化 在物联网生态系统中，众多设备和传感器协同工作，这些设备可能采用不同的通信协议和标准。为了确保这些数据的顺畅流通和统一处理，物联网网关扮演着至关重要的角色。它具备强大的协议转换功能，能够将来自不同设备的数据进行转换，使其能够被统一处理和管理。通过这种方式，物联网网关促进了设备之间的互操作性，为物联网系统的稳定运行提供了有力保障。

2）数据聚合和处理

物联网网关可以收集来自多个设备和传感器的数据，进行聚合和处理。这有助于减少数据传输量，优化网络使用，并在本地对数据进行初步的处理和分析，降低云端处理的负担。

3）本地决策和响应

物联网网关不仅扮演着数据转换与统一处理的关键角色，更具备在本地执行决策的能力。这意味着，物联网网关可以根据实时设备状态和传感器数据，迅速作出相应的措施，而无需等待云端的指令。这种本地决策执行的特性不仅大幅提升了响应速度，还显著降低了对云服务的依赖，增强了系统的可靠性和自主性。在智能家居、工业自动化等场景中，物联网网关的这一功能尤为关键，它确保了系统在各种情况下的快速响应和稳定运行。

4）存储能力

网关中需要存储的信息分为两部分。

网关和设备的配置信息。存储这些信息是为了设备在运行过程中能够快速读取。物联网设备上传的，经了协议转换之后的通用格式的数据。这些数据是临时存储，避免网络故障等原因导致设备数据丢失。

既然涉及到数据的存储与传输，那么不得不提的就是数据安全的问题。物联网网关需要做好以下的数据安全方面的事情：

完善的本地身份认证机制，防止网关设备被恶意修改配置或数据。数据的加密传输能力。支持专用传输通道，例如VPN或者运营商的专网接入。

其他基础能力：网关还需要提供其他的配置管理的基础能力，包括但不限于设备管理、配置管理、在线升级等功能。

以上的这些是网关的传统功能。但是在现在这个”智能“时代，我们越来越看重设备的智能性，因此一个趋势就是越来越强调物联网网关的数据分析处理的能力。这个也就是我们经常听到的”边缘计算“。

我们知道，物联网的一大特性就是海量的接入设备。这就导致海量的数据涌入云平台。一方面这些数据会占用大量的网络带宽，另一方面对云平台的计算能力提出了很大的挑战。

另外，有一些原始数据是比较私密或敏感的，比如家庭摄像头拍摄的影像数据、工业场景中的一些数据。我们不希望这些原始数据被上传到云平台。

因此，目前的物联网中，在逐步尝试将原本在云平台上的计算任务，放到靠近数据原产地的设备上完成。这个过程称为将计算能力下沉到边缘设备，也称为边缘计算。

但是，很大物联网设备由于计算能力、能耗等的限制，是无法承担这些任务的，因此一个最轻量的解决方案就是在物联网网关中完成这些计算任务。

整个边缘计算的实现，还是基于分层的思路。在物联网网关中，完成初步的数据处理，或者需要快速响应的计算任务。云平台则负责大规模数据和复杂计算的任务，以及整体的协调控制。

三、网关的种类及选择

第1种，数据透传网关，简称DTU，仅支持数据透传功能，有一路或两路串口，可以直接应用于大部分的物联网场景，不过数据采集和自动控制都在服务器上实现，对服务器压力较大，适合单一或小型项目，并发量上不去。

第2种，数据采集网关，自带协议库，支持常见工业设备主要应用在工业互联网场景，可以采集PLC，DCS等设备

第3种，边缘计算网关，CPU和内存比较大，使用Linux操作系统，支持二次开发，要求使用者有一定的软件开发能力。

那么我们该如何选择物联网网关呢？

个人的经验：

1）先看功能，看功能是否满足你现有业务应用场景。

目前现在大部分的物联网项目还是数据透传模式，只需要透传功能，那么我们使用普通的DTU就行。如果设备比较多，并发量大，那么我们就需要有数据解析功能的网关，这样服务器只需要存储数据，压力会小很多。如果需要在现场做实时的自动控制，或者实现更高级的功能，那么我们就只能使用边缘计算网关了

2）看价格，现在的网关价格大多在800-2000不等，DTU则更加的便宜。具体对比可以通过某宝或者百度进行筛选对比一下

小结

物联网网关的作用就是设备和云平台之间的桥梁。我们可以把互联网网关放在网络环境（例如WiFi，4G）比较好的环境中。其他的物联网设备则采用LoRa等通信计算连接到物联网网关上，从而间接地实现设备的联网。

物联网网关主要具备四种能力：

协议转换和标准化、数据聚合和处理、本地决策和响应、存储能力。

选取物联网网关主要是先看功能再看价格。

目前的物联网中，在逐步尝试将原本在云平台上的计算任务，放到靠近数据原产地的设备上完成。这个过程称为将计算能力下沉到边缘设备，也称为边缘计算。

边缘计算的能力，对网关提出了新的要求…

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什么是无线通信模块？常用的物联网无线模块介绍

物联网（IoT）是指通过互联网连接各种物理设备、车辆、家庭用品以及其他嵌入式有传感器、软件和网络连接功能的物品，使这些物品能够收集和交换数据。无线模块是实现这一概念的关键组件，它们是硬件设备，可以连接到任何计算设备并通过它们与外部环境互动。常用的无线通信模块包括Wi-Fi模块、蓝牙模块、LoRa模块、ZigBee模块等。

LoRa模块

LoRa是一种低功耗、长距离的无线通信技术，它适用于物联网设备间的远距离通信。LoRa模块常用于智能农业、智能城市、能源管理等领域。例如，在智能农业中，LoRa模块可以用于土壤湿度监测、作物生长监测等应用，通过长距离无线通信将数据传输到中央控制系统。

ZigBee模块

ZigBee是一种基于IEEE 802.15.4标准的高级通信协议的无线通信技术，ZigBee模块具有低功耗、低成本、低数据速率和短距离通信的特点。适用于需要长时间运行且不依赖于外部电源的应用场景，例如传感器网络、家庭自动化和工业控制等。

蓝牙模块

蓝牙是一种短距离无线通信技术，它主要用于设备之间的点对点通信。蓝牙模块通常用于智能穿戴设备、手机外围设备、汽车内部通信等场景。例如，智能手表通过蓝牙与手机连接，可以接收电话、短信和应用程序的提醒。

Wi-Fi模块

Wi-Fi是一种无线局域网技术，它可以提供高速的网络连接，使得设备能够访问互联网并与其它设备通信。Wi-Fi模块将串口或TTL电平转为符合Wi-Fi无线网络通信标准的嵌入式模块，内置无线网络协议IEEE802.11b.g.n协议栈以及TCP/IP协议栈。传统的硬件设备嵌入Wi-Fi模块可以直接利用Wi-Fi联入互联网，Wi-Fi模块广泛应用于智能家居、智能办公、工业控制等领域。

4G和5G模块

采用4G和5G移动网络技术的通信模块，4G和5G模块都是为了适应不同层次的移动通信需求而设计的。4G模块具有通信速度快、网络频谱宽、通信灵活等特点，常用于需要较高数据传输速率和较广覆盖范围的场景，如车联网、移动办公等。5G模块在4G的基础上提供了更高的数据速率、更大的连接数以及更低的时延，在自动驾驶、远程医疗等新兴领域展现出巨大的潜力。

NB模块

NB模块是使用NB-IoT（Narrowband Internet of Things）技术的通信模块。NB模块与GSM网络有良好的兼容性，可在现有的移动通信网络基础上进行部署。相比于传统的蜂窝网络技术，NB-IoT具有更好的穿透能力和覆盖范围，特别适合于智能电表、智能停车、环境监测等需要大范围覆盖但数据量不大的应用。

在选择通信模块时，需要考虑以下几个关键因素：

兼容性： 模块需要与设备其余部分兼容，包括软件和硬件。

能耗： 尤其是对于依赖电池的设备，选择低功耗模块至关重要。

尺寸和形状： 模块的大小和形状应该适合最终产品的设计。

性能： 模块的处理速度、存储能力和通信范围应满足设备的需求。

成本： 整个产品的成本预算内应包含模块的费用。

环境适应性： 模块应能适应设备可能面临的温度、湿度和其他环境条件。

无线模块是物联网的重要组成部分，它们为设备提供了与外界连接的能力，使得设备能够发送和接收数据。了解这些模块的功能和应用，可以帮助我们更好地设计和实现物联网解决方案，以应对各种挑战和需求。

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