close
当前位置: 北京赛车软件平刷王 > 物联网设计开发 > 技术文章 >

使用网关克服低功耗无线 LAN-IoT 连接难题

许多低功耗无线接口和协议,如低功耗蓝牙、ZigBee、Thread 等,在智能家庭和智能工业传感器网状应用中很常见。但是,开发人员发现,这些射频协议设计于北京赛车软件平刷王 (IoT) 出现之前,因此通常缺乏与互联网协议 (IP) IPv4IPv6 的互操作性,从而使得将相关设计与 IoT 连接以实现智能传感、自动化和控制的目标充满挑战。
IP 互操作性问题有多种途径可以解决,如转换数据包或使用 IP 兼容的无线接口。第一种选择效率较低,第二种方式又缩小了设计师的 Wi-Fi 选择范围。
本文将专门介绍第三种方式: IoT 网关。它们可用作网络聚合器,并且通常具有先进的安全性和多种 I/O 回程选择。本文将描述其功能和特征,再介绍适当的解决方案以及如何最大程度发挥其作用。

IoT 的无线选择

尽管缺乏直接的 IP 互操作性,许多流行的低功耗无线接口和协议具有良好的范围和吞吐量、与其他 2.4 GHz 技术的共存性以及网状网络支持特性。(参见 Digi-Key 文章“低功耗无线技术的比较。”)
双向无线连接能让用户远程监视并控制系统,同时能通过基于云的强大算法对过程数据进行分析,以实现优化性能、节能或提高生产率等目标。
如前所述,有三种方式可以克服低功耗无线协议缺乏 IP 互操作性的问题。首先是选择具有网络适配层的协议,该层可“转换”数据包,使其能通过 IPv6 网络输送。有的制造商提供低功耗蓝牙、ZigBee、Thread 和包括基于 IPv6 的低功耗无线个人局域网 (6LoWPAN) 传输层的其他射频协议“栈”。通常,这些协议栈可以正常工作,但实施起来更加复杂,并且各节点需要更多的处理器资源和功耗。
第二个选项是使用具有本地 IP 支持的无线协议。Wi-Fi 可能是最佳示例。严格来讲,Wi-Fi 仅定义了协议栈的物理 (PHY) 层、介质访问控制 (MAC) 层和逻辑链路控制 (LLC) 层。但是,互联网 Wi-Fi 连接无处不在,供应商通常提供基于 Wi-Fi 较低层的完整 TCP/IP 协议栈。代价则是 Wi-Fi 节点更大、更昂贵,并且比形成竞争的其他无线技术功率更高,因此不适合于所有应用。
第三个方法是利用 IoT 网关。这些设备属于自足式装置,包括弥合 LAN 和 IoT 之间差距所需的所有软件和硬件(图 1)。对于射频专业知识有限的开发人员,或者希望在传统的低功耗无线网络中增加互联网连接性的人员,网关也是不错的选择。
将无线传感器网络连接至 IoT 的三种方案图
图 1: 设计师能从无线传感器网络与 IoT 连接的三种方案中选择。此处显示的第一个选择描述了如何将无线节点连接到 IoT 网关,从而将其作为中继连接至互联网。(图片来源: Texas Instruments)

网关和路由器之间的差异

网关与路由器有必要加以区分。路由器是一种更简单的设备,它为节点服务,共享共同的协议,并且需要单独将通过该协议传输的数据传递至互联网,以及从互联网接回。Wi-Fi 路由器是一个不错的例子;这些设备在启用 IP 的移动设备(如智能手机和便携式计算机)和互联网之间路由数据,但没有交互。
与之相对,IoT 网关整合了来自不同无线来源和接口的数据,并将其连接到互联网。某些情况下,网关与路由器配合使用,以方便实施。网关的主要优势在于不需要各自独立的网络节点,从而凭借其相关复杂度和成本特性支持 IP。
网关可以简单,也可以复杂。简单的装置组织和“转换”节点收到的数据包,使其适合于在互联网上传输。并且,简单的网关可转换从互联网收到的数据包,并将其分布到网络中的各节点。
更复杂的网关不仅有此功能,还具有高级安全特性和处理全部或部分(与节点共享负载)应用过程的资源。该系统的优点是节点更简单、更便宜,并且功耗更低。在有许多节点的系统中,将处理功耗集中在网关比将其分布到所有节点的成本更低。更复杂的网关还能确保 LAN 在互联网访问中断时继续工作,并且能缓冲节点数据,以便在重新建立互联网访问时进行云传输。

网关解决方案

许多制造商提供商业 IoT 网关解决方案。设备通常为市电供电装置,可配置成使用各种无线接口,包括选择低功耗射频协议。通常,连接 IoT 是通过 Wi-Fi 等基于 IP 的无线广域网 (WAN) 接口(或者以太网等有线类型)。有些更加新的设计包括通过蜂窝网络或专有 WAN 技术(如 LoRaWAN)进行互联网访问。
WAN 技术通常采用诸如 Linux 等操作系统 (OS) 控制的重量级协议栈。为了应对此类固件的计算需求,商业 IoT 网关配备有强大的嵌入式微控制器。
更先进的网关支持多个网络平台,例如 HSDK、NAT64、PC-BLE-Serialization 和 LoRaWAN Gateway Bridge,以及多种云服务,如 Amazon、Microsoft、Ayla 和 IBM 的云服务。这些先进装置还具有诸如应用程序安装远程管理、固件更新和配置更改、终端设备固件更新以及网状网络拓扑和设备的远程管理等特性。
Rigado 的 Vesta 系列 IoT 网关是最新一代可配置网关的很好例子。该产品由运行 Yocto Linux OS 的 NXP i.MX6 UltraLite Arm® Cortex®-A7 应用程序处理器提供支持。该装置支持 2.4 和 5 GHz Wi-Fi (IEEE 802.11a/b/g/n)、蓝牙 4.2、低功耗蓝牙和 IEEE 802.15.4(包括 Thread)。网关还支持采用 IEEE 802.3af 以太网供电 (PoE) 和 USB 2.0 的以太网。网关需要 4.5 至 5.5 V 电源或通过 PoE 连接运行。根据 Rigado 的介绍,即将提供蜂窝和 LoRaWAN 扩展选项。
Sierra Wireless 的 FX30 IoT 网关还具有 Arm® Cortex®-A7 应用程序处理器,并采用开源 Yocto Linux OS(图 2)?;チ油ü湮鸦∩枋?(LTE Cat 1) 实现,并且该装置能接收 IoT 接头扩展槽的 Wi-Fi、蓝牙和 ZigBee 输入。标准装置设计为采用有线接口,如仅限以太网和 USB,需要 4.75 至 32 V 电源。该装置的低功耗引人注目,待机模式耗电不到 1 W,休眠模式仅 2 毫瓦 (mW),并且坚固耐用。装置符合 MIL-STD-810 的振动和机械冲击要求,工作温度范围从 -30° 至 +75°C,是工业应用的良好选择。
Sierra Wireless 的 FX30 IoT 网关图
图 2: Sierra Wireless 的 FX30 IoT 网关采用蜂窝技术连接到互联网。(图片来源: Sierra Wireless)
商业 IoT 网关的第三个例子来自 Laird Technologies。其 Sentrius RG1xx 系列因采用 LoRaWAN(一种互联网连接的长距离低功耗 WAN 技术)而出名。该装置采用 Atmel A5 嵌入式微处理器,运行 Linux OS。除了 LoRaWAN,装置还提供 2.4 和 5 GHz Wi-Fi、蓝牙 4.0 和低功耗蓝牙接口以及以太网接口。由于采用长距离连接,Sentrius 十分适合智能电表、工业自动化和农业应用。

调试网关

诸如 Rigado、Sierra Wireless 和 Laird Technologies 等 IoT 网关能让设计师将其低功耗无线网络连接到互联网和云服务,无需设计复杂的连接硬件和固件。但是,需要进行一些开发工作,以确保无缝操作。幸运的是,IoT 网关制造商通常提供便于此开发过程的产品、工具和服务。
例如,Laird 的 Sentrius 专门设计为针对无线传感器应用连接该公司的 RM186/191 系列 LoRaWAN/低功耗蓝牙无线???/u>。这些装置结合了便利性和低功耗蓝牙的智能手机互操作性,LoRaWAN 扩展范围高达 15 km。Laird 提供开发套件 DVK-RM186-SM-01,可简化将??榱拥?Sentrius 网关的过程。利用该公司的 Node-RED 开发环境和相关指南,该过程变得较为直接明了。
Sierra Wireless 建议使用 Legato 开源 Linux 平台将其 FX30 IoT 网关连接到云。Legato 带有应用“沙盒”,为运行和控制多个应用程序提供安全的环境。该平台还提供应用程序编程接口 (API),使开发人员可以连接到云。
对于需要设计高级网络的开发人员,Legato 提供带有多语言支持的基于 Eclipse 的集成开发环境 (IDE),以及一套诊断工具,以启动本地和远程调试、故障排除、监控和分析。

发送数据至云

Rigado 已通过其 VG3-23E4-WIB0C0-ASA-DEK IoT 开发套件进一步简化了无线网络和云连接,包括 Vesta Gateway 和 Nordic Thingy:52 低功耗蓝牙开发套件(图 3)。该开发套件允许工程师设计连接蓝牙 5/低功耗蓝牙传感器与云的原型解决方案。使用 IoT 开发套件的优点在于无需射频经验,因为 Thingy:52 传感器已配置为与 Vesta Gateway 通信。由于 Rigado 的 Node-RED 开发环境包括演示应用程序,可将 Thingy:52 传感器的数据通过 Vesta Gateway 转发至 Amazon Web Services (AWS) 云服务,原型设计得到进一步简化。
Rigado 的 VG3-23E4-WIB0C0-ASA-DEK IoT 开发套件图
图 3: Rigado 的 VG3-23E4-WIB0C0-ASA-DEK IoT 开发套件包括 Vesta Gateway 和 Nordic Semiconductor 的 Nordic Thingy:52 IoT 开发套件。Rigado 的 Node-RED 开发环境可简化网关配置。(图片来源: Rigado)
通过 Vesta Gateway 将 Nordic Thingy:52 各传感器数据发送至 AWS 的方式直接明了。Vesta 首先配置为 Wi-Fi 接入点并通过浏览器连接至开发人员的 Wi-Fi 网络。单击提供的 URL 可启动 Node-RED 应用程序,该程序随后自动扫描 Nordic Thingy:52,尝试连接并扫描通用唯一标识符 (UUID)。建立连接后,从 Nordic Thingy:52 读取传感器数据,并发送至 AWS 和 Node-RED 应用程序仪表板??⑷嗽笨赏ü潜戆褰懈?,以筛选要传输的信息、以及发送频率。
Node-RED 开发环境还为经验丰富的开发人员提供简便方式,以创建基于浏览器的工作流来连接硬件设备、应用程序编程接口 (API) 和云服务。
通过 IoT 网关将传感器网络连接至云可成倍提高系统的利用率。云服务提供商通常提供基础设施,以处理传感器原始数据、控制和分析数据并从中提供有用信息或反馈。
例如,在使用 AWS 云系统时,Vesta Gateway 连接 AWS 的 API 网关(图 4)。通过 API 网关,开发人员可以创建、配置并托管 API,以便 Vesta Gateway 应用程序接入云。例如,应用程序可以使用 API 上传来自 Nordic Thingy:52 内置传感器的温度和湿度数据。然后,原始数据可以存储在 Amazon S3“存储桶”或 Amazon DynamoDB 数据库服务中。
Vesta Gateway 使用 Amazon AWS 云服务的示意图
图 4: Vesta Gateway 利用 Amazon 的 AWS 云服务收集数据,并运行所有相关代码。(图片来源: Rigado。)
AWS 的另一部分 AWS Lambda 可提供计算服务,允许开发人员运行基于云的代码,无需准备或管理服务器。AWS Lambda 支持 Node.js、Java、C# 和 Python。
例如,开发人员可以使用 AWS Lambda 上运行的代码利用 Nordic Thingy:52 发送的原始数据通告温度和湿度极端值和每日、每周及每月均值。
配置 AWS Lambda 在响应触发事件时运行代码相对直接,如对存储桶或数据库中数据进行特定更改。例如,开发人员可选择运行一组代码,以在温度或湿度超过设定阈值时向智能手机发送通知。
原型设计完成后,可使用 Rigado 基于半导体的 Nordic ??橄盗校ㄓ糜诶堆?5/蓝牙低功耗无线传感器网络应用)替代 Nordic Thingy:52<x><x>,以形成最终的生产设计。

总结

云连接对于最大程度利用智能无线技术的益处至关重要,然而由于主流低功耗无线协议和 IP 之间缺少互操作性,仍然存在严峻的技术挑战。应用 IoT 网关是一种方便快捷的解决方案,这种嵌入式设备能以最小的设计开销将无线传感器网络连接到云端。

(责任编辑:ioter)

用户喜欢...

凌华科技发表精巧坚固型物联网网关控制器

北京赛车软件平刷王 www.64tda.net 全球领先的边缘计算解决方案提供商 -- 凌华科技今天发布高稳定可靠性的MXE-210系列,适用于工业物联网应用的嵌...


可扩展的网关解决方案:物联网迁移变得更容易

机器和系统提供商需要一个灵活且可扩展的迁移路径来开发他们的物联网产品。如果他们能够访问按需扩展的应用就绪平台,并且既可以集成现有的传感器系统,又可以支持新的解决方案,这是...


Arm推出MbedEdge延伸Mbed Cloud设备管理能力到物联网边缘

Arm宣布推出MbedEdge,进一步拓展Mbed Cloud的设备管理能力,在边缘侧,即物联网网关上实现设备的接入、控制和管理。...


QORVO 和Ayla Networks联手开发基于ZigBee的物联网网关

创新RF解决方案领先供应商Qorvo(纳斯达克代码:QRVO)和面向制造商的全球物联网(IoT)平台Ayla Networks今日宣布,两...


支持和Web服务器通信的物联网网关

支持和Web服务器通信的物联网网关 概述 随着物联网的发展,越来越多的设备需要连接到云端。其中的设备有各类仪表、工业设备、采集设备、传感器,这些设备都以串口(RS232、RS485)居多,...


小巧物联网网关轻松实现智能家居

在前两年还让人“雾里看花”的物联网(IoT),其面貌开始在一般消费者眼中变得清晰;其重要应用之一是实现与大众生...


恩智浦i.MX6 ??榛锪夭慰忌杓?/span>

特性 基于i.MX6的MPU以最低功耗提供最佳应用性能 借助Thread、Zigbee和BLE网格(即将推出)实现稳定耐用且安全的大型节点网络连接 使用以太网和WiFi等连接选件与云连接 NFC无功率调试...


RS与Arduino达成有关IOT2020物联网网关的协议,以针对学生和创客圈市场

Siemens制造的创新物联网网关现在可在Arduino商店购得,可轻松学习工业物联网的相关知识RS Components (RS)宣布store.Ardui...


Gooee公布了全球首款利用照明传感的企业级物联网网关

连接OEM与物联网的智能照明生态系统供应商Gooee在硅谷研发了通过照明和传感设备连接云平台的多协议企业级物联网网...


四大案例让你了解最先进的物联网网关解决方案

集成最新的技术和现有的基础架构,以充分地利用云连接和物联网数据管理和分析。...


16| 231| 743| 559| 964| 437| 653| 829| 370| 665|