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使用网关克服低功耗无线局域网到物联网桥接的挑战

许多低功耗无线接口和协议(如蓝牙低功耗,ZigBee,Thread等)在智能家庭和智能工业传感器网格应用中很受欢迎。然而,正如开发人员发现的那样,这些RF协议是在北京赛车软件平刷王(IoT)成为现实之前设计的,因此通常与互联网协议(IP)IPv4IPv6的互操作性使得将设计连接到物联网智能传感,自动化和控制。
有关IP互操作性问题的方法有很多,如转换数据包或使用IP兼容的无线接口。第一种选择效率不高,第二种选择将设计师的选择缩小到Wi-Fi。
本文将重点介绍第三个选项:物联网网关。这些作为网络聚合器,通常具有高级安全性和多种I / O回程选项。本文将介绍其功能和特点,然后再介绍适合的解决方案以及如何充分利用它们。

物联网的无线选项

尽管缺乏直接的IP互操作性,但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技术共存以及网状网络支持。(请参阅Digi-Key的文章“ 比较低功耗无线技术”。)
双向无线连接允许用户远程监视和控制系统,同时通过强大的基于云的算法分析流程中的数据,以优化性能,节约能源或提高生产力。
如前所述,有三种方法可以克服低功耗无线协议缺乏IP互操作性的问题。首先是选择一个具有网络适配层的协议,该网络适配层对数据包进行“转换”,使其可以通过IPv6网络进行传输。一些制造商通过低功耗无线个人区域网络(6LoWPAN)传输层提供蓝牙低功耗,ZigBee,线程和其他RF协议“堆栈”。通常,这样的堆栈运行良好,但是实现起来更复杂,除了要求更多的处理器资源和每个节点的功耗。
第二种选择是使用具有本地IP支持的无线协议。Wi-Fi也许是最好的例子。严格地说,Wi-Fi只定义了堆栈的物理(PHY),媒体访问控制(MAC)和逻辑链路控制(LLC)层。然而,这种Wi-Fi无处不在的互联网连接性,供应商通?;崽峁┗赪i-Fi低层的完整TCP / IP协议栈。这种权衡是Wi-Fi节点更大,更昂贵,并且需要比竞争无线技术更多的功率,因此不适用于所有应用。
第三种方法是利用物联网网关。这些设备是自包含的单元,包括桥接LAN和IoT之间所需的所有软件和硬件(图1)。网关对于射频专业知识有限的开发人员或那些希望将Internet连接添加到传统低功耗无线网络的开发人员来说也是一个很好的选择。
将无线传感器网络连接到物联网的三种备选方案的示意图
图1:设计人员可以从三种选择中选择一种将无线传感器网络连接到物联网。此处显示的第一个选项介绍了如何将无线节点链接到作为互联网桥梁的IoT网关。(图片来源:德州仪器

网关和路由器的区别

在网关和路由器之间区分是非常重要的。路由器是一个更简单的设备,因为它为共享一个公共协议的节点提供服务,并且只需要将通过协议传输的数据中继到Internet,并以另一种方式回传。Wi-Fi路由器就是一个很好的例子。这些设备在智能手机和便携式计算机等支持IP的移动设备与互联网之间路由数据,而无需互动。
相比之下,物联网网关汇集来自不同无线资源和接口的数据,并将它们连接到互联网。在某些情况下,网关与路由器配合使用以简化实施。网关的关键优势在于它消除了个别网络节点支持IP以及相关的复杂性和成本的需要。
网关可以是简单的也可以是复杂的。一个简单的单元组织并“转换”从节点收到的数据包,以便它们适合通过Internet传输。另外,一个简单的网关可以转换从Internet接收到的数据包,并通过网络将它们分发到节点。
更复杂的网关不仅可以发挥这种作用,还可以结合高级安全功能以及资源来处理应用程序处理的全部或部分(与节点共享负载)。该系统的优点是节点可以更简单,更便宜,功耗更低。在包含许多节点的系统中,集中处理能力的成本要低于在整个节点上分配处理能力的成本。更复杂的网关还可以确保在Internet访问中断时LAN继续运行,并且可以在重新建立Internet访问时缓存节点数据以便传输到云。

网关解决方案

许多制造商提供商用物联网网关解决方案。这些设备通常采用主电源供电单元的形式,可配置为利用各种无线接口,包括选择低功耗RF协议。桥接到物联网通常通过基于无线IP的广域网(WAN)接口,如Wi-Fi(或以太网等有线型)。一些更新的设计包括通过蜂窝网络访问互联网或LoRaWAN等专有WAN技术。
WAN技术通常采用由Linux等操作系统(OS)控制的重量级堆栈。为了应对这种固件的计算需求,商业IoT网关配备了功能强大的嵌入式微控制器。
更高级的网关支持多种网络平台,例如HSDK,NAT64,PC-BLE-Serialization和LoRaWAN Gateway Bridge,以及Amazon,Microsoft,Ayla和IBM等多种云服务。这些先进的设备还提供诸如用于安装应用程序的远程管理,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功能。
Rigado的 Vesta系列物联网网关是最新一代可配置网关的典范。该产品是由一个供电NXP i.MX6 UltraLite的臂®皮质®运行Yocto Linux操作系统-A7应用处理器。本机支持2.4和5 GHz Wi-Fi(IEEE 802.11a / b / g / n),蓝牙4.2,低能耗蓝牙和IEEE 802.15.4(包括线程)。该网关还包括具有IEEE 802.3af以太网供电(PoE)和USB 2.0的以太网。它运行4.5到5.5伏电源,或通过PoE连接。根据Rigado的说法,蜂窝和LoRaWAN扩展选项正在开发中。
塞拉利昂无线 FX30的IoT网关还拥有一个臂®皮质® -A7应用处理器,并使用开放源码的Linux Yocto OS(图2)?;チ油ü湮鸦∩枋?a href='//www.64tda.net/net/LTE/' target='_blank'>LTE Cat 1),并且该设备可以通过IoT连接器扩展插槽接受Wi-Fi,蓝牙和ZigBee输入。标准单元设计用于与有线接口(如以太网和USB)一起工作,并且运行在4.75至32 V电源下。该器件功耗低,待机模式下功耗小于1 W,睡眠模式下功耗小于2毫瓦(mW),结构坚固。它符合MIL-STD-810的振动和机械冲击,并具有-30°至+ 75°C的工作温度范围,这使其成为工业应用的理想选择。
Sierra Wireless'FX30 IoT网关的图片
图2:Sierra Wireless的FX30 IoT网关使用蜂窝技术连接到互联网。(图片来源:Sierra Wireless)
商业物联网网关的第三个例子来自Laird Technologies。其Sentrius RG1xx系列以LoRaWAN(一种用于互联网连接的远程低功耗WAN技术)而着称。该装置使用Atmel A5嵌入式微处理器并运行Linux操作系统。除LoRaWAN外,该设备还提供2.4和5 GHz Wi-Fi,蓝牙4.0和蓝牙低功耗无线接口以及一个以太网接口。由于其远程连接性,Sentrius针对智能电表,工业自动化和农业应用。

调试网关

像Rigado,Sierra Wireless和Laird Technologies这样的物联网网关可以让设计人员将他们的低功耗无线网络连接到互联网和云服务,而无需设计复杂的桥接硬件和固件。但是,需要一些开发工作来确保无缝操作。幸运的是,物联网网关制造商通常提供产品,工具和服务来缓解这一发展过程。
例如,莱尔德的Sentrius设计用于连接该公司用于无线传感器应用的RM186 / 191系列LoRaWAN /蓝牙低功耗无线???/u>。这些单元将蓝牙低功耗的便利性和智能手机互操作性与LoRaWAN的扩展范围(高达15公里)相结合。Laird提供了一个开发套件,DVK-RM186-SM-01,它简化了将??榱拥絊entrius网关的过程。使用公司的Node-RED开发环境和相关指导原则,流程变得相对简单。
Sierra Wireless建议应该使用Legato开源Linux平台将其FX30 IoT网关连接到云。Legato具有应用程序“沙箱”,为运行和控制多个应用程序提供了一个安全的环境。该平台还提供应用程序编程接口(API),使开发人员能够连接到云。
对于需要设计高级网络的开发人员,Legato提供了基于Eclipse的多语言支持的集成开发环境(IDE)和一套诊断工具,以实现本地和远程调试,故障排除,监控和分析。

将数据发送到云

Rigado利用VG3-23E4-WIB0C0-ASA-DEK IoT开发套件(包括Vesta Gateway和Nordic Thingy:52蓝牙低功耗开发套件(图3))进一步简化了无线网络和云连接。该开发套件使工程师能够将蓝牙5 /蓝牙低功耗传感器连接到云端的原型解决方案。使用物联网开发套件的优势在于不需要RF经验,因为Thingy:52传感器已配置为与Vesta Gateway进行通信。原型进一步简化,因为Rigado的Node-RED开发环境包括演示应用程序,该应用程序通过Vesta Gateway将Thingy:52传感器的数据转发到亚马逊网络服务(AWS)云服务。
Rigado的VG3-23E4-WIB0C0-ASA-DEK IoT开发套件的图片
图3:Rigado的VG3-23E4-WIB0C0-ASA-DEK物联网开发套件包括Vesta Gateway和北欧半导体的Nordic Thingy:52 IoT开发套件。Rigado的Node-RED开发环境简化了网关的配置。(图片来源:Rigado)
通过Vesta Gateway将北欧Thingy:52的各种传感器数据发送到AWS非常简单。Vesta首先被配置为Wi-Fi接入点,并通过浏览器连接到开发者的Wi-Fi网络。点击提供的URL启动Node-RED应用程序,然后自动扫描Nordic Thingy:52,尝试连接并扫描通用唯一标识符(UUID)。建立连接后,传感器数据将从Nordic Thingy:52读取并发送到AWS和Node-RED应用程序仪表板。在仪表板中,开发人员可以进行更改以过滤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了一种创建基于浏览器的工作流以连接硬件设备,应用程序编程接口(API)和云服务的简单方法。
通过物联网网关将传感器网络连接到云端可以增加系统的实用性。云服务提供商通常提供基础架构来处理传感器的原始数据,操作和分析数据,并呈现有用的信息或从中得出的反馈。
例如,当使用AWS云系统时,Vesta Gateway与AWS的API网关接口(图4)。使用API??网关,开发人员可以创建,配置和托管API以允许Vesta Gateway应用程序访问云。例如,应用程序可以使用API??从Nordic Thingy:52的内置传感器上传温度和湿度数据。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的示意图利用了亚马逊的AWS云服务
图4:Vesta Gateway利用亚马逊的AWS云服务来收集数据并运行任何相关的代码。(图片来源:Rigado。)
AWS的另一个元素AWS Lambda提供了一种计算服务,使开发人员无需配置或管理服务器即可运行基于云的代码。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,通过Nordic Thingy:52发送的原始数据来通知一天,一周和一个月的温度和湿度极值以及平均值。
将AWS Lambda配置为响应触发事件(例如存储区或数据库中数据的特定更改)来运行代码相对比较简单。例如,如果温度或湿度超过设定的阈值,开发人员可能会选择运行向智能手机发送通知的代码。
一旦成型完成后,Rigado家族北欧的基于半导体的??槔堆? /蓝牙低功耗无线传感器网络应用可以取代北欧啄:52以产生用于生产成品设计。

结论

云连接对于最大限度地发挥智能无线技术的优势至关重要,但由于流行的低功耗无线协议与IP之间缺乏互操作性,它仍然是一项艰巨的技术挑战。一个方便快捷的解决方案是采用IoT网关,这是一种将无线传感器网络与云相连,并且设计开销最小的嵌入式设备。
(责任编辑:ioter)

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