作 者： 邵澤華，王茂西

第一作者單位：成都秦川物聯(lián)網(wǎng)科技股份有限公司

摘自《煤氣與熱力》2022年4月刊

1    概述

近幾年，隨著物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、邊緣計算等新興技術(shù)的深入研究和高速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)在各行業(yè)的應(yīng)用遍地開花，其中包括物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)技術(shù)的研究和應(yīng)用 ^{［ 1 ］} 。網(wǎng)關(guān)作為網(wǎng)絡(luò)通信過程中的重要中轉(zhuǎn)節(jié)點，目前已經(jīng)得到了一定范圍的推廣和應(yīng)用。在物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行體系中，網(wǎng)關(guān)作為感知控制終端與遠(yuǎn)程管理平臺聯(lián)系的橋梁，負(fù)責(zé)構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)傳感網(wǎng)絡(luò)，統(tǒng)一管理調(diào)度感知控制終端設(shè)備，實現(xiàn)對象平臺與管理系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)的實時交互，是物聯(lián)網(wǎng)傳感網(wǎng)絡(luò)中的重要一環(huán)，關(guān)系網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的可靠、通信數(shù)據(jù)的安全、數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r等。

2    智能燃?xì)獗砦锫?lián)網(wǎng)運(yùn)行體系網(wǎng)關(guān)技術(shù)  

2.1   智能燃?xì)獗砦锫?lián)網(wǎng)運(yùn)行體系

智能燃?xì)獗?/span> 物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行體系是具有對象平臺、傳感網(wǎng)絡(luò)平臺、管理平臺、服務(wù)平臺和用戶平臺，集智能感知、智能管理、智能保護(hù)、信息安全管理、遠(yuǎn)程雙向無線通信、燃?xì)鈽I(yè)務(wù)管理、遠(yuǎn)程運(yùn)營維護(hù)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、用戶服務(wù)等功能于一體的軟硬件系統(tǒng)。其架構(gòu)見圖 1 。

圖 1    智能燃?xì)獗砦锫?lián)網(wǎng)運(yùn)行體系架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)智能燃?xì)獗淼母兄畔⒂蓪ο笃脚_生成，依次通過傳感網(wǎng)絡(luò)平臺、管理平臺、服務(wù)平臺傳輸給用戶平臺；控制信息由用戶平臺依據(jù)感知信息內(nèi)容生成，依次通過服務(wù)平臺、管理平臺、傳感網(wǎng)絡(luò)平臺傳輸給對象平臺，完成對物聯(lián)網(wǎng)智能燃?xì)獗淼闹悄芸刂啤?

對象平臺是集物聯(lián)網(wǎng) 智能燃?xì)獗?/span> 軟硬件系統(tǒng)為一體，實現(xiàn)燃?xì)饨灰孜锢砹?、燃?xì)鉅顟B(tài)物理量、表端自身狀態(tài)物理量的感知和控制功能的系統(tǒng)平臺。傳感網(wǎng)絡(luò)平臺由表端通信模塊、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)和傳感網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)組成，一方面實現(xiàn)對物聯(lián)網(wǎng)智能燃?xì)獗砗蛡鞲芯W(wǎng)絡(luò)平臺本身通信狀態(tài)的管理，另一方面對接上層燃?xì)饩C合管理系統(tǒng)。管理平臺是智能燃?xì)獗砦锫?lián)網(wǎng)運(yùn)行體系的數(shù)據(jù)處理中心，以燃?xì)夤竟芾矸?wù)器為載體，通過燃?xì)饩C合管理系統(tǒng)實現(xiàn)燃?xì)膺\(yùn)營維護(hù)等綜合管理功能。服務(wù)平臺包括燃?xì)夤痉?wù)平臺、政府運(yùn)營商服務(wù)平臺和社會運(yùn)營商服務(wù)平臺，用于實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)信息資源的開放共享。用戶平臺是集自助終端、用戶 APP 、微信公眾號等各種軟硬件系統(tǒng)為一體，實現(xiàn)燃?xì)庥脩魳I(yè)務(wù)信息自助查詢及辦理的功能平臺。

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)位于 智能燃?xì)獗?/span> 物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行體系的傳感網(wǎng)絡(luò)平臺中，包括傳感網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)和表端網(wǎng)關(guān)兩個功能模塊。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)北向通過傳感網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)與傳感網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)連接，南向通過表端網(wǎng)關(guān)與表端通信模塊連接。

從物理體系上看，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)作為傳感網(wǎng)絡(luò)中的一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點獨立存在，既可設(shè)置在物聯(lián)網(wǎng)智能燃?xì)獗淼膬?nèi)部，通過電子電路的形式與表端通信模塊實現(xiàn)通信連接，也可設(shè)置在燃?xì)獗淼耐獠?，通過有線或無線的方式與燃?xì)獗斫⑼ㄐ胚B接。

從信息體系上看，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)作為信息傳遞橋梁，一方面接收表端通信模塊上報的感知信息，通過公共網(wǎng)絡(luò)將感知信息上傳至傳感網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)；另一方面，接收傳感網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)下發(fā)的控制信息，轉(zhuǎn)發(fā)給表端通信模塊。

從功能體系上看，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)作為物聯(lián)網(wǎng)智能燃?xì)獗砗蜕蠈庸芾硐到y(tǒng)（燃?xì)饩C合管理系統(tǒng)和傳感網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)）之間感知控制閉環(huán)中的一個中間環(huán)節(jié)，表端基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)需要通過表端通信模塊上報給物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，由物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。同樣，上層管理系統(tǒng)也需要通過物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)來實現(xiàn)對物聯(lián)網(wǎng)智能燃?xì)獗淼臅r鐘同步、設(shè)備管理、參數(shù)配置、安全閥控、軟件升級等。

2.2   物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)

現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn) GB/T38624.1 — 2020 《物聯(lián)網(wǎng) 網(wǎng)關(guān)第 1 部分：面向感知設(shè)備接入的網(wǎng)關(guān)技術(shù)要求》對“物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)”的定義是“具有數(shù)據(jù)存儲能力、計算能力和協(xié)議轉(zhuǎn)換能力等，可通過北向接口與應(yīng)用平臺建立通信連接和通過南向接口與感知控制設(shè)備進(jìn)行通信的實體”。本文所研究的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)集網(wǎng)絡(luò)管理、設(shè)備管理、標(biāo)志管理、接口管理、安全管理、應(yīng)用管理、協(xié)議轉(zhuǎn)換等功能模塊于一體。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的功能架構(gòu)見圖 2 。

圖 2    物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)功能架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的協(xié)議轉(zhuǎn)換功能通過協(xié)議適配模塊來完成，包括遠(yuǎn)程連接適配模塊和本地連接適配模塊。遠(yuǎn)程連接適配模塊一方面能夠?qū)鞲芯W(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)和燃?xì)饩C合管理系統(tǒng)下發(fā)的各類控制指令、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)能夠接收的指令格式、數(shù)據(jù)格式；另一方面將網(wǎng)關(guān)上傳的各類請求指令、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為傳感網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)和燃?xì)饩C合管理系統(tǒng)能夠接收的指令格式、數(shù)據(jù)格式。本地連接適配模塊一方面能夠?qū)⑽锫?lián)網(wǎng)智能燃?xì)獗砩蠄蟮母黝愓埱笾噶睢I(yè)務(wù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)能夠接收的指令格式、數(shù)據(jù)格式；另一方面將物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)下發(fā)的各類控制指令、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為物聯(lián)網(wǎng)智能燃?xì)獗砟軌蚪邮盏闹噶罡袷健?shù)據(jù)格式。

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)處于傳感網(wǎng)絡(luò)平臺中，承擔(dān)著燃?xì)獗砼c傳感網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸和網(wǎng)絡(luò)管理的職責(zé)。因此，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)需要具備一定的網(wǎng)絡(luò)管理功能，主要包括網(wǎng)關(guān)管理、性能管理、自維護(hù)管理、時鐘同步、注冊管理和接入管理。網(wǎng)關(guān)管理指物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)能夠通過本地或遠(yuǎn)程的方式對網(wǎng)關(guān)自身的軟硬件進(jìn)行管理維護(hù)。性能管理指物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)能夠采集并上報網(wǎng)關(guān)自身資源設(shè)備性能信息（包括但不限于 CPU 使用率、內(nèi)存使用率、存儲占有率、吞吐量等）。自維護(hù)管理指物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)能夠?qū)ψ陨淼墓δ芗靶阅苓M(jìn)行自動檢測及維護(hù)，并能根據(jù)實際情況調(diào)整吞吐量、降低或提升運(yùn)行效率。時鐘同步指網(wǎng)關(guān)能夠以傳感網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)和燃?xì)饩C合管理系統(tǒng)的時鐘為基準(zhǔn)，同步自身時鐘。注冊管理指物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)在首次進(jìn)入公網(wǎng)時，應(yīng)向傳感網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)發(fā)出注冊請求，支持成功注冊信息的保存，并支持傳感網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)對本地保存的注冊信息的管理和維護(hù)。接入管理指物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)在初次使用時，啟用初始化配置接入公網(wǎng)，支持傳感網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)對網(wǎng)關(guān)接入配置的讀取進(jìn)行更改和刪除，并支持當(dāng)配置發(fā)生錯誤時配置信息的自動恢復(fù)。

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)具有設(shè)備管理的功能，包括日志管理、告警管理、故障管理、固件管理、設(shè)備配置管理、狀態(tài)管理和電源管理。日志管理指物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)能夠進(jìn)行日志記錄，包括網(wǎng)關(guān)的登錄記錄、管理配置操作記錄、外部攻擊記錄、告警信息記錄和審計記錄。告警管理指物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)能夠?qū)崿F(xiàn)本地告警管理，包括告警產(chǎn)生、告警上報和告警解除等功能。故障管理指物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)能夠?qū)ψ陨碓O(shè)備進(jìn)行持續(xù)或間斷的測試、觀察和監(jiān)測，并在設(shè)備性能嚴(yán)重下降時產(chǎn)生告警，應(yīng)能判斷發(fā)生故障的位置。固件管理指物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)能夠?qū)λ芾碓O(shè)備的軟件和固件的版本進(jìn)行查詢和遠(yuǎn)程升級。設(shè)備配置管理指物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)能夠通過本地或遠(yuǎn)程的方式獲取并設(shè)置自身以及燃?xì)獗淼呐渲脜?shù)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時，能夠自動更新和管理密碼設(shè)置。狀態(tài)管理指物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)能夠獲取并上報自身資源設(shè)備以及燃?xì)獗淼臓顟B(tài)信息。電源管理指物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)能夠通過本地或遠(yuǎn)程的方式對自身電源管理策略進(jìn)行配置和管理，并支持遠(yuǎn)程控制網(wǎng)關(guān)的開啟、關(guān)閉、休眠和激活。

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的標(biāo)志管理包括標(biāo)志的映射和轉(zhuǎn)換，一方面能夠識別來自網(wǎng)關(guān)北向接口的物理標(biāo)志、網(wǎng)絡(luò)地址標(biāo)志和應(yīng)用屬性標(biāo)志；另一方面還能夠?qū)崿F(xiàn)南向接口和北向接口之間傳遞的各類標(biāo)志的相互映射和轉(zhuǎn)換。

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)具有接口管理功能，能夠提供供燃?xì)獗斫尤氲哪舷蚪涌?，包括各種有線接口或低功耗廣域網(wǎng)、 Zigbee 、蜂窩通信等無線接口，并能夠通過本地或遠(yuǎn)程的方式對北向的遠(yuǎn)程連接適配模塊和南向的本地連接適配模塊進(jìn)行接口的管理和配置。

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)具有安全管理功能，既能夠通過獲取網(wǎng)關(guān)自身資源設(shè)備的安全策略信息、配置網(wǎng)關(guān)自身資源設(shè)備的安全管理策略實現(xiàn)對網(wǎng)關(guān)自身的安全管理，也能夠通過獲取和配置燃?xì)獗淼陌踩芾聿呗詠韺崿F(xiàn)對燃?xì)獗淼陌踩芾?。安全管理包括用戶鑒別、加密傳輸機(jī)制、攻擊防護(hù)等。用戶鑒別可以是簡單的口令鑒別機(jī)制，也可以通過數(shù)字證書、智能卡或燃?xì)獗硖卣鞯确绞竭M(jìn)行鑒別。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)具有數(shù)據(jù)加密的功能，加密算法可以采用三重數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)（ 3DES ）或高級加密標(biāo)準(zhǔn)等加密技術(shù)，實現(xiàn)對物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)燃?xì)獗砘A(chǔ)數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)加密，保障數(shù)據(jù)的安全。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)還能夠支持漏洞掃描或拒絕服務(wù)攻擊，當(dāng)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)受到攻擊時，網(wǎng)關(guān)能夠自動記錄攻擊的發(fā)起地址、攻擊時間以及攻擊類型等關(guān)鍵信息，從而生成實時報警信息，并且具有一定的阻斷能力。

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)通過應(yīng)用管理模塊實現(xiàn)對網(wǎng)關(guān)內(nèi)部運(yùn)行的應(yīng)用程序的配置和管理。

3    物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的特點

①實時性

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)不僅作為傳感網(wǎng)絡(luò)中的一個傳輸紐帶，還承擔(dān)著一部分的網(wǎng)絡(luò)管理功能。燃?xì)獗砩蠄蟮臄?shù)據(jù)包括表端的計量信息、計費(fèi)信息、閥門狀態(tài)信息，以及燃?xì)獗懋惓Ａ髁?、異常電壓、異常工作狀態(tài)等安全信息，燃?xì)獗淼陌踩芾聿粌H需要傳感網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)和燃?xì)饩C合管理系統(tǒng)來實現(xiàn)，還需要物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)通過監(jiān)控表端數(shù)據(jù)信息來判斷表端狀態(tài)是否異常，是否需要發(fā)出預(yù)警信息或執(zhí)行安全管控措施來實現(xiàn)燃?xì)獗淼陌踩芾?。因此，物?lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)要保證數(shù)據(jù)傳輸過程的實時性和判斷響應(yīng)的實時性。

②高可靠性

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)一般處于長期工作狀態(tài)，網(wǎng)關(guān)硬件通常安裝在無人監(jiān)管的環(huán)境中，因此物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)應(yīng)具有安全可靠的特性，保證網(wǎng)關(guān)長期安全可靠地工作。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的安全包括硬件安全和信息安全。由于物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)一般采用外接市電供電，因此物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)應(yīng)安裝在無潛在爆炸風(fēng)險的場所，遠(yuǎn)離燃?xì)馐褂玫攸c，保證網(wǎng)關(guān)的防爆安全。另外，網(wǎng)關(guān)有可能會長期工作在低溫、高溫、高濕度和高塵等復(fù)雜的環(huán)境中，還需要具備一定的防護(hù)性能，保證網(wǎng)關(guān)硬件的安全可靠。

③高安全性

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)具有高安全性的防護(hù)機(jī)制，對網(wǎng)絡(luò)攻擊具備一定的阻斷能力，保證數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲、防攻擊等信息安全。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)通過采用高級密鑰加密和實時升級技術(shù)保證傳感網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?；通過采用信息校驗技術(shù)能夠?qū)π畔⒌暮戏ㄐ?、真實性、完整性、有效性進(jìn)行驗證，保證信息讀取和交換過程中的安全；通過采用身份鑒別機(jī)制、表 ID 管理技術(shù)，對入網(wǎng)燃?xì)獗淼纳矸莺戏ㄐ赃M(jìn)行驗證，阻止非法網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的接入，防止由于偽基站造成的信息竊聽、信息截取、信息篡改、信息偽造。

④可擴(kuò)展性

隨著燃?xì)獗淼亩ㄖ苹O(shè)計和功能需求的升級改進(jìn)，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)也具有一定的擴(kuò)展性，支持對其功能的進(jìn)一步升級和性能的進(jìn)一步優(yōu)化。通常在網(wǎng)關(guān)設(shè)計時，會預(yù)留充足的外部擴(kuò)展接口，可以是有線方式，也可以是紅外、藍(lán)牙等無線方式，方便網(wǎng)關(guān)在使用過程中的功能擴(kuò)展和故障維護(hù)。

參考文獻(xiàn)：

［ 1 ］葛超 .  面向物聯(lián)網(wǎng)的智能網(wǎng)關(guān)的設(shè)計與實現(xiàn)（碩士學(xué)位論文）［ D ］ .  長春：吉林大學(xué)， 2020 ： 1-5.

（本文責(zé)任編輯：林國真）

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