物聯網解決方案的典型架構通常比大多數企業系統的架構復雜得多。增加物聯網系統復雜性的一個主要因素是，數據中心中的后端服務實際上只是更大的物聯網圖景的一部分。使用物聯網解決方案，我們必須處理大量在現場工作的設備。由于這些設備的性質與Web、臺式機甚至移動客戶機非常不同，因此我們需要一個中間體系結構，充當現場設備世界和企業數據中心之間的代理。我們需要的是物聯網網關。

為什么需要IoT網關

您現在可能想知道：將網關引入您的物聯網架構背后的主要原因是什么？讓我通過討論網關架構如何運作的一些最重要的方面來闡明這個問題。

首先，傳感器在網絡連接方面通常具有非常有限的能力。 您的傳感器可能會使用藍牙低功耗（BLE），就像市場上的大多數信標一樣; 您的某些傳感器還可能使用ZigBee協議提供連接。 在局域網（LAN），家庭局域網（HAN）或個人局域網（PAN）中還可以找到許多其他協議。 所有這些協議都有一個共同點：它們無法直接連接到廣域網（WAN）或Internet等大型網絡。 您需要一個網關，通過使用WiFi，GSM或其他類型的連接，可以為您的傳感器提供與外部網絡的單點聯系。

網關不僅僅是將數據從傳感器轉發到后端服務的轉儲代理。將傳感器收集到的所有信息發送到數據中心在性能和網絡利用率方面都是非常無效的。在將信息發送到數據中心之前，需要一個物聯網網關對現場信息進行預處理。這種預處理包括消息過濾和聚合。

網關還應充當單個訪問點，用于監視操作字段的選定區域。不需要使用監視軟件連接到每個傳感器；只監視網關更容易，網關反過來負責從傳感器收集所有必要的數據。

體系結構概述

下面的網關體系結構圖是最常見的體系結構設計，其中網關本身沒有配備傳感器。安裝在設備上的網關軟件負責從傳感器收集數據，對數據進行預處理，并將結果發送到數據中心。

請記住，在此傳感器體系結構上有可能發生變化，其中一些傳感器位于網關設備上，它可能存在于網關的嵌入式傳感器可以包括GPS單元或使用GPIO接口連接到網關的溫度傳感器等選項。

網關軟件

軟件應用程序是網關的核心。網關軟件負責收集來自傳感器的信息，并將其適當存儲，直到可以對其進行預處理和發送到數據中心。網關軟件決定在給定處理階段的數據是臨時的、持久的保存在內存中的。

網關軟件的設計應考慮到故障和災難恢復。由于網關設備通常在現場操作，因此您應該為不理想的工作條件做好準備。例如，應為斷電或可能導致網關處理中斷的其他操作準備網關軟件。網關軟件應在電源恢復后立即自動啟動，并從中斷點繼續工作。

網關軟件還應該足夠智能，能夠正確處理系統日志記錄。它必須在存儲在設備上的日志條目數和發送到數據中心的日志條目數之間找到正確的平衡。

軟件安裝和更新

網關軟件如何進入設備？這個問題有三種主要的解決方法。

第一種方法是在網關磁盤（或存儲卡）上預安裝軟件。這種方法稱為工廠引導程序。正如您可能猜到的，如果您的解決方案包含大量網關，則此技術無法很好地擴展。

第二種方法是服務器啟動的引導。在此模式下，中央軟件管理服務器與網關設備通信，并向其部署正確版本的軟件。這種方法比工廠引導擴展得更好，但是仍然需要在服務器端啟動部署操作。

第三種方法是客戶端啟動的引導程序。此模式假定網關負責連接到中央存儲庫服務器并下載適當版本的軟件。在這種情況下，網關需要安裝輕量級引導軟件，以便它可以與軟件管理服務器通信。此方法是最具可擴展性的方法

物聯網網關的一個非常重要的特性是能夠通過無線方式下載更新。 將網關軟件安裝到設備上并將其交付到現場后，您在網關軟件維護方面的功能非常有限。 從安全角度來看，通過無線方式下載軟件更新的能力尤其重要，因為它可能會影響關鍵安全修復程序的交付時間。因為它不需要對部署操作進行任何集中協調。每個網關設備在打開電源后立即下載軟件。

傳感器消費者

如果軟件應用程序是網關的核心，那么傳感器就是網關的眼睛和耳朵。傳感器是可以測量現實世界某些方面的小型硬件設備。傳感器收集的常見數據類型有溫度、GPS坐標、濕度、氣壓等。

網關從傳感器收集的消息通常很小。 例如，傳感器測量的溫度的當前值僅為十進制數。 GPS坐標是兩個十進制數字，代表經度和緯度。 這是一個需要記住的重要事項：網關對大量的小消息進行操作。

雖然傳感器本身可以經常生成消息，但重要的是預測我們真正需要從傳感器收集多少消息。例如，我們可以每毫秒讀取一個傳感器的溫度，但在測量溫度變化時我們真的需要這種精度嗎？在大多數情況下，每秒讀取傳感器值幾次就足夠了，因為我們對更長時間內的度量標準更感興趣。網關軟件通常定期輪詢傳感器數據。良好的網關軟件允許您輕松配置每個傳感器的輪詢間隔。您絕對不希望將不必要的傳感器數據放入網關，因為過時的消息會占用受限網關設備的寶貴處理能力。

網關數據傳輸

通常，網關通過GPS、WiFi或以太網連接到互聯網。有些網關還可以在GPS和WiFi模式下工作（例如，安裝在移動車輛上的網關）。一般來說，非GPS連接優先于發送數據，因為它不需要付費的移動計劃。一些網關將不斷地連接到廉價的本地網絡，但是那些使用GPS連接的網關在發送到數據中心的數據方面應該非常保守。網關應該對它收集的數據應用業務邏輯，以了解哪些消息應該通過昂貴的GPS網絡發送，哪些數據可以緩存在設備上以進行延遲的脫機處理。

總結

網關是每個物聯網解決方案的關鍵組件。在決定要購買哪種硬件作為網關平臺之前，請花一些時間分析消息和有效負載的數據格式，并嘗試在將數據從網關發送到數據中心之前過濾或聚合盡可能多的數據。此外，雖然為物聯網解決方案選擇合適的硬件非常重要，但您必須記住，選擇合適的網關軟件和管理基礎設施（如用于管理設備的LWM2M服務器）將對你的總維護成本產生重大影響。

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