在現代生產企業中，生產線的自動化系統一般采用以 PLC 為主要節點的控制、通信網絡，最常用的是現場總線協議；同時在企業的管理經營系統一般采用計算機為主要節點的通信網絡，以 TCP/IP 協議為主，如何實現不同應用系統間的數據通信，打通不同通信協議間的數據通路，對數據進行分析、存儲、轉發等功能，如生產指示快速下達和生產狀態的快速發布，從而提升企業管理生產效率，是數據網關技術出現和發展的客觀要求。?

數據網關的基本原理

數據網關的作用就是連接不同的通信系統，實現數據互通，所以首先要對不同系統進行物理連接，在物理連接的基礎上，再根據不同系統的通信協議，利用協議允許的接口進行軟件連接，通過數據接收、提取、發送的過程實現數據轉發。

數據網關的實現方式

根據上文所述數據網關的基本原理可知，數據網關需要的兩個要素：接口和數據處理。現代計算機技術的發展帶來的豐富的接口選擇和強大的計算能力恰好為此提供了條件，一臺具備相應接口的，安裝了相應數據處理軟件的計算機，就是一個數據網關。

現有實現方式中最典型的代表就是工業控制計算機（簡稱工控機），生產廠商將各種接口進行模塊（卡）化設計，將其與通用的計算機主機模塊結合，就實現了通用計算機接入特定通信系統的目的，客戶購買時根據需要選擇接口模塊（卡）和滿足處理能力的通用計算機主機就可以方便的搭建出數據網關的硬件平臺，在此基礎上再開發專用的數據處理軟件，就能夠實現強大的數據分析、存儲、轉發等功能。?

數據網關的應用

數據網關的基本功能是進行不同通信協議間內容的翻譯轉換，但是對這個過程中的數據如何進行處理，或者如何使用這些數據，決定了數據網關的應用。根據對數據處理方式的不同，可將數據網關分成普通數據網關和專用數據網關兩種。?

1、普通數據網關

該型數據網關以數據傳輸功能為主，對所傳輸的數據只進行簡單處理，如有效性過濾、存儲、重新組織等。最典型的應用是控制系統中的操作上位機系統，該系統通過工業以太網、現場總線或者其它方式接入控制系統，將采集到的數據通過以太網（一般是 TCP/IP 協議）發送至操作員上位機，在控制畫面上顯示相應狀態，同時又將上位機發出的操作指令發送給現場 PLC 等控制器，實現了現場設備通信系統與人工操作通信系統的數據連通。在這個典型中難以找到具體的數據網關，實際上是由操作上位機集成了數據轉換的功能，充當了數據網關的角色。除此以外，本世紀開始廣泛應用的 ERP、MES、ASP 等先進的管理系統，與生產流水線控制系統實現信息互通，這需要進行大量的數據組織、存儲、轉發等，就更加需要使用數據網關作為主要的信息橋梁和中轉站。?

上圖顯示了一個綜合的生產控制系統，數據網關用來連接生產流水線控制系統和生產指揮系統，起到了數據中樞的作用。配置了數據網關，整個系統就具備了以下功能：

(1) 生產數據、狀態的實時存儲。通過數據庫可以保存長期歷史數據，方便進行生產過程分析和質量追溯。

(2) 生產狀態實時上報、發布。管理者可以根據實時數據高效的制定生產計劃；營銷人員可以及時的跟蹤訂單生產，反饋客戶。

(3) 生產指令的快速下達。MES、ERP 等生產計劃信息可以快速的下發到生產線，實現訂單的快速響應，縮短交貨時間。

(4) 增強系統穩定性。全線操作站聯網，每個操作站都可以了解全線的生產情況，且互相備用，必要時可以互相替代操作。

(5) 提高生產自動化水平。方便增加過程控制、智能控制等專用計算設備，彌補普通PLC 不具備的智能計算、大數據量計算等功能，使生產更加精細，產品質量得以提高。?

2、專用數據網關

與普通型相比，該型不僅具有數據存儲、轉發等數據網關的基本功能，最大的特點是將其它高級的功能也進行了集成，構成了基于數據網關技術的專用設備，目前主要有以下幾種：

(1)信息發布數據網關 該型數據網關集成了 web 發布功能， 通過有線或者無線接口直接接入 internet，方便用戶在任何地方通過互聯網獲得實時生產信息。為了保證正常生產不被干擾，可以通過硬件或軟件進行數據隔離，保證數據流為單向，如采用硬件隔離技術可以做到完全隔離。

(2)過程控制數據網關 該型除了數據網關基本功能，主要功能是數據計算，主要通過軟件實現，對生產系統特別是單一復雜設備進行高級控制，彌補 PLC 等現場控制器對數據處理、歷史數據調用、復雜算法實現困難等功能上的不足，從而提高生產的自動化水平。

(3)信息存儲數據網關 該型主要功能是數據存儲，在本地建立數據庫，將接收的數據進行長期存儲，并具備多種組織和查詢接口，以方便進行生產流程優化和質量追溯。?

數據網關與最新信息技術的融合

最新的信息技術如云技術、物聯網技術等的出現大都基于互聯網技術的發展，而數據網關的連通不同通信網絡的特性恰恰為這些新技術應用到傳統產業提供了支撐。

1、數據網關與云計算

通過數據網關，把生產數據發送給企業研發、質量中心，甚至專業的數據分析中心，利用“外腦”強大的計算能力和信息資源，對生產數據進行全方位、深層次的分析，進而得到更高效的生產工藝參數指導，從而提升產品質量，優化生產流程。在僅投入少量硬件的條件下，就具備了獲得專業海量數據分析計算的能力，實現了低成本、高效益的兼顧。
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2、數據網關與移動互聯終端

通過數據網關，將生產數據實時發送至企業決策者的移動互聯終端，使之可以隨時根據市場變化制定生產策略，實現效益最大化；將生產數據實時發送至外地銷售經理的移動互聯終端，使之可以隨時跟蹤訂單情況，反饋客戶，并可以隨時將新的客戶需求傳達到生產線，及時優化訂單計劃，達到降低生產成本，縮短交貨周期的效果。
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3、數據網關與物聯網技術

通過數據網關，將生產線狀態與原材料、輔助材料、成品等物流信息整合，整體分析各個流程，確定最佳調度方案，實現資源的高效利用，實現即時生產、減少中間環節、降低庫存、節約物流成本的目標。

物聯網的智能網關

物聯網是通過智能感知、射頻識別技術與普適計算、泛在網絡的融合應用，被稱為繼計算機、互聯網之后世界信息產業發展的第三次浪潮。物聯網的主要目的在于使具有射頻技術、紅外傳感技術或其他具有感知能力的新型傳感設備，能夠無縫的融入互聯網，實現相互之間的信息交換，和進一步的智能識別、監控管理。

在物聯網的信息感知領域中，由于無線傳感網絡技術的應用場景具有特殊性，其一般應用于局部區域內，網與網之間本身無法通信，也不適合于實現遠程的數據傳輸，這使得傳感設備節點形成了一個個信息孤島，無法實現真正的全面互聯互通、協同感知。此外，物聯網應用中的感知技術種類繁多，采用不同的通信協議，根本無法實現互聯互通。

物聯網網關，作為一個新的名詞，在未來的物聯網時代將會扮演非常重要的角色，它將成為連接無線傳感網絡與傳統通信網絡的紐帶，完成無線傳感網絡、傳統通信網絡以及其它不同類型網絡之間的協議轉換，實現局域和廣域的數據互聯。此外物聯網網關還需要具備設備管理功能，運營商通過物聯網網關設備可以管理底層的各感知節點，了解各節點的相關信息，并實現遠程控制。

從功能上講，物聯網的網關或者說智能網關主要實現以下三個功能：

感知網絡接入的能力。

物聯網網關首先是具有對各節點屬性、狀態等信息的獲取功能，即可以感知各節點的實時狀態。其次是具有對節點的遠程控制、喚醒、診斷等功能，即實現節點的自動化管理。

異構網絡互通的能力。

物聯網網關接入必然存在跨域通信的要求，因此需要完善的尋址技術，以確保所有節點的信息都能被準確、高效、安全地進行定位和查詢。隨著物聯網應用的發展，節點地址的數量會逐漸增大，且其編碼結構與 DNS中的域名結構不同，因此需要有一套與互聯網不同的尋址技術以滿足需求。

通訊與數據格式標準化。

網關必須實現傳感網絡到傳統通信網絡的協議轉換，將協議適配層上傳輸的標準格式數據進行統一封裝，將廣域接入層下發的數據解包成標準格式數據，實現命令的解析，之后轉換為感知層協議可以識別的信號和控制指令。

簡單地講，物聯網網關主要完成三個任務：首先，是收集傳感器節點的數據；其次，執行數據協議轉換；最后，將協議轉換后的數據快速有效的發送到公共網絡。除此以外，物聯網網關同時還具有相應的管理和控制能力。

1、感知網絡接入

物聯網智能網關需要具有感知網絡接入的能力。感知網絡主要由功能各異的傳感器網絡構成，這些傳感器設備主要包括攝像頭、讀卡器、標簽、聲敏傳感器、壓敏傳感器、溫敏傳感器等。獲取這些傳感器感知信息的方式可謂是千差萬別，至今沒有統一的標準，主要的接入方式可分為有線接入和無線接入。主流的有線接入方式包括 CAN、RS232/485、Ethernet等, ?CAN 多用于汽車計算機控制系統中，RS232/485 主要用于一些較老的設備控制和低速率數據傳輸，Ethernet 對于遠距離、大信息量的傳感器數據傳輸是非常可靠有效的。

主流的無線接入方式包括 Zigbee、Bluetooth、IrDA、Wi-Fi，它們都屬于近程通信的范疇。Zigbee 具有功耗低、組網靈活等特點，該技術一般用作低速率短距離無線傳輸和控制。Bluetooth 主要用于對于實時性較高的系統中，如鼠標、鍵盤、耳機等。IrDA 利用紅外線進行點到點的傳輸，紅外傳輸設備的特點是體積小、功耗低、成本低等，由于紅外線傳輸只能是點對點的無遮擋傳輸，所以在一定程度上將受到應用環境的限制。

Wi-Fi 作為推進速度最快的無線接入技術已經歷了十幾個版本的迭代，現在已廣泛的應用于與手機、筆記本電腦以及各類智能產品中，具有布網簡單、覆蓋范圍廣、傳輸速率快的優點，但是wifi同樣也有功耗較高和協議復雜等缺點。

2、異構網絡互通

物聯網智能網關需要具有異構網絡互通的能力。由于不同的傳感器網絡對感知信息采用不同的協議封裝，這將導致網絡間數據的軟隔離，一方面，物理上已相互連的接感知網絡之間無法完成通信，另一方面，感知網絡無法與核心交換網絡完成通信進而感知數據無法被遠程訪問，因此需要設置協議網關來解決此問題。

在傳統的利用 RS-232/485 通信傳感器網絡中，總線標準和協議較多，比較通用的是 Modbus協議、Profibus 協議、Interbus 協議，其中 Modbus 協議被廣泛用在智能交通、智能農業、智能建筑中。

由于 Internet 以及由 Ethernet 和 Wi-Fi接入的傳感器網絡都是基于 TCP/IP 協議棧，若遠程用戶需要對采用 Modbus 協議的設備進行訪問和控制，則必須對 Modbus 報文按照 TCP/IP 協議進行應用層封裝或協議轉換。

此外，由于 IPv4 地址已日近枯竭，新一代的 IPv6 協議將逐步取代 IPv4 協議，而 IPv4 向IPv6 過渡的階段是一個長期的過程，在這個階段中，IPv4 網絡將和 IPv6 網絡處于共存狀態，因此物聯網網關需要解決 IPv4 網絡與IPv6 網絡的互通問題。

3、通訊與數據格式標準化

物聯網智能網關需要具有監測控制管理的能力和兼容新節點接入的能力。這里的監測控制管理，包括對接入傳感器狀態和感知信息的集中監測、對傳感器和網關自身的控制、管理。一方面，網關中的各功能模塊要做到可以靈活控制，配置方式要做到簡單、多種方式、人機友好，另一方面既能通過本地網絡、串口進行控制，又能遠程跨網段進行集中管理。

此外不同的物聯網的節點種類非常豐富。監測控制管理的內容不僅包括對網關節點自身的狀態和功能，還要包括對接入傳感器網絡的狀態和信息。為了實現這些功能，就必須要讓所有的智能網關節點使用標準化的通信方式，才能使整個物聯網系統具有高可維護性。

總之，一方面，隨著計算機技術、傳感技術和嵌入式技術的蓬勃發展，家用電子電器設備將越來越智能化；另一方面，隨著人們生活水平和質量的提高，智能家居正備受關注，與此同時智能網關也將得到更大的發展，而且正在走向成熟。

審核編輯：黃飛

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