工業互聯網智能網關的研究與實現

李毓英

（撫順職業技術學院, 遼寧 撫順 113122）

1 工業互聯網智能網關概述

工業智能網關也叫工業物聯網智能網關、無線數據采集網關、通信采集網關，或PLC無線網關、工業通信網關，屬于無線傳感器網絡產品。工業智能網關是一款具備挖掘工業設備數據并接入自主開發的云平臺的智能嵌入式網絡設備。它具備數據采集、協議解析、邊緣計算、4G/3G/WiFi數據傳輸和接入工業云平臺[1]等功能，支持采集PLC、傳感器、儀器儀表和各種控制器，適合作為大規模的分布式設備的接入節點。工業網關是為滿足工業級標準和工業用戶需求而設計的工業級智能網關。

2 國內外研究現狀

根據2017年國務院發表《國務院關于深化“互聯網+先進制造業”發展工業互聯網的指導意見》可以看出[2]，國內工業互聯網最近幾年蓬勃發展，各種互聯網產品如雨后春筍不斷涌現。又據互聯網資料和搜索同類產品可以發現，目前大多數廠家產品集中在工業DTU范圍，智能網關產品數量不多，且產品的優勢和劣勢比較明顯。

目前國內宏電和研華的相關網關產品代表國內一線水平，尤其在華為5G工業模組技術加持下發展迅猛，但是畢竟是大公司、領頭羊式的發展模式，5G工業模組獲取不到，幾家大公司的產品覆蓋面畢竟有限。對于國內大部分中小企業來說，鉆研并研發自己的相關產品，并找準切入點，占用對應的市場份額，研發對應產品，滿足相應的市場需求，還是有相當廣闊的市場空間。

3 智能網關網絡

智能網關以串口連結工業設備[3]，通過網口或WiFi連接Internet，網絡如圖1所示。

圖1 智能網關網絡

4 系統模型設計

智能網關北向接口連接組態網軟件、串口服務器、MQTT服務器等，南向接口連接工業設備，如PLC等。南向接口將支持modbus rtu master，can bus，zigbee物聯網設備等，模型設計如圖2所示。

圖2 系統模型設計

5 關鍵技術-數據緩存設計

網關的內存分配采用slab分配器，針對嵌入式系統優化的內存分配算法，去掉了其中的對象構造及析構過程，只保留了純粹的緩沖型的內存池算法。slab分配器會根據對象的大小分成多個區（zone），也可以看成每類對象有一個內存池。一個zone的大小在32 K到128 K字節之間，數據緩存主要有以下幾個操作。

5.1 內存分配

假設分配一個32字節的內存，slab內存分配器會先按照32字節的值，從zone array鏈表表頭數組中找到相應的zone鏈表。如果這個鏈表是空的，則向頁分配器分配一個新的zone，然后從zone中返回第一個空閑內存塊。如果鏈表非空，則這個zone鏈表中的第一個zone節點必然有空閑塊存在（否則它就不應該放在這個鏈表中），那么就取相應的空閑塊。如果分配完成后zone中所有空閑內存塊都使用完畢，那么分配器需要把這個zone節點從鏈表中刪除。

5.2 數據在內存塊中的存儲格式

uint8_t cmd;//[Cmd]:命令，所有設備參考modbus，設備地址通過Mqtt設置，需要保存

6 創新點

自主研發嵌入式RBB（Ring Block Buffer）技術，實現多客戶端實時通信，不占用串口資源，且RBB自身支持modbus rtu協議所有功能，RBB自身智能占用串口通信，進行數據的更新與備份，重啟后根據北向報文存儲有效數據，實時遵循設置優先原則，100萬發包量錯誤率為0，mqtt協議配置支持嵌入式數據庫存儲，配置進行保存，重啟自動調用配置，強大無與倫比。

目前市面不少類似的DTU產品，可以提供部分協議轉換功能，但是主要缺點在于只能進行單一協議的透傳，且只能支持一路接入，當大于一路接入的時候，就會出現串口搶占，馬上報文出錯，通信失敗，在工業控制中這是無法解決的矛盾。

7 結語

工業互聯網智能網關適用于工業互聯網相關應用，可用于連接供熱控制系統，石油和天然氣，醫療保健和電力公用事業等行業中的機器和設備。工業網關是物聯網和工控系統的核心組成器件，產品前景廣大，在系統穩定性、緩存技術方面有獨特創新的產品，在目前市場中有很強的技術優勢，市場前景良好。工業物聯網智能網關有非常大的經濟效益，在工業控制中應用量巨大，基本所有帶串口的設備，如PLC、工業儀表、流量壓力溫度計以及嵌入式設備等，都可以相連，真正實現萬物互聯。