賈豫 張恒 雷升奎

1.榆林電力投資有限責(zé)任公司 陜西 榆林 719000

2.榆林榆神供電服務(wù)有限責(zé)任公司 陜西 榆林 719000

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展，越來(lái)越多的設(shè)備、傳感器、嵌入式系統(tǒng)被連接到互聯(lián)網(wǎng)中，這些設(shè)備在物聯(lián)網(wǎng)中相互通信，形成了一個(gè)龐大的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用，必須解決物聯(lián)網(wǎng)的安全、可靠、高效、智能等問題。其中，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用化智能網(wǎng)關(guān)技術(shù)是解決這些問題的關(guān)鍵技術(shù)之一。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用化智能網(wǎng)關(guān)技術(shù)是一種通過將傳感器、設(shè)備、云平臺(tái)等物聯(lián)網(wǎng)組件與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，形成智能化的數(shù)據(jù)傳輸和處理系統(tǒng)。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用化智能網(wǎng)關(guān)技術(shù)可以將物聯(lián)網(wǎng)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行匯聚、緩存、處理和分析，然后再傳遞給云端或其他終端設(shè)備。該技術(shù)可以大大提高物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的性能和安全性，降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t，從而滿足更高的用戶需求。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概述

物聯(lián)網(wǎng)是指連接數(shù)十億物理設(shè)備和傳感器的全球性網(wǎng)絡(luò)，這些設(shè)備和傳感器通過互聯(lián)網(wǎng)互相通信和交換信息，實(shí)現(xiàn)物與物之間的互聯(lián)互通和智能化[1]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)需要依靠傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)、人工智能技術(shù)等多種技術(shù)的支持。傳感器是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不可或缺的基礎(chǔ)設(shè)施，通過傳感器可以采集物體的各種信息，如溫度、濕度、光線、氣壓、聲音、運(yùn)動(dòng)等，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的感知和控制。目前常用的傳感器技術(shù)主要包括RFID、紅外線、超聲波、光電、氣體等。由于物聯(lián)網(wǎng)需要通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)物體之間的互聯(lián)互通，因此網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)是構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)的重要支撐。目前常用的物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)主要包括無(wú)線網(wǎng)、有線網(wǎng)、藍(lán)牙、NFC、ZigBee、WiFi、LoRa等?；谖锫?lián)網(wǎng)所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量巨大，因此需要依靠云計(jì)算技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理。通過云計(jì)算技術(shù)，可以將物聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)傳輸和處理集中到云端進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的快速分析和應(yīng)用。同時(shí)，云計(jì)算技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備管理、數(shù)據(jù)備份等功能。另外，人工智能技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中也扮演著重要的角色，通過對(duì)人工智能技術(shù)的合理利用可以實(shí)現(xiàn)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的模型建立、預(yù)測(cè)分析、異常檢測(cè)等功能，提高物聯(lián)網(wǎng)的運(yùn)行效率和精度。

2 智能網(wǎng)關(guān)技術(shù)的定義與技術(shù)原理

網(wǎng)關(guān)是物聯(lián)網(wǎng)中非常重要的一個(gè)組件，其連接不同協(xié)議的設(shè)備，促使設(shè)備協(xié)同工作，同時(shí)還擔(dān)負(fù)著數(shù)據(jù)收集、分析和傳輸?shù)娜蝿?wù)。網(wǎng)關(guān)的硬件架構(gòu)主要包括CPU、存儲(chǔ)器、接口和通訊模塊等。其中，CPU是網(wǎng)關(guān)的核心處理器，用于控制和處理數(shù)據(jù)；存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)；接口用于連接不同的設(shè)備和傳感器；通訊模塊用于實(shí)現(xiàn)不同協(xié)議的通訊。網(wǎng)關(guān)的軟件架構(gòu)主要包括操作系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)程序、應(yīng)用程序、協(xié)議棧和安全模塊等。其中，操作系統(tǒng)是網(wǎng)關(guān)的基礎(chǔ)，用于管理硬件資源和運(yùn)行應(yīng)用程序；驅(qū)動(dòng)程序是用于管理和控制硬件設(shè)備的程序；應(yīng)用程序是網(wǎng)關(guān)的主程序，用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理和通訊；協(xié)議棧是用于實(shí)現(xiàn)不同協(xié)議通訊的軟件模塊；安全模塊用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的加密、解密和認(rèn)證[2]。同時(shí)，網(wǎng)關(guān)需要支持多種通訊協(xié)議，常見的包括TCP/IP、MQTT、HTTP、Modbus、CAN等。其中，TCP/IP是物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)通訊協(xié)議，MQTT是一種輕量級(jí)通訊協(xié)議，適用于低帶寬、低功耗的設(shè)備，HTTP是用于Web應(yīng)用程序的通訊協(xié)議，Modbus是用于工業(yè)領(lǐng)域的通訊協(xié)議，CAN是汽車領(lǐng)域的通訊協(xié)議。除此之外，物聯(lián)網(wǎng)面臨多種安全威脅和風(fēng)險(xiǎn)，因此網(wǎng)關(guān)的安全管理具有重要意義。具體來(lái)講，網(wǎng)關(guān)需要支持多種安全協(xié)議，包括TLS/SSL、IPsec等，用于保護(hù)數(shù)據(jù)的傳輸安全。同時(shí)，網(wǎng)關(guān)需要支持多種加密算法，如AES、RSA等，用于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，防止數(shù)據(jù)泄露或篡改。防止未經(jīng)授權(quán)的設(shè)備訪問或接入系統(tǒng)，網(wǎng)關(guān)還需要對(duì)連接的設(shè)備進(jìn)行身份認(rèn)證和訪問控制。

3 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用化智能網(wǎng)關(guān)技術(shù)

3.1 應(yīng)用化智能網(wǎng)關(guān)概念和優(yōu)勢(shì)

應(yīng)用化智能網(wǎng)關(guān)是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的關(guān)鍵組成部分之一，也是連接物聯(lián)網(wǎng)與云端計(jì)算平臺(tái)的關(guān)鍵樞紐。應(yīng)用化智能網(wǎng)關(guān)主要負(fù)責(zé)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備接入、協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)分析和控制指令下發(fā)等任務(wù)，是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的重要架構(gòu)組成部分。與傳統(tǒng)的普通網(wǎng)關(guān)相比，應(yīng)用化智能網(wǎng)關(guān)具有以下優(yōu)勢(shì)：一是可以支持更多的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備接入，實(shí)現(xiàn)快速擴(kuò)展和多種設(shè)備的互操作性；二是可以支持多種協(xié)議的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)不同設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交互；三是可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和分析，提供數(shù)據(jù)分析服務(wù)，以及可視化的大屏展示；四是可以支持控制指令的下發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。

3.2 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用化智能網(wǎng)關(guān)架構(gòu)和流程

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用化智能網(wǎng)關(guān)的架構(gòu)一般采用分層式設(shè)計(jì)，主要包括物理接口層、通信協(xié)議層、數(shù)據(jù)管理層以及控制指令層。其中物理接口層包括多種物理接口標(biāo)準(zhǔn)，如 Wi-Fi、藍(lán)牙、ZigBee 等，用于連接不同類型的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。通信協(xié)議層則包括多種通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，如 TCP/IP、MQTT、CoAP 等，用于實(shí)現(xiàn)不同設(shè)備之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換和通信。數(shù)據(jù)管理層的主要是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、處理和分析，包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)展示等功能?？刂浦噶顚又饕糜谙掳l(fā)控制指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制和調(diào)度。

梳理物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用化智能網(wǎng)關(guān)的流程，一般包括以下幾個(gè)步驟：第一步為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備接入，即物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備通過物理接口連接到應(yīng)用化智能網(wǎng)關(guān)。第二步進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，應(yīng)用化智能網(wǎng)關(guān)將不同設(shè)備之間的通信協(xié)議進(jìn)行轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的流通。第三步，應(yīng)用化智能網(wǎng)關(guān)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)、處理和分析，提供數(shù)據(jù)展示服務(wù)。第四步，應(yīng)用化智能網(wǎng)關(guān)根據(jù)遠(yuǎn)程控制指令對(duì)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行控制和調(diào)度。

3.3 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用化智能網(wǎng)關(guān)關(guān)鍵技術(shù)

3.3.1 物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議轉(zhuǎn)換技術(shù)

協(xié)議轉(zhuǎn)換技術(shù)可以將不同的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的通信協(xié)議進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使其能夠相互通信?，F(xiàn)有的協(xié)議轉(zhuǎn)換技術(shù)通常包括硬件轉(zhuǎn)換和軟件轉(zhuǎn)換。硬件轉(zhuǎn)換是通過將協(xié)議處理功能集成到網(wǎng)關(guān)設(shè)備中實(shí)現(xiàn)的。軟件轉(zhuǎn)換是在所選平臺(tái)上運(yùn)行虛擬機(jī)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換[3]。常見的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議有MQTT、CoAP、HTTP、UDP等，其中MQTT協(xié)議是最受歡迎的協(xié)議。MQTT協(xié)議是一種基于發(fā)布/訂閱的協(xié)議，該協(xié)議適用于低帶寬和不穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)，具有低延遲和低能耗的特點(diǎn)。CoAP協(xié)議是專門為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)的，主要用于小型傳感器和嵌入式設(shè)備之間通信的協(xié)議。HTTP協(xié)議是最常見的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議之一，其在物聯(lián)網(wǎng)中也有廣泛的應(yīng)用。UDP協(xié)議是一種無(wú)連接的協(xié)議，這種協(xié)議可以在不建立連接的情況下進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，其特點(diǎn)主要表現(xiàn)為低延遲和可靠性強(qiáng)。

3.3.2 物聯(lián)網(wǎng)智能邊緣計(jì)算技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)中存在大量的數(shù)據(jù)需要處理，并且這些數(shù)據(jù)通常是分散在各種不同的設(shè)備和系統(tǒng)中的。為了更有效地處理這些數(shù)據(jù)，物聯(lián)網(wǎng)智能邊緣計(jì)算技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。智能邊緣計(jì)算技術(shù)是在物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備、網(wǎng)關(guān)和云平臺(tái)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和計(jì)算的技術(shù)。該技術(shù)通過在終端設(shè)備上處理和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，可以減少數(shù)據(jù)的傳輸和存儲(chǔ)成本，并縮短反饋時(shí)間。同時(shí)，該技術(shù)還可以通過在終端設(shè)備上實(shí)現(xiàn)部分機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能算法，來(lái)加強(qiáng)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的智能能力。從而有效地減少云平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)的依賴性，并降低數(shù)據(jù)處理和計(jì)算的延遲。

3.3.3 物聯(lián)網(wǎng)安全技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用化智能網(wǎng)關(guān)技術(shù)的另一個(gè)重要技術(shù)是安全技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)中存在大量的設(shè)備和系統(tǒng)，這些設(shè)備和系統(tǒng)之間的通信和交互需要有良好的安全保障。物聯(lián)網(wǎng)安全技術(shù)包括身份驗(yàn)證、數(shù)據(jù)加密、數(shù)據(jù)完整性、訪問控制、安全管理和隱私保護(hù)等技術(shù)[4]。身份驗(yàn)證技術(shù)可以確保只有授權(quán)用戶才能訪問系統(tǒng)。數(shù)據(jù)加密技術(shù)可以防止數(shù)據(jù)在傳輸過程中被黑客竊取。數(shù)據(jù)完整性技術(shù)可以保證數(shù)據(jù)在傳輸過程中不被篡改。訪問控制技術(shù)可以限制用戶對(duì)系統(tǒng)資源的訪問。安全管理技術(shù)可以監(jiān)測(cè)和管理系統(tǒng)中的安全事件。隱私保護(hù)技術(shù)可以保護(hù)用戶的隱私數(shù)據(jù)不被泄露。物聯(lián)網(wǎng)安全技術(shù)的核心是建立一個(gè)安全的基礎(chǔ)設(shè)施，例如安全協(xié)議、安全算法和安全策略。同時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和系統(tǒng)之間的安全通信和數(shù)據(jù)傳輸需要有良好的驗(yàn)證和授權(quán)機(jī)制。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用化智能網(wǎng)關(guān)技術(shù)需要建立一個(gè)強(qiáng)大的安全架構(gòu)，以保證系統(tǒng)的安全性和可靠性。

4 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用化智能網(wǎng)關(guān)技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景

4.1 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用化智能網(wǎng)關(guān)在智慧家居中的應(yīng)用

圖1 家庭網(wǎng)關(guān)

智能家居主要是指在家居環(huán)境中利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將不同的家電設(shè)備、物品及傳感器連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)智能化控制和管理。在實(shí)際應(yīng)用中，智能網(wǎng)關(guān)不僅可以控制智能家電的開啟和關(guān)閉，還可以通過傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行智能化的家居環(huán)境控制和管理。例如，通過智能網(wǎng)關(guān)連接溫濕度傳感器，可以自動(dòng)控制空調(diào)、除濕機(jī)等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)智能化的家庭環(huán)境控制。此外，智能網(wǎng)關(guān)還可以通過連接門窗傳感器、煙霧傳感器等安全設(shè)備，實(shí)現(xiàn)家庭安全監(jiān)控和智能化管理。智能家居的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用化智能網(wǎng)關(guān)技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)家庭能源管理。通過連接智能電表等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭電力消耗情況進(jìn)行監(jiān)控和管理，避免能源浪費(fèi)。此外，還可以通過連接智能家居能源存儲(chǔ)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)家庭能源的管理和存儲(chǔ)，達(dá)到節(jié)能減排的目的。

4.2 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用化智能網(wǎng)關(guān)在智慧城市中的應(yīng)用

智慧城市是指利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將城市中的不同設(shè)施、設(shè)備和信息資源進(jìn)行連接和整合，實(shí)現(xiàn)城市智能化管理和服務(wù)。智慧城市需要大量的傳感器設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的支持，這就需要物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用化智能網(wǎng)關(guān)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)連接和整合。智能網(wǎng)關(guān)作為智慧城市的核心控制中心，可以通過連接不同的智能硬件設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)城市環(huán)境、交通、公共設(shè)施等方面的智能化管理和控制[5]。例如，通過連接交通監(jiān)控設(shè)備和城市燈光設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)城市交通指揮和智能化照明控制。此外，還可以通過連接城市環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)城市空氣質(zhì)量和噪聲污染等情況的監(jiān)測(cè)和管理。智能網(wǎng)關(guān)還可以通過連接城市水網(wǎng)、氣網(wǎng)、電網(wǎng)等公共設(shè)施，實(shí)現(xiàn)對(duì)城市公共設(shè)施的監(jiān)控和管理。同時(shí)，智慧城市的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用化智能網(wǎng)關(guān)技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)城市信息資源的管理和服務(wù)。通過連接城市信息資源與互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)城市信息的整合和共享，提供更加便捷的城市服務(wù)。例如，通過智能網(wǎng)關(guān)連接城市交通管理中心和手機(jī)APP，實(shí)現(xiàn)城市公交車實(shí)時(shí)查詢和到站提醒服務(wù)。此外，還可以通過智能網(wǎng)關(guān)連接市民服務(wù)中心和城市管理部門，提供便捷的在線服務(wù)和投訴渠道。

4.3 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用化智能網(wǎng)關(guān)在工業(yè)自動(dòng)化中的應(yīng)用

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是指利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將工業(yè)生產(chǎn)過程中的不同設(shè)備和系統(tǒng)進(jìn)行連接和整合，實(shí)現(xiàn)工業(yè)智能化生產(chǎn)、控制和管理。首先，在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中，借助智能網(wǎng)關(guān)可以通過連接不同的工業(yè)控制設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過程中的設(shè)備和系統(tǒng)的智能化生產(chǎn)、控制和管理。例如，通過智能網(wǎng)關(guān)連接不同的傳感器和工業(yè)控制設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過程中的溫度、濕度、壓力、流量等參數(shù)的監(jiān)控和控制。此外，智能網(wǎng)關(guān)還可以通過連接工業(yè)控制系統(tǒng)和互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)和信息的分析和應(yīng)用。其次，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用化智能網(wǎng)關(guān)技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控和維護(hù)。通過連接智能硬件設(shè)備和工業(yè)控制設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控和遠(yuǎn)程維護(hù)。另外，還可以通過連接工業(yè)設(shè)備和物流系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)物流過程中的設(shè)備和貨物的監(jiān)控和管理。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，越來(lái)越多的智能設(shè)備被應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域中，這些設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量也越來(lái)越大。如何高效地處理和管理這些數(shù)據(jù)，對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和普及至關(guān)重要。智能網(wǎng)關(guān)技術(shù)作為物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，在物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)中起到了至關(guān)重要的作用。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用化智能網(wǎng)關(guān)技術(shù)是指利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將不同的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備連接起來(lái)，通過智能網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的通信，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和共享。智能網(wǎng)關(guān)不僅起到連接的作用，還能進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、分析和應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的智能化處理和應(yīng)用。在實(shí)際應(yīng)用中，智能網(wǎng)關(guān)作為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的核心控制中心，通過連接不同的智能硬件設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同場(chǎng)景的智能化管理和控制，如智能家居、智慧城市、智能制造等，進(jìn)一步推動(dòng)了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用和普及。