基于ARM架构的工业物联网网关研究与实现

王伟刚

本文为了将煤矿井下无互联网通信能力的电气设备链接到云端物联网平台，设计了一款基于ARM架构的嵌入式物联网网关，该网关采用多种通信方式，集成多路以太网通信接口，能够将煤矿井下PLC电气设备的自身数据及传感器数据传输到物联网平台进一步发挥数据价值。该网关可以实现Modbus/TCP协议和SNAP7协议到MQTT协议间的相互转换。同时，该网关能够打通设备、网关、平台、应用的通信链路，可以实现应用远程控制、调试电气设备的需求。

工业物联网是把工业领域的环境感知设备、电气控制终端，以工业网络、互联网通信技术为基础进行互联互通。物联网网关是其中重要的一环，目前，物联网网关尚未制定的统一的行业标准，导致实际开发出来的网关设备千差万别。由于底层感知设备与物联网网关之间、物联网网关与远端服务器之间 用不同的通信协议进行数据交互，这就导致设备接入和应用开发存在困难。而本网关提供多种设备外接插口以接入不同类型设备， 用模块化的动态加载方式保证通信协议模块能够根据设备通信需求进行加载，使其能够适用更多使用场景，提高网关系统的通用性、灵活性和可扩展性，具有更高的应用价值。

本方案采用双核Cortex-A72 NXP LS1028A处理器芯片，采用双层结构，包括底板和扩展板。底板设计包括：CPU模块、电源模块、外部接口模块、存储模块、4G/5G无线扩展模块、I/O接口模块等。

（一）电源模块

采用隔离性模块化电源电路设计，提升了供电安全保护、容性负载能力、空载功耗、轻载效率和软启动等性能，为网关提供安全、可靠的电源驱动，同时为I/O接口电路提供电源。

（二）CPU模块

采用NXP LS1028A工业级芯片作为核心处理器，该芯片采用双核Cortex-A72架构，单核主频为1.5GHz，二级缓存1MB，同时支持扩展标准协议设备，满足产品后续的升级需要。

（三）存储器模块

存储模块RAM采用2GB DDR4，ROM采用8GB eMMC，兼备高速读写以及低功耗等优势，同时支持TFCard扩展存储，用于存储与缓存网关的系统参数、通信配置、设备运行数据等。

（四）外部接口模块

网关有1路USB3.0（5 Gbit/s）接口，可以满足采集到的感知数据高速读取拷贝。1路SATA3.0接口，支持扩展一块SATA3.0的SSD或者HHD硬盘，以满足部分用户高频采集数据的存储。2路支持CAN2.0B、CAN FD的CAN接口，下行通信接口（短距离通信接口）、调试接口等。

（五）网络传输模块

网关具有5路Ethernet RJ-45接口，最高支持2.5Gbps，支持TSN并具备1个4口TSN Switch。同时网关具有5G通信模组，支持通过SIM卡的方式为网关提供5G互联网功能，保证设备高可用，低延迟的网络需求。

网关软件功能模块包括感知层设备管理、感知层数据管理、网关管理、网络管理、协议转换、设备远程调试、安全传输等，网关软件采用Python语言、FastAPI框架编写网关所有功能及API接口，人机交互界面使用Vue框架、Ant Design组件编写。用户可以基于网关提供出来的API把网关部能集成到用户自家系统中，用户集控系统可以直接接入网关数据与获取网关管理功能，降低用户管理成本，为用户的生产与管理的数字化、智能化整体目标赋能。

（一）下位机设备管理

在工业物联网网关管理界面，通过Web可视化的方式建立感知层设备列表，配置下位机通信接口与通信点表，控制设备数据采集规则，能够极大的提高工程人员维护、调试网关与设备通信的效率。

（二）下位机数据采集

工业物联网网关可以对多点下位机或者感知层数据同时并发进行采集、分析、存储和传输。在对感知层设备表中的设备进行采集时，监测设备状态、上线时间、掉线时间、持续运行时间；分析采集数据，进行数据清洗，多索引映射技术对所有传感器数据进行分类存储；对采集到的数据进行初始归类分析，通过与物联网网关约定算法规则进行压缩，主动上传物联网数据平台。物联网数据平台也可以通过网络协议访问工业物联网网关数据存储数据库。

（三）协议转换实现

工业物联网网关中集成工业领域通用的短距离通信协议ModBus、Snap7等，转换成物联网行业通用的MQTT协议。能覆盖绝大部分工业领域的电气设备，为感知网络节点数据提供统一格式进行封装，通过上行通信接口或者5G网络模块上传至物联网数据平台。通过通用的工控协议、互联网协议将数据下发给工业物联网网关，网关通过协议解析模块，将原始数据包拆解并重新构造成感知层网络能识别的数据格式，通过下行通信接口进行下一步转发。

（四）网关管理后台

物联网网关管理后台以Web的形式为用户提供，用户只需把网关通过以太网的方式与PC接入到同一局域网内，即可通过浏览器的形式对网关进行管理。网关的管理功能包括查看、配置设备基本信息，包括设备证书信息、固件信息、MQTT连接参数、扩展信息、下位机链接状态等等。

（五）远程连接电气设备

本网关采用P2P VPN的技术手段，使处在内网的下位机能够被处在另一内网的售后服务工程师的PC进行直连通信。P2P VPN服务器采用开源GitHub上的开源项目N2N，N2N是一个采用C语言编写的高性能一个点对点的穿透工具。N2N node通过UDP路由验证实现NAT穿越是一种在处于使用了NAT的私有网络中的Internet主机之间建立双向UDP连接的方法。由于NAT的行为是非标准化的，因此它并不能应用于所有类型的NAT，当网关无法与工程师PC建立直连通道将通过P2P VPN服务器进行数据中转保证连通性。

（六）数据平台对接管理

本网关采用通用物联网协议MQTT与物联网数据平臺实现通信。网关采集下位机的数据后，通过内置规则进行清洗、压缩，最后通过将数据进行JSON 格式的转换后上传至MQTT Broker服务器。物联网数据平台会启动一个MQTT Client服务，通过MQTT Broker服务器订阅该物联网网关的topic，实时获取网关发送到MQTT Broker服务器的数据，之后物联网平台对数据进行进一步的处理与存储。

（一）网关保证在环内网内的安全

工业物联网网关与下位机采用基于TCP/IP协议通信技术通信，为保证网关设备在内网网络通信安全传输，网关本身只通过IPtable开放通信所需网络端口，网关管理端口并不开放，以保证网关在内网的不会通过网络被入侵。

（二）网关保证与物联网平台的通信安全

本网关与物联网平台通信采用证书认证，预先为每个设备烧录全球唯一的设备证书。当网关与物联网平台建立连接时，物联网数据平台对其携带的设备证书信息进行认证。网关上电并联网后，携带网关证书发起认证请求，物联网数据平台校验网关身份通过后，与网关建立连接，网关便可通过设备Topic与物联网平台通信。

近年来工业物联网迅速发展，物联网网关作为感知网络和全球通信网络的桥梁也正起着举足轻重的作用。本文实现了一种基于ARM架构嵌入式的物联网网关系统。本物联网网关可以根据用户应用需求，应用到多种场景中，极大提高设备采集与分发效率，实现设备远程维护功能，具有较好的应用价值。

作者单位：宁夏天地奔牛实业集团有限公司

基金项目：宁夏回族自治区重点研发计划重点项目（2021BDE92013）