物聯網(IoT)已經成為了我們日常生活中不可或缺的一部分，無法想象如果不能在快到家的時候從手機上打開熱水器的生活會是什么樣子。如果想要實現上面提到的這個功能或者其他更重要的功能，就需要一個由許多組件構成并且無縫協作的生態系統。

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IoT架構(圖1)可以根據功能分為多個層：

• 設備層(也稱為終端層)一般包含三種元素：傳感器用于測量實際數據、執行器用于執行相應的功能、收發器用于傳輸傳感器的數據并接收執行器的指令。
• IoT網關層是物聯網生態系統中的一個重要組成部分，是傳感器、執行器和云之間的媒介，用于處理本地傳感器和遠程用戶之間的通信，并完成其他的相關功能。
• 云層用于整個物聯網系統的監控和管理，它與多個網關相連接，對收集和存儲的數據進行分析。
• 應用層是最終用戶的接口，用于訪問和控制物聯網產品和服務。

圖1 IoT生態系統可以被分成多個層，它們共同完成數據的測量、分發和分析，并且執行相應的動作。

一、網關設計的關鍵

雖然每個物聯網系統是不同的，但網關的主要作用是聚合多個低速終端節點的數據，并將數據通過高速鏈路發送到云。

聚合數據所涉及到的可能不僅僅是向上層發送數據。例如，對于像ZigBee或LoRa這樣的網格拓撲結構，網關所接收到的可能是相同消息的多個副本。在這種情況下，網關必須選擇哪個消息像上層發送，哪一個消息發送到下層的終端節點。

隨著物聯網的功能越來越復雜，設計人員正在將部分數據處理功能轉移到接近傳感器/設備層的位置，也就是所謂的“霧計算”。以這種方式來劃分IoT任務，不再需將對數據分析沒有作用的數據發送到服務器，這樣不僅減少了響應時間，而且降低了網絡負載。

按照這種方式，網關設備所在的位置是最合適的選擇，因為將響應合并到單個模塊中的多個終端點，而不是在多個單元中進行劃分，通常是比較便宜的。在大規模的物聯網系統中每一層有明顯的物理區分。然而，在一些小型系統中，可以將多個層組合到一個單元中。例如，自動售貨機中的網關包括了用戶界面、輸入、輸出和無線或有線接口。在這種情況下，IoT只包含了云和網關。

考慮到選擇的多樣性，哪些是IoT網關硬件和軟件所必須的呢?

二、硬件的考慮

下面是網關硬件的一些需求：

1. CPU：

不同IoT應用程序對網關的CPU及其相關模塊的需求差異很大。有些應用程序可能對計算能力要求很高，這就需要一個具有浮點計算能力的強大處理器;有些應用程序可能對安全性敏感，這就需要一個帶有硬件增強功能的CPU，以滿足TPM規范。許多供應商提供了兼容小型網關的CPU，例如，英特爾Atom E3800在物聯網網關中很流行。該處理器具有從1個到八個核多個系列;內存從512kB到2MB;操作頻率從1.33 GHz到1.91 GHz。

2. 存儲：

使用閃存存儲數據的固態硬盤(SDD)是很流行的選擇，因為他們沒有移動的磁頭，性能可靠，且與硬盤驅動器(HDD)相比性價比更高。英特爾E 6000p系列是SSD是一個很好的例子：容量分為128GB和256GB版本，帶有功能標準的PCIe Gen 3接口，并提供了AES 256位的數據加密。

3. 連接：

硬件必須支持各種有線和無線通信接口。互聯網與云的連接很可能是通過Wi-Fi或以太網連接到路由器，但考慮到物聯網用例的多樣性，與終端節點的連接具有很強的專用性。

4. 環境考慮：

在硬件的選擇上也要考慮到實際的操作環境。IoT網關設備將被安置在辦公室、安置在工廠的地板上，還是以某種方式暴露陽光下?并且功耗要求是多少?

三、軟件的考慮

IoT網關的軟件也需要多點考量。主要有以下幾點：

• 操作系統用于管理處理器、內存和其他資源，并為應用程序提供底層硬件的抽象。IoT網關的操作系統有多種選擇，包括專用系統，如微軟的Windows IoT Enterprise或Windows IoT Core，還有其他的很多開源系統，如Ubuntu或Ubuntu Core，他們都是Linux的衍生產品。
• 與終端節點的連接和通信可以通過USB、RS-485、IEEE 802.11/b/g/n (WiFi)、LoRa或低功耗藍牙 (BLE)等協議。與云的通信可以使用以太網、wi - fi或蜂窩協議。
• 網關位于終端設備層和公共互聯網之間，對保證數據的安全起著重要的作用，同時網關也是黑客攻擊的首要目標。任何健壯的軟件棧都必須包括層的安全，包括通信的加密和設備的認證。安全設計通常包括硬件和軟件組件之間的緊密交互。

四、網關設計實例

為了滿足不同物聯網應用的需要，IoT網關設備形狀各異和大小不同。下面是針對不同應用的網關設備的例子——工業物聯網，多媒體信息站。

1. 工業物聯網

工業物聯網(IIoT)的應用包括自動化制造、HVAC、智能物流、過程控制和智能農業等。IIoT所使用的范圍是廣泛的，因此IIoT網關必須能夠兼容各種通信協議，能夠進行近距離的處理，具有靈活的安裝選項，并能夠工作于工廠的環境中。

圖2 戴爾EM3001網關基于Intel的雙核Atom E3805處理器，廣泛的適用于各種工業應用，如自動化汽車裝配線。

戴爾EM3001主要面向工業物聯網應用，它是基于Intel的Atom E3805處理器的，具有1MB RAM，運行頻率1.33 GHz。EM3001屬Edge Gateway 3000系列，無風扇設計，兼容各種操作系統，包括Ubuntu、Windows Embedded Standard，或Intel Wind River Linux。

EM3001既支持有線網絡也支持無線網絡，支持的無線協議包括IEEE 802.11b/g/n (Wi-Fi)，蜂窩網絡和BLE，支持的有線協議如USB、10/100以太網和PoE。此外，它也包含了傳統的工業接口標準，如RS-232， RS-422和RS-485。為了提高靈活性，EM3001包含一個GPIO端口，該端口具有8個通道，可以獨立編程為數字I/O，DAC、ADC接口。它還集成了加速度傳感器、壓力、溫度濕度傳感器和GPS。EM3001是針對在移動和制造環境下使用而設計的，他功耗低，IP50的防護等級，具有一個工業級的micro-SD卡以及TPM 2.0安全規范。

2. 交互式多媒體信息站

交互式多媒體信息站，也可以稱為銷售點的POS終端，是一個小型IoT的應用實例。它需要一個網關，終端通過網關與云服務器進行數據交互來完成預定的任務。終端需要包括一個熱敏打印機、顯示器以及麥克風、揚聲器、觸摸屏等人機接口(HMI)。

Intel為小型應用提供了NUC(下一代單元計算)系列設備。例如，Intel NUC Kit NUC5CPYH將終端節點和網絡功能集合到了一個單獨的設備中。

對于小型應用，數據全部在遠程服務器進行處理，對遠程服務器依賴嚴重，因此網關可以使用性能較低且成本便宜的CPU。NUC的CPU采用Intel Celeron系列的雙核CPU N3050，它包含2 MB的cache，運行頻率1.6GHz。與應用程序相匹配的是，NUC網關還包含了Intel HS顯卡并提供了VGA、HDMI和eDP觸屏顯示屏接口，此外它還具有音頻功能，有耳機/麥克風插孔和內置揚聲器。

五、IoT網關設計需考慮哪些問題

Intel NUC設備是一個單板計算機，它可以用作一個優秀的IoT網關來連接終端節點和云。

網絡吞吐量越來越大，因此NUC還具有千兆以太網接口。與前面所討論的IIoT網關不同的是，一個典型的小型應用網關不需要各種I/O接口。盡管如此，NUC還是包含了一個PCIe插槽，并提供了一個可用的插頭，可以通過它訪問USB、SMBus以及電源和地。