网关 lan wan（无线网关配置）

许多低功耗无线接口和协议，例如低功耗蓝牙、ZigBee、Thread 等，在智能家居和智能工业传感器网格应用中很常见。然而，开发人员发现这些射频协议是在物联网(IoT) 出现之前设计的，因此通常缺乏与互联网协议(IP) IPv4 和IPv6 的互操作性，从而难以将设计连接到物联网以进行智能传感、自动化和控制的目标具有挑战性。

IP 互操作性问题可以通过多种方式解决，例如转换数据包或使用IP 兼容的无线接口。第一个选项效率较低，第二个选项则缩小了设计者的Wi-Fi 选择范围。

本文将具体介绍第三种方法：物联网网关。它们充当网络聚合器，通常具有高级安全性和多个I/O 回程选项。本文介绍了其功能和特性，然后介绍了适当的解决方案以及如何最大限度地发挥其优势。

IoT 的无线选择

尽管缺乏直接IP 互操作性，许多流行的低功耗无线接口和协议仍具有良好的范围和吞吐量、与其他2.4 GHz 技术共存以及网状网络支持功能。 （请参阅Digi-Key 文章“低功耗无线技术的比较”。）

双向无线连接允许用户远程监视和控制系统，同时强大的基于云的算法分析过程数据以优化性能、节省能源或提高生产力。

如前所述，可以通过三种方法来克服低功耗无线协议缺乏IP 互操作性的问题。第一个是选择一个具有网络适配层的协议，该层可以“转换”数据包，以便它们可以通过IPv6 网络进行传输。一些制造商提供低功耗蓝牙、ZigBee、Thread 和其他RF 协议“堆栈”，包括基于IPv6 的低功耗无线个域网(6LoWPAN) 传输层。通常，这些协议栈工作正常，但实现起来更复杂，并且每个节点上需要更多的处理器资源和功耗。

第二种选择是使用具有本机IP 支持的无线协议。 Wi-Fi 可能是最好的例子。严格来说，Wi-Fi仅定义了协议栈的物理层（PHY）、媒体访问控制层（MAC）和逻辑链路控制层（LLC）。然而，互联网Wi-Fi 连接无处不在，供应商通常会提供基于Wi-Fi 底层的完整TCP/IP 协议栈。其缺点是Wi-Fi 节点比竞争性无线技术更大、更昂贵且功能更强大，因此不太适合所有应用。

第三种方法是利用物联网网关。这些设备是独立的，包括弥合LAN 和IoT 之间差距所需的所有软件和硬件（图1）。对于RF 专业知识有限的开发人员或希望向传统低功耗无线网络添加互联网连接的开发人员来说，网关也是一个不错的选择。

图1：设计人员可以从三种选项中进行选择，将无线传感器网络连接到物联网。此处显示的第一个选项描述了如何将无线节点连接到物联网网关，从而将其作为中继连接到互联网。 （图片来源：德州仪器）

网关和路由器之间的差异

需要区分网关和路由器。路由器是一种更简单的设备，它为共享通用协议的节点提供服务，并且需要单独传递通过该协议传输到互联网和从互联网传输的数据。 Wi-Fi 路由器就是一个很好的例子；这些设备在支持IP 的移动设备（例如智能手机和笔记本电脑）和互联网之间路由数据，但没有交互。

相比之下，物联网网关集成来自不同无线源和接口的数据并将其连接到互联网。在某些情况下，网关与路由器结合使用以方便实施。网关的主要优点是它们不需要单独的网络节点，因此支持IP及其相关的复杂性和成本特征。

网关可以很简单也可以很复杂。简单的设备组织并“转换”节点接收到的数据包，使它们适合通过互联网传输。并且，简单网关转换从互联网接收的数据包并将其分发到网络中的各个节点。

更复杂的网关不仅具有此功能，而且还具有高级安全功能和处理全部或部分应用程序流程的资源（与节点共享负载）。该系统的优点是节点更简单、成本更低、功耗更低。在具有许多节点的系统中，将处理能力集中在网关比将其分布到所有节点更便宜。更复杂的网关还可以确保LAN 在互联网访问丢失时继续运行，并且可以在重新建立互联网访问时缓冲节点数据以进行云传输。

网关解决方案

许多制造商提供商业物联网网关解决方案。设备通常是主电源供电的单元，可以配置为使用各种无线接口，包括精选的低功耗射频协议。通常，连接到IoT 是通过基于IP 的无线广域网(WAN) 接口，例如Wi-Fi（或有线类型，例如以太网）。一些较新的设计包括通过蜂窝网络或专有WAN 技术（例如LoRaWAN）进行互联网访问。

WAN 技术通常采用由Linux 等操作系统(OS) 控制的重量级协议栈。为了满足此类固件的计算需求，商业物联网网关配备了功能强大的嵌入式微控制器。

更先进的网关支持多种网络平台，例如HSDK、NAT64、PC-BLE-Serialization 和LoRaWAN Gateway Bridge，以及多种云服务，例如来自Amazon、Microsoft、Ayla 和IBM 的云服务。这些先进的设备还具有应用程序安装的远程管理、固件更新和配置更改、终端设备固件更新以及网状网络拓扑和设备的远程管理等功能。

Rigado 的Vesta 系列物联网网关是最新一代可配置网关的一个很好的例子。该产品由运行Yocto Linux 操作系统的NXPi.MX6 UltraLite Arm Cortex-A7 应用处理器提供支持。该设备支持2.4 和5 GHz Wi-Fi (IEEE 802.11a/b/g/n)、蓝牙4.2、低功耗蓝牙和IEEE 802.15.4（包括Thread）。该网关还支持以太网IEEE 802.3af 以太网供电(PoE) 和USB 2.0。网关需要4.5 至5.5 V 电源或通过PoE 连接运行。 Rigado 表示，蜂窝和LoRaWAN 扩展选项将很快推出。

Sierra Wireless 的FX30 IoT 网关还配备Arm Cortex-A7 应用处理器和开源Yocto Linux 操作系统（图2）。互联网连接通过蜂窝基础设施(LTE Cat 1) 进行，该装置接受来自物联网连接器扩展槽的Wi-Fi、蓝牙和ZigBee 输入。标准装置仅设计有以太网和USB 等有线接口，并且需要4.75 至32 V 电源。该设备的功耗低得惊人，待机模式下的功耗低于1 W，休眠模式下的功耗仅为2 毫瓦(mW)，而且结构坚固。该器件满足MIL-STD-810 的振动和机械冲击要求，工作温度范围为-30 至+75C，是工业应用的理想选择。

图2：Sierra Wireless 的FX30 IoT 网关使用蜂窝技术连接到互联网。 （图片来源：Sierra Wireless）

商业物联网网关的第三个示例来自Laird Technologies。其Sentrius RG1xx 系列因使用LoRaWAN 而闻名，LoRaWAN 是一种用于互联网连接的长距离、低功耗WAN 技术。该设备采用AtmelA5嵌入式微处理器，运行Linux操作系统。除了LoRaWAN 之外，该装置还提供2.4 和5 GHz Wi-Fi、蓝牙4.0 和蓝牙低功耗接口以及以太网接口。由于其长距离连接，Sentrius 非常适合智能计量、工业自动化和农业应用。

调试网关

Rigado、Sierra Wireless 和Laird Technologies 等物联网网关允许设计人员将其低功耗无线网络连接到互联网和云服务，而无需设计复杂的连接硬件和固件。然而，需要一些开发工作来确保无缝运行。幸运的是，物联网网关制造商通常提供促进此开发过程的产品、工具和服务。

例如，Laird 的Sentrius 专门设计用于与该公司的RM186/191 系列LoRaWAN/蓝牙低功耗无线模块连接，用于无线传感器应用。这些装置将低功耗蓝牙的便利性和智能手机互操作性与LoRaWAN 扩展范围（可达15 公里）结合在一起。 Laird 提供开发套件DVK-RM186-SM-01，可简化将模块连接到Sentrius 网关的过程。使用该公司的Node-RED 开发环境和相关指导，该过程变得简单明了。

Sierra Wireless 建议使用Legato 开源Linux 平台将其FX30 IoT 网关连接到云。 Legato 附带一个应用程序“沙箱”，为运行和控制多个应用程序提供安全的环境。该平台还提供应用程序编程接口（API），允许开发人员连接到云。

对于需要设计高级网络的开发人员，Legato 提供了基于Eclipse 的多语言支持集成开发环境(IDE)，以及一套诊断工具，可实现本地和远程调试、故障排除、监控和分析。

发送数据至云

Rigado 借助其VG3-23E4-WIB0C0-ASA-DEKIoT 开发套件（包括Vesta Gateway 和NordicThingy:52 蓝牙低功耗开发套件）进一步简化了无线网络和云连接（图3）。该开发套件允许工程师设计将蓝牙5/蓝牙低功耗传感器连接到云端的原型解决方案。使用IoT 开发套件的优点是无需RF 经验，因为Thingy:52 传感器已配置为与Vesta 网关通信。 Rigado 的Node-RED 开发环境包括一个演示应用程序，可通过Vesta Gateway 将数据从Thingy:52 传感器转发到Amazon Web Services (AWS) 云服务，从而进一步简化了原型设计。

图3：Rigado 的VG3-23E4-WIB0C0-ASA-DEK IoT 开发套件包括Vesta Gateway 和Nordic Semiconductor 的Nordic Thingy:52 IoT 开发套件。 Rigado 的Node-RED 开发环境简化了网关配置。 （图片来源：Rigado）

通过Vesta Gateway 将Nordic Thingy:52 传感器数据发送到AWS 非常简单。 Vesta 首先将自身配置为Wi-Fi 接入点，并通过浏览器连接到开发人员的Wi-Fi 网络。单击提供的URL 将启动Node-RED 应用程序，然后该应用程序会自动扫描Nordic Thingy:52，尝试连接并扫描通用唯一标识符(UUID)。建立连接后，将从Nordic Thingy:52 读取传感器数据并将其发送到AWS 和Node-RED 应用程序仪表板。开发人员可以通过仪表板进行更改，以过滤传输的信息以及发送的频率。

Node-RED 开发环境还为经验丰富的开发人员提供了一种简单的方法来创建基于浏览器的工作流程，以连接硬件设备、应用程序编程接口(API) 和云服务。

通过物联网网关将传感器网络连接到云端可以成倍地提高系统利用率。云服务提供商通常提供基础设施来处理原始传感器数据、控制和分析数据，并提供有用的信息或反馈。

例如，在使用AWS 云系统时，Vesta Gateway 连接到AWS 的API 网关（图4）。 API Gateway 允许开发人员为Vesta Gateway 应用程序创建、配置和托管API 以连接到云。例如，应用程序可以使用API 从Nordic Thingy:52 内置传感器上传温度和湿度数据。然后，原始数据可以存储在Amazon S3“存储桶”或Amazon DynamoDB 数据库服务中。

图4：Vesta Gateway 利用亚马逊的AWS 云服务来收集数据并运行所有相关代码。 （图片来源：Rigado。）

AWS Lambda 是AWS 的另一部分，提供计算服务，允许开发人员运行基于云的代码，而无需配置或管理服务器。 AWS Lambda 支持Node.js、Java、C# 和Python。

例如，开发人员可以使用在AWS Lambda 上运行的代码来利用Nordic Thingy:52 发送的原始数据来公布温度和湿度极端值以及每日、每周和每月的平均值。

配置AWS Lambda 以运行代码来响应触发事件（例如对存储桶或数据库中的数据进行特定更改）相对简单。例如，开发人员可以选择运行一组代码，在温度或湿度超过设定阈值时向智能手机发送通知。

原型设计完成后，用于蓝牙5/蓝牙低功耗无线传感器网络应用的Rigado 基于半导体的Nordic 模块系列可用来代替Nordic Thingy:52，以形成最终的生产设计。

总结

云连接对于最大限度地发挥智能无线技术的优势至关重要，但由于主流低功耗无线协议和IP 之间缺乏互操作性，仍然存在严峻的技术挑战。一种快速、简单的解决方案是使用物联网网关，即以最小的设计开销将无线传感器网络连接到云的嵌入式设备。

来源：digikey