專為感測器網路設計的物聯網(IoT)閘道器必須不斷符合雲端與現場的高度異質性需求,如此一來,物聯網閘道器便構成所有通訊的核心,而且得隨時根據特定的應用需求自訂。

根據MarketsandMarkets報告,物聯網閘道器市場預計在2016年至2022年間呈現大幅成長,達到14.2%的複合年均成長率(CAGR)。僅次於專為辦公室或家庭環境設計的一般溫度操作閘道器,而專為嚴峻環境設計的工業用閘道器的需求也十分龐大。探究辦公室與家庭環境操作溫度範圍以外的應用市場後,便不難發現嚴峻環境專用閘道器在消費大眾市場中脫穎而出的鮮明特性。

除了強固性與耐用性的市場區隔之外─這也是開發人員喜愛使用嵌入式硬體的原因,此類閘道器更具備高度的異質性需求。 ‧裝設在大型公共或私人建築物屋頂或地下室的系統,必須整合加熱、汽電共生、太陽能、電梯和對講機,以為操作員提供真正的全方位資訊。 ‧變電所通常需要管理包含各種能源來源和儲能系統的異質性微電網。 ‧火車、飛機或商用車隊專用系統需整合本地化資訊和導航系統,並結合資訊娛樂、供應鏈管理及行車系統的健全度檢查。 ‧物流應用是倉儲與運輸車輛閘道器最重要的市場之一。 ‧石油與天然氣管線可透過雲端科技,實現更完善的監控。 ‧保全監控是另一重要市場,主要包括影像監視系統和門窗感測器。 ‧工業用閘道器可提供廣泛的感測器資料,並針對工業應用建立智慧節點。 ‧智慧城市用途則包括停車導引系統、電動車充電站、街道照明控制系統等。

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即便單就應用層而言,閘道器的邏輯需求也充滿了高度異質性;(無線)感測器網路和各種通訊協定間的連線,以及雲端各種不同資料庫之間的通訊連線也都一樣。閘道器扮演著雙向節點的角色,而且必須作為通訊連線與決策制定的真正主控裝置。我們需要有一個系統專門蒐集感測器資料、在分析後進行轉碼,然後根據得到的資訊做出決定。資料也必須經過正確處理,方可確保資料架構和雲端傳輸的一致性。最後,還必須有能與雲端解決方案連線通訊的雙向通訊邏輯,而且全部均需採取安全的端對端加密。

請記住,應用程式開發人員主要專注於應用層,7層的ISO/OIS模型需要大量額外工作,才能從個體元件發展成全功能的物聯網解決方案。

例如,德國康佳特(congatec)開發出一款全新的雲端應用程式編程介面(API),讓方案供應商能迅速、彈性地根據物聯網感測器網路與雲端的特定需求進行調整。該雲端API旨在透過提供支援應用程式的軟體模組,為OEM簡化這項工作,並使顧客能夠使用藍圖自行開發應用程式,原理類似於硬體層級的載板電路圖。開發人員也可以將專為物聯網閘道器設計的端API,整合至任何區域感測器網路。

此API可與所有類型的區域感測器連線通訊、處理資料並轉換取得的資料,然後使用規則引擎進行分析,以便從區域端做決定,如此可減少物聯網雲端的流量並加速反應時間。透過使用TLS保護MQTT通訊協定安全,實現了與雲端的雙向資料交換,此通訊協定和物聯網雲端本身可相互替換。

該雲端API功能模組以C++語言編程的優點,已透過連線至藍牙LE感測器網路獲得證實。其他無線感測器網路的參照設計,如ZigBee或LoRa,以及樓宇與工業自動化的有線解決方案也都能加以執行,更進階的實作包括異質性配置,以及講究即時進行快速區域資料交換的大型設備附加閘道器連線通訊。此實作可能性的最佳範例就是工業4.0連線設備與系統。在示範版本系統中,雲端API整合至可使用Qseven模組擴充的物聯網閘道器上,進而為顧客的特定配置需求,提供各式各樣的擴充選擇。此一開放式的最佳作法解決方案是OEM客戶評估其特定物聯網應用的理想選擇。

在支援應用程式的最佳作法解決方案中,最重要的軟體元件包括雲端API功能模組,以及各家供應商獨立物聯網雲端的示範與測試模組。雲端API軟體模組使用感測器引擎,以整合各獨立通訊協定和裝置,以及感測器與致動器之間的通訊連線。此軟體模組也會將記錄的資料正規化,成為可定義的實體單位,並檢查一致性。而其作業系統(CGOS)程式庫整合所有相關閘道器系統參數,如CPU工作負載、CPU和主機板溫度、入侵偵測、硬碟狀態和看門狗計時器。規則引擎則允許區域閘道器在任何連線狀態下定義即時訊息與動作,而通訊引擎則負責將加密的獨立供應商雲端通訊,透過有線或無線網際網路連線標準化。

物聯網雲端的示範與測試模組允許開發人員定義雲端的資料儲存,還可進一步建立用於控制物聯網應用程式的中央訊息與規則、定義其他升級情境,並為遠端用戶端提供儀表板。然而,核心功能仍在於雲端API,包括存取物聯網閘道器和其區域連線的感測器網路。

20171227_congatec_TA41P2 雲端API從藍牙LE感測器蒐集大量實體資料,資料接著在物聯網閘道器中進行處理、加密,並隨著閘道器狀態資料(如CPU溫度)傳輸至雲端,資料在雲端進行整合,並顯示於線上儀表板(來源:congatec)