利用混合拓扑和物联网网关实现更大弹性
来源:    发布时间: 2016-09-19 10:03   649 次浏览   大小:  16px  14px  12px
本文探讨 Wireless Sensors 的一个解决方案,该解决方案在通过物联网网关与云通信的自我配置和自我愈合无线网状网络中连接传感器。介绍此解决方案如何将网状联网的灵活性和弹性与星形拓扑的低延迟相结合。讨论物联网网关如何支持RESTful Web服务和与Microsoft Azure平台的集成,为云和高级分析提供无缝数据路径。

Paul Richards,Bill Goretkin,Wireless Sensors公司


有一句谚语“无法掌控能力范围以外的东西”,非常适合套用在能源和工业流程优化上。这些行业的数据需求推动快速采用无线传感器以及将其连接到物联网 (IoT) 所需网关。这类网关通过允许低成本传感器部署,实现过去不透明运营细节的透明化。随着先进分析的应用,优势变得更加显著。


但实现这些优势存在一个重大挑战。公司需要确定连接非 IP 友好通信协议(如 Modbus RTU)隔离的传统系统的最佳方法。


本文探讨 Wireless Sensors 的一个解决方案,该解决方案在通过基于 Intel® NUC 的物联网网关与云通信的自我配置和自我愈合无线网状网络中连接传感器(图1)。我们介绍此解决方案如何将网状联网的灵活性和弹性与星形拓扑的低延迟相结合。我们讨论物联网网关如何支持 RESTful Web 服务和与 Microsoft Azure 平台的集成,为云和高级分析提供无缝数据路径。我们还考虑将 Intel® NUC 用作物联网网关平台的优势。



图1. Wireless Sensors解决方案是采用基于Intel处理器的物联网网关的自我配置和自我愈合无线网状网络。

最艰难的一英里

连接物联网的最困难部分往往是从本地 Internet 连接到设施内设备或系统所在点之间的“最后一英里”。连接这些“设备”意味着使现有传感器上线,并获取、配置和连接新传感器。


令人惊讶的是,最佳途径不能全面实现 Internet 连接。较廉价的方法经常可以实现同样功能,并且不存在添加数百或数千新 IP 地址的复杂性。


基于射频 (RF) 的网状网络与功能强大的物联网网关相结合,提供廉价方法。对于新的和现有操作,无线网状传感器网络提供合适的缩放性、冗余性和易于部署性。由于无需安装电线,这类网络可以在数小时内开始工作。通过物联网网关连接云的网络提供数据收集和云通信所需的所有技术。


使用网状的时机

要更好地理解无线网状网络优势,请考虑替代方法。大多数无线 IP 网络使用星形拓扑,所有节点通过物联网网关等设备直接与网络通信。如果端到端传输时间很关键,这类直接通信路径可以提供。但是,星形拓扑经常缺少容错功能,因此此优势是有代价的。大型建筑或室外区域的网络扩展也更困难。


对于可容忍一定延迟的应用,网状拓扑提供方便解决方案。在此拓扑中,数据在节点之间转发,直到到达预期最终目的地。如果单独传输分段临时不可用,数据将在替代路径上自动重新调整路径。从单故障点自我恢复的功能显著增加整体可靠性。


混合解决方案

对于需要两者 – 星形和网状 – 最佳优点的情况,Wireless Sensors 提供基于 SensiNet* 技术的混合解决方案。已经证明对数据中心的环境监测有效的 Wireless Sensors 的 SensiNet 实施利用星形拓扑的低延迟,同时保持网状方法的灵活性和弹性(图2)。



图2. Wireless Sensors的SensiNet实施提供星形拓扑的低延迟,同时保持传统网状联网的灵活性和弹性。

该技术是混合技术的原因包括:

•和星形拓扑中一样,桥接(及其相应路由器)提供 IP 网络的直接链接。

•和网状网络中一样,传感器像普通节点一样连接路由器和桥接,如果传输分段不可用,则自动重新调整至不同路由器或桥接。


解决方案的 RF 网状路由器和桥接提供的持续网络通信可用性是一个重要优势。在传统网状联网中,网络仅在计划唤起时处理消息。利用网状路由器和基于中断的消息,SensiNet 保持持续可用以立刻提供通信。


SensiNet 的混合方法还支持单独选择报告间隔。由于整个网络不受最时间灵敏的测量管理,可以设置每个节点以最优组合报告间隔与电池寿命。


更大弹性

如果大量通信用尽电池电量后关键节点失去电力,传统网状网络往往崩溃。SensiNet 通过冗余通信路径确保可靠通信来避免此问题。自我组织和自我愈合功能允许 SensiNet 适应物理环境的变化并为其弹性作出贡献。遇到干扰时网络还可以动态重新组织以实现与其他网络的共存。


新的和传统传感器

为帮助企业快速跨国最后一英里和连接传统设备,Wireless Sensors 提供自己的智能传感器系列和配件用于快速设施(图3)。传感器解决从智能建筑和数据中心到中央工业应用等应用,如低温贮存。传感器可用于:周围和密闭环境,湿度,压力,差压,空气流,接触状态以及 AC 电流。随着监测需求的变化,可以轻松重新配置和重新定位传感器。



图3. Wireless Sensors提供采用吸引人设计的一系列智能传感器,用于各种用途和环境。

对于测量环境条件的传感器,Wireless Sensors 构造其装置以允许增加空气流。高性能嵌入式 MEMS 传感器可快速应对变化。墙壁安装支架便于安装,C 电池提供显著更长的使用寿命。


为集成传统模拟第三方传感器,Wireless Sensors 通过智能传感器上的 4-20 mA 和 0-10VDC 输入将信号馈送到系统中。然后智能传感器通过桥接与无线物联网网关通信。


从射频到 IP

在 SensiNet 网状网络中,传感器交换 EF 数据包。要实现物联网通信,网络中的桥接将这些 RF 数据包转化为 TCP/IP 数据包。单个桥接可以支持集成数百传感器节点,从而降低成本。如果应用仅需要数个测量点,远程桥接可以支持硬接线传感器。通过在 Ethernet 网络上分布桥接,网络可以轻松处理数百传感器,利用 Ethernet 的缩放性和模态(有线、Wi-Fi、蜂窝网络)。


两个无线网关选择

为从桥接收集数据并连接到云,Wireless Sensors 提供两个无线网关:GWAY-2100 和 GWAY-2105。两者都支持应用,并基于 Intel® Atom™ 处理器 E3815 支持的 Intel NUC。


网关包含网络管理、用户界面、数据记录、趋势、报警和通信功能。要访问和配置系统,只需一个标准浏览器和网络连接。无需其他软件。


两种网关提供同样广泛的协议与网络支持。Wireless Sensors 建议 GWAY-2100 用于较小应用,和作为带实时视图、趋势和电子邮件提醒的独立数据记录装置(图4)。板载可存储最多 8 百万个记录,系统将在常用协议上自动发送传感器数据。




图4. 基于Intel NUC的GWAY-2100无线网关(显示BRDG-1222)是用于较小应用的应用支持设计。

GWAY-2105 通过支持最多 5 个远程安装的 SensiNet 桥接,可以连接更大的现有网络架构(图5)。它为建筑周围、校园内外或全球的传感器实现一个集成点。GWAY-2105 提供和 GWAY-2100 相同的协议与网络支持。



图5. GWAY-2105通过连接最多5个远程安装的SensiNet桥接,支持更大的现有网络架构。

网关上的中间件从 IP 复杂性提取单个传感器,允许通过现代通信协议轻松集成传感器与物联网。网关还提供一个平台用于数据缓冲、边缘分析和中央报警以降低云处理与存储成本。


网关的板载 Web 服务器实现边缘到云的通信。包括 Modbus、SNMP、ODBC、OPC、HTTP POST、SOAP 和 FTP 在内的广泛协议支持实现简单集成(图6)。连接所有设备后,用户可以远程查看提醒和监测趋势。或者,系统可以通过网关将收集的传感器数据转发至控制和企业网络。



图6. 网关板载Web服务器提供广泛协议支持以简化集成。

基于 Intel® NUC

用于创建这些网关的 Intel® NUC Kit 是适合重视价值的企业和组织的紧凑工具。此低成本解决方案提供:

•无风扇设计,实现静音和可靠性

•具有 5 W 热设计功率 (TDP) 的 Intel® Atom™ 处理器 E3815

•4 GB 板载嵌入式 MultiMediaCard (eMMC) 存储

•内部平面板显示连接线,用于内置屏幕

•视频图形阵列 (VGA) 端口,用于传统安装中的监视器兼容性

•Inter 集成电路 (I²C) 和脉冲宽度调制 (PWM) 信号,用于连接传感器和其他物联网支持的嵌入式设备


凭借工业设计和对 Linux* 及 Windows* 嵌入式操作系统的支持,配备 Intel® Atom™ 处理器的 Intel NUC 为网关应用提供性能、低功耗、低价格和软件兼容性。提供高成本停机防护的内置监视狗计时器实现高可用性弹性。此外,Intel NUC 采用单独受信任平台模块 (TPM) 用于基于硬件的数据加密以保护机密信息。


采用更强大 Intel® 处理器的 Intel NUC 允许解决方案用于更复杂的数据分析或数据调整。这些处理器包括更高性能的 Intel Atom 处理器,以及最新的 Intel® Celeron®、Intel® Pentium® 和 Intel® Core™ 处理器。后者采用 SKU 提供 Intel® vPro™ 技术的安全和可管理性功能。


分析网关

Wireless Sensors 配置的 Intel NUC 物联网网关预先集成与 Microsoft Azure 平台的连接,实现与云中先进分析工具的无缝数据路径。Microsoft 的一组云服务 Azure IoT Services 支持广泛资源监测和数据分析,带来效率和运营性能提高。这些服务还支持新业务模型和改进的收入流。Azure IoT Services 包括 Azure Event Hubs、Azure Machine Learning、Azure HDInsight 和 Microsoft Power BI。


简化最后一英里

对于智能建筑、数据中心和 IP 解决方案使用最少的专门工业用途的应用,混合无线网状网络提供高度可靠的弹性物联网解决方案,用于监测本地和云中的关键数据。将易于设施、配置和缩放的 Intel NUC 用作物联网网关提供一个可缩放低成本解决方案,用于本地分析和连接 Microsoft Azure 中的先进分析工具。