随着工业的高速发展，投放在工业环境下传感器的数量与日俱增，但仍存在着诸多问题1）数据采集精确度不够，不能直观明了现场情况；2）出现紧急情况，远端服务器无法及时给出应对措施；3）传感器的数量增多，以致于爆炸式的数据量上传延迟。针对现存问题，以及从能源监管建设的实际需求出发，本文结合边缘计算低延时、高效率、高安全性[1]等特点，设计并实现了一款智能型用于工业互联网的网关。硬件系统、软件系统、云平台三者协同运作，一起完成工业智能网关的运作，有效解决上述提到的问题[2]。硬件系统主要涉及了工作站模块和工业智能网关。工作站模块主要模拟了工厂作业环境，完成工作站状态、数据的监控和数据的采集。工业智能网关的出现势必会解决大多数工厂及生产设备在多协议上的困扰，可为工业互联网实现网络通信提供强有力的支持。实现功能的同时，可将各类传感器、执行器与模拟量、数字量I/O模块组成一个局部无线网络，通过以太网或无线网络接口将该局部网络架设到工业物联网云平台，实现设备间、生产线间以及工厂间组网。二者相辅相成，共同完成了“数据采集-数据传输”的工作[3-5]。软件系统主要由智能工业网关开发程序、边缘服务开发程序构成。边缘服务器开发程序，由参数配置服务、通信服务、数据存储服务构成，依次实现数据采集的站点配置、点位配置；对接设备实现协议转换，数据采集；数据处理，存储采集的数据的功能[6-8]。云平台可完成对实时数据的汇总及动态反馈，使数据一目了然、具体生动；可对传感器进行报警阈值的设定，及时发现异常的数据，做出相应的对策；也可以监测电压、电流等数据，保证传感器、节点等工作在安全电压内，预防出现高压的危险[9-11]。本文设计的工业智能网关通过在边缘侧搭建一个靠近物理设备，具有网络、计算、存储、应用等核心功能的网关，在边缘侧请求就近的网络进行处理和应对，从而能够更快得产生响应，提升了智能性、高效性、实时性[12-15]。并且部分数据在边缘网络进行处理，可以有效地预防在极端天气下，远端服务器不能及时收到数据，从而无法完成对现场情况的应对措施的处理。
目录
第1章 绪论 1
1.1 课题背景与意义 1
1.2 国内外研究现状 1
第2章 边缘计算工业智能网关的需求与分析 3
2.1 平台的需求与分析 3
2.2平台 *51今日免费论文网|www.51jrft.com +Q: &351916072& 
具备能力 4
2.3工业智能网关EdgeX边缘计算微服务框架分析 4
2.4 MQTT通信协议 6
2.5 工业智能网关平台的总体架构设计 7
第3章 工业智能网关平台的硬件设计 10
3.1 工业智能网关硬件平台及特点 10
3.2 工业智能网关外接设备 11
3.2.1 温湿度监测设备 11
3.2.2 步进电机模块 12
3.2.3 蜂鸣器模块 13
3.2.4 工作站模块 13
第4章 工业智能网关的软件设计 14
4.1 多设备对时延的影响 15
4.2 复杂数据对时延的影响 15
4.3 温湿度报警实验 16
4.4 实验结果与分析 22
第5章 总结与展望 24
致谢 25
绪论
1.1 课题背景与意义
伴随《中国制造2025》的推行[16]，未来十年，我们国家工业总体智能化水平将大幅度改善，特别是工业制造业的智能化、互联化、信息化将得到显而易见的发展[17]。工业网关平台通常以多类传感器、工业互联网、工业网关、云平台组成。在如今的工业生产环境中，伴随着大量传感器的接入避免不了会遇到数据上传不稳定、极端天气上传数据网络延迟过高、不能对危险紧急情况做出及时且有效的措施等问题。
基于边缘计算的工业智能网关——在本地端边缘侧搭建物理设备的、用于工业互联网的智能型网关的概念并应运而生。
边缘计算（Edge Computing）指的是在网络的边缘侧进行对数据的计算和存储资源的管理，不论是从网络距离来看还是从实际距离去观察，与数据中心相对的网络边缘，都更贴近数据源头[1820]。作为一种全新的探究方向，在靠近数据产生源的网络边缘搭建边缘服务，运用边缘资源为用户提供更多方便或功能选择，在很大程度上减少上传输至云端中心的数据量，有效缓解网络带宽压力，同时可以更好地解决数据安全和隐私问题。利用网络进行大范围、高深度的数据挖掘，以及完成异构数据的处理与协议转换，构建工业互联网的数据基础[2123]是边缘层的工作。
工业智能网关兼具高效传输、丰富的采集端口、协议解析等优点，运用现代网络技术(4G/5G/WIFI等)为客户提供远距离的大量数据传输和接入工业云平台服务[24]。还支持多种传感器、仪器仪表的实时采集和各种控制器，适合作为工场环境内分布式设备的接入节点。是为满足工业级要求和工场实际需求而设计的工业级网关。
本课题研究的工业智能网关平台结合边缘计算高处理低延时、操作环境适应能力强等特点，以及树莓派4B易上手、低功耗、高性能等优点，使开发者能够开发出符合工业环境需要的应用程序。
工业智能网关在工业生产环境中扮演着举足轻重的角色，它是连接传感器、收集工作站数据和上传云平台的关键枢纽。作为在工业生产中重要组成部分，本文将边缘计算的想法融入工业智能网关中，通过对工业智能网关的设计，将其功能更好地发挥出来。面对上述提到的问题，可以有效解决问题，从而进一步提升系统的扩展性。
1.2 国内外研究现状
在工业发展的早期，工厂里的多台设备每时每刻在产生着难以计数的数据，单单依靠人工进行数据采集，这很难满足工厂生产的需求，并且人工计量是耗时耗力的活，所以人工计量很快就被工业环境给淘汰了。如能发明出可以进行数据的采集、传输和监测的设备，这会很大程度上满足市场和工业发展需求，工业互联网下的工业网关便顺势而生了。
工业互联网被人称为又一次工业革命[2527]，通过这一次以史无前例速度发展的技术革新，工业生产将从中较大程度地获得收益。这一次革新的起源竟是1968年1月1日，Dick Morley宿醉后拟写的一个关于可编程逻辑控制器（PLC）手稿，正是这个初稿使得PLC基本构架概念初步诞生了，也是工业网关的一个雏形。Theodore G. Paraskevakos首先提出了联合电话和计算机的“机器对机器设备（M2M）”的概念[28]，当时他正忙于自己的主叫线路识别系统。Tim Berners通过互联网实现了第一次超文本传输协议（HTTP）客户端与服务器成功通信[29]。随后的物联网便以爆炸式地发展出现在人们面前。1974年12月引入了用于PLC的以太网和传输控制协议/以太网协议（TCP/IP）连接[30]。在过去的几年中，工业互联网的体系已经逐渐落实落细，包括工业连接、高级分析、基于条件的监控、机器学习和添加现实等，当今世界上很多国家和产业都在不遗余力投入资金到工业互联网，相关创企不断消亡，并购案例也在陆续发生，快读促进和影响着工业互联网的发展。毫无疑问，工业世界将发生翻天覆地的变化[31]。
以太网的出现大大降低了本地传输的局限性[32]，用以太网进行传输使得范围上有了一定程度上的延伸。当工业级的传感器节点接入工业互联网，工业生产者发现这是一个质的飞跃。围绕着以太网的推进和WiFi、蓝牙等无线网络技术的面世，数据的远距离传递麻烦得到显著优化，然而不同的通信协议的多重标准防碍了设备与设备之间直接的数据传输。如何缩小传输边界？如何支持更多的协议，解决不同的工业生产场景，以太网的数据传输很明显不能够保证真实生产环境中对于数据的远程监测实际需求[3334]。
现代工业级智能网关的发明，无疑是推动工业发展的又一大“动力”[3536]。工业级智能网关在连接感知网络和传统通信网络中扮演着至关重要的角色。工业智能网关能够完成网络的通信与感知网络的互联，实时收集各个传感器节点数据，并完成了对其的远程控制。作为网关设备，工业级的智能网关能够完成感知网络的通讯与通信网络的互联，既可以实现广域互联，也可以实现局域互联，以及对多种类型感知网络之间进行协议转换[3739]。此外工业级智能网关还需要对设备进行管理，工场操作员可以通过分析各节点的相关数据，对工业级智能网关的各感知节点进行底层管理，并完成对设备的远程控制，在其特有的物联网边缘计算能力帮助下，使得传统工场更加快捷得完成数字化的转型。

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