基于树莓派开发智能网关在工业物联网中的应用

基于树莓派开发智能网关在工业物联网中的应用

彭一真韩玉振彭啸温强史章潞

一汽-大众汽车有限公司成都分公司

摘要：通过树莓派作为底层网关开发基础，一汽-大众公司成功地实现了生产设备的数字化智能网关。本文详细介绍了该系统集成了多种通信协议的特点，并强调了可视化界面带来的便捷操作，无需编程即可实现数据管理、数据变量管理和边缘计算等功能。这种基于树莓派的方案为工业领域的设备管理带来了新的可能性，为提高生产效率和降低成本提供了可行的解决方案。

关键词: 树莓派、智能网关、集成网关、嵌入式开发、低成本物联网

         Application of intelligent gateway development in Industrial Internet of Things based on Raspberry PI

（ Chengdu Branch of FAW-Volkswagen Automobile Co.,Ltd. ）

Abstract:With Raspberry PI as the basis for the development of the underlying gateway, FAW-Volkswagen has successfully realized the digital intelligent gateway of the production equipment. This paper introduces in detail the characteristics of the system integrating various communication protocols, and emphasizes the convenient operation brought by the visual interface, which can realize the functions of data management, data variable management and edge computing without programming. This Raspberry Pi-based solution opens up new possibilities for equipment management in the industrial sector, providing a viable solution for improving production efficiency and reducing costs.

Keywords:Raspberry PI, Smart Gateway, Integrated Gateway, embedded development, low-cost iot

一、引言

随着工业自动化和智能化的不断发展，工业领域对于低成本、高效率的计算和控制方案的需求日益增加。树莓派作为一款低成本、高性能的ARM架构单片机，具有丰富的接口和灵活的可编程性，因此在工业领域中得到了广泛的应用。本文将介绍树莓派在工业领域中的应用案例，并探讨其在提高生产效率、降低成本、增强设备智能化等方面的潜力。

二、技术实现

1.模块化封装工业泛型通讯协议

本研究旨在实现工业通讯协议的模块化封装，以提高不同设备和系统间的互操作性。采用标准化的计算机语言开发方法，确保了通讯协议的通用性和可扩展性。特别地，针对德国特定设备制造商，例如杜尔公司设备，进行了深入研究，以实现其特殊通讯协议的整合。通过这种整合，成功开发了一种多协议工业网关，该网关能够支持多种通讯协议，从而为工业自动化和智能制造提供了更为灵活和高效的解决方案。

2. 功能解耦与模块化设计

通过功能解耦策略，实现了通讯I/O的高效封装。采用前端技术对通讯接口进行包装，将动态扩展能力、访问条件以及配置信息等关键要素集成在一个统一的模块中。这种封装不仅简化了通讯过程，而且提高了系统的可维护性和可扩展性。

在树莓派网关的设计中，特别关注了通讯层的分类管理。通过将连接、测试、日志记录和心跳检测等功能进行有效分离和封装，确保了各模块之间的独立性和协同工作能力。这种设计策略极大地增强了网关的灵活性，使其能够适应不同的工业环境和通讯需求。

采用了模块化解耦的方法，将Modbus、PLC、Bluetooth等不同的通讯协议进行分层处理。通过这种策略，每个通讯协议都被封装为独立的模块，从而实现了代码的高内聚和低耦合。这种设计不仅提高了代码的可读性和可维护性，而且为未来通讯协议的扩展提供了坚实的基础。

在产品开发过程中，对架构进行了深入的评审和优化。通过持续的代码审查和架构评估，确保了模块化策略的有效实施，并及时发现并解决了潜在的设计问题。这种深度优化不仅提升了产品的整体质量，而且为未来的技术发展和市场适应性奠定了坚实的基础。

3. 数据上载机制

本研究提出了一种灵活的数据上载策略，支持通过局域网（LAN）、广域网（WAN）以及互联网等多种网络环境进行数据配置和传输。通过预先设定的库参数，系统能够自动生成相应的数据表结构，确保数据存储的规范性和一致性。此外，系统按照用户定义的频次自动执行数据上载任务，从而实现数据的实时同步和更新。

为了满足不同场景下的数据传输需求，本研究实现了多种网络传输模式，包括但不限于HTTP、SQL、WebSocket（WS）、Server-Sent Events（SSE）以及MQTT等。这些模式的同步开启，为用户提供了灵活选择数据上载方式的自由度，同时也增强了数据传输的可靠性和效率。

4 安全管理策略

智能网关的安全管理中采用了JSON Web Tokens（JWT）授权模式，以实现用户身份的验证和访问控制。JWT提供了一种安全、可靠的方式来交换信息，确保只有经过验证的用户才能访问系统资源。通过这种方式，加强了系统的安全性，防止了未授权访问和潜在的安全威胁。

在数据传输安全方面，采用了一汽大众自研的高级加密标准（AES）和应用层加密协议（AEB）等技术，对传输中的数据进行加密处理。这种加密措施有效防止了数据在传输过程中被截获、篡改或伪造，从而保护了数据的完整性和机密性。此外，通过加密技术的应用，大大降低了因数据泄露导致的系统崩溃和宕机风险。

5. 日志管理系统

本研究实现了一个全面的运行状态监控系统，该系统能够实时监控设备的连接状态、设备参数流状态以及上载数据的运行状态。对于这些状态中出现的任何异常，系统会自动生成规范化的异常日志，并通过同步机制将这些日志记录到系统终端界面，便于用户查询和状态分析。这种日志管理策略不仅提高了故障诊断的效率，而且增强了系统的可维护性。       

为了进一步增强智能网关的稳定性和安全性，对树莓派进行了静态监控，包括但不限于存储空间展示、内存状态管理、用户账户管理、SSH服务管理以及主程序配置文件的修改状态监控。这些监控措施确保了在智能网关运行时（Runtime），能够有效地识别故障产生的主要因素，并及时采取措施进行处理。

三、开发树莓派网关在工业物联网中的优势

使用低成本的树莓派作为物联网智能网关，本研究显著降低了硬件投资成本。与传统的工业网关解决方案，例如德国西门子的Nano系列相比，成本降低了超过70%。这种成本效益不仅减轻了企业的经济负担，而且使得更多的中小企业能够负担得起工业物联网的部署和维护。

在数字化转型的进程中，一汽大众通过自主研发和主导技术发展，不断利用数字化手段提升自身的核心竞争力。这种转型不仅涉及到生产流程的优化，还包括了管理效率的提升和市场响应速度的加快。通过这一过程，一汽大众展示了其在工业4.0时代中的领导地位和前瞻性思维。

四. 结论

在未来，随着物联网技术的不断发展，这种低成本智能通用网关将会在工业领域发挥更加重要的作用，推动产业转型升级。这种创新技术的应用，可以激发其他企业效仿的动力，推动行业迈向数字化、智能化发展的方向。通过实现设备间的无缝连接和数据交换，企业间的合作与协同将更加紧密，整个产业链的效率也将得到提升。这种数字化转型不仅能够提高生产效率，还能够促进产品质量的提升和工艺创新的加速，从而推动整个行业向着更加智能化、高效化的方向发展。

参考文献：

[1]Di Lallo, A., & Bogliolo, A. (2016). Building Wireless Sensor Networks: with ZigBee, XBee, Arduino, and Processing. Packt Publishing Ltd.

[2]《树莓派项目开发实战》 - 林子雨 著，机械工业出版社，2018年

[3]《树莓派用户指南》 - 潘朝晖 著，清华大学出版社，2017年

[4]《树莓派3从入门到精通》 - 郑飞 著，清华大学出版社，2016年

[5]Craft, J. (2016). Raspberry Pi IoT In C. Apress.