What is an IoT Gateway?
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來源：21ic
物聯網(IoT)已經成為了我們日常生活中，不可或缺的一部分，有一天你可會無法想像，如果不能在快到家的時候，從手機上打開熱水器的生活，會是什麼樣子。
如果想要實現上面提到的這個功能，或者其他更重要的功能，就需要一個由許多組件構成，並且無縫協作的生態系統。IoT架構(圖1)可以根據功能分為多個層：
設備層(也稱為終端層)一般包含三種元素：傳感器用於測量實際數據、執行器用於執行相應的功能、收發器用於傳輸傳感器的數據並接收執行器的指令。
IoT網路Gateway閘道層，是物聯網生態系統中的一個重要組成部分，是感測器、執行器和雲之間的媒介，用於處理本地感測器和遠端用戶之間的通信，並完成其他的相關功能。
雲層用於整個物聯網系統的監控和管理，它與多個Gateway閘道相連接，對收集和儲存的數據進行分析。
應用層是最終用戶的接口，用於訪問和控制物聯網產品和服務。
圖1 IoT生態系統可以被分成多個層，它們共同完成數據的測量、分發和分析，並且執行相應的動作。
網路Gateway閘道設計的關鍵
雖然每個物聯網系統是不同的，但Gateway的主要作用是聚合多個低速終端節點的數據，並將數據透過高速鏈路發送到雲。
聚合數據所涉及到的，可能不僅僅是向上層發送數據。例如，對於像ZigBee或LoRa這樣的網格拓撲結構，Gateway所接收到的可能是相同消息的多個副本。在這種情況下，Gateway必須選擇哪個消息向上層發送，哪一個消息發送到下層的終端節點。
隨著物聯網的功能越來越複雜，設計人員正在將部分數據處理功能，轉移到接近感測器/設備層的位置，也就是所謂的「霧計算」或邊緣計算。
以這種方式來劃分IoT任務，不再需將對數據分析，沒有作用的數據，發送到伺服器，這樣不僅減少了響應時間，而且降低了網路負載。
按照這種方式，Gateway設備所在的位置，是最合適的選擇，因為將響應合併到單個模組中的多個終端點，而不是在多個單元中進行劃分，通常是比較便宜的。
在大規模的物聯網系統中，每一層有明顯的物理區分。然而，在一些小型系統中，可以將多個層組合到一個單元中。例如，自動售貨機中的Gateway，包括了用戶介面、輸入、輸出和無線或有線接口。在這種情況下，IoT只包含了雲和Gateway。
考慮到選擇的多樣性，哪些是IoT的Gateway硬體和軟體所必須的呢？
硬體的考慮
下面是Gateway硬體的一些需求：
CPU：
不同IoT應用程序對Gateway的CPU，及其相關模組的需求差異很大。有些應用程序可能對計算能力要求很高，這就需要一個具有浮點計算能力的強大處理器；有些應用程序可能對安全性敏感，這就需要一個，帶有硬體增強功能的CPU，以滿足TPM規範。許多供應商提供了相容小型Gateway的CPU，例如，英特爾Atom E3800，在物聯網Gateway中很流行。該處理器具有從1個到八個核多個系列；內存從512kB到2MB；操作頻率從1.33 GHz到1.91 GHz。
儲存：
使用閃存儲存數據的固態硬碟(SDD)，是很流行的選擇，因為他們沒有移動的磁頭，性能可靠，且與硬碟驅動器(HDD)相比性價比更高。英特爾E 6000p系列是SSD是一個很好的例子：容量分為128GB和256GB版本，帶有功能標準的PCIe Gen 3接口，並提供了AES 256位的數據加密。
連接：
硬體必須支持，各種有線和無線通信接口。互聯網與雲的連接，很可能是透過WiFi或乙太網連接到路由器，但考慮到物聯網用例的多樣性，與終端節點的連接具有很強的專用性。
環境考慮：
在硬體的選擇上，也要考慮到實際的操作環境。IoT Gateway設備，將被安置在辦公室、安置在工廠的地板上，還是以某種方式暴露陽光下？並且功耗要求是多少？
軟體的考慮
IoT Gateway的軟體也需要多點考量。主要有以下幾點：
操作系統用於管理處理器、內存和其他資源，並為應用程序提供底層硬體的抽象。
IoT Gateway的操作系統有多種選擇，包括專用系統，如微軟的Windows IoT Enterprise或Windows IoT Core，還有其他的很多開源系統，如Ubuntu或Ubuntu Core，他們都是Linux的衍生產品。
與終端節點的連接和通信，可以透過USB、RS-485、IEEE 802.11/b/g/n (WiFi)、LoRa或低功耗藍牙 (BLE)等協議。與雲的通信可以使用乙太網、WiFi或蜂窩協議。
Gateway位於終端設備層和公共互聯網之間，對保證數據的安全起著重要的作用，同時Gateway也是駭客攻擊的首要目標。任何健壯的軟體棧，都必須包括層的安全，包括通信的加密和設備的認證。安全設計通常包括，硬體和軟體組件之間的緊密交互。
Gateway設計實例
為了滿足不同物聯網應用的需要，IoT Gateway設備形狀各異和大小不同。下面是針對不同應用的 Gateway 設備的例子——工業物聯網，多媒體資訊站。
工業物聯網
工業物聯網(IIoT)的應用，包括自動化製造、HVAC、智慧物流、過程控制和智慧農業等。IIoT所使用的範圍是廣泛的，因此IIoT Gateway必須能夠相容各種通信協議，能夠進行近距離的處理，具有靈活的安裝選項，並能夠工作於工廠的環境中。
圖2 戴爾EM3001網關基於Intel的雙核Atom E3805處理器，廣泛的適用於各種工業應用，如自動化汽車裝配線。
戴爾EM3001主要針對工業物聯網應用，它是基於Intel的Atom E3805處理器的，具有1MB RAM，運行頻率1.33 GHz。EM3001屬Edge Gateway 3000系列，無風扇設計，相容各種操作系統，包括Ubuntu、Windows Embedded Standard，或Intel Wind River Linux。
EM3001既支持有線網路，也支持無線網路，支持的無線協議包括IEEE 802.11b/g/n (Wi-Fi)，蜂窩網路和BLE，支持的有線協議如USB、10/100乙太網和PoE。
此外，它也包含了傳統的工業接口標準，如RS-232、RS-422和RS-485。為了提高靈活性，EM3001包含一個GPIO端口，該端口具有8個通道，可以獨立編程為數位I/O、DAC、ADC接口。
它還整合了加速度感測器、壓力、溫度濕度感測器和GPS。EM3001是針對在行動和製造環境下，使用而設計的，他功耗低，IP50的防護等級，具有一個工業級的Micro-SD卡，以及TPM 2.0安全規範。
交互式多媒體資訊站
交互式多媒體資訊站，也可以稱為銷售點的POS終端，是一個小型IoT的應用實例。它需要一個Gateway，終端透過Gateway與雲伺服務器進行數據交互，來完成預定的任務。終端需要包括一個熱敏列印機、顯示器以及麥克風、揚聲器、觸控螢幕等人機接口(HMI)。
Intel為小型應用，提供了NUC(是Next Unit of Computing的縮寫下一代單元計算)系列設備。例如，Intel NUC Kit NUC5CPYH，將終端節點和網路功能，集合到了一個單獨的設備中。
對於小型應用，數據全部在遠端伺服器進行處理，對遠端伺服器依賴嚴重，因此 Gateway 可以使用性能較低，且成本便宜的CPU。NUC的CPU採用Intel Celeron系列的雙核CPU N3050，它包含2 MB的Cache，運行頻率1.6GHz。
與應用程序相匹配的是，NUC Gateway，還包含了Intel HS顯卡，並提供了VGA、HDMI和eDP 觸控顯示螢幕接口，此外它還具有音頻功能，有耳機/麥克風插孔和內置揚聲器。
IoT Gateway設計需考慮哪些問題
Intel NUC設備是一個單板電腦，它可以用作一個優秀的IoT Gateway，來連接終端節點和雲。
Gateway吞吐量越來越大，因此NUC還具有千兆乙太網接口。與前面所討論的IIoT Gateway不同的是，一個典型的小型應用Gateway，不需要各種I/O接口。儘管如此，NUC還是包含了一個PCIe插槽，並提供了一個可用的插頭，可以透過它訪問USB、SMBus，以及電源和地。
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