如何设计和制造用于工业用途的物联网网关

你需要为各种严苛环境打造工业物联网网关解决方案。你的网关应该强大、安全，并且能够满足未来的扩展需求。许多行业都使用物联网网关来连接机器，处理数据并连接到云端。2024年，全球工业物联网网关市场规模达到2.9亿美元，预计到2030年，这一数字将以每年近12%的速度增长。制造业企业占据了其中超过42%的市场份额。在构建或选择网关之前，你应该始终首先考虑自身的需求。

关键精华

知道你需要什么在设计物联网网关之前，请确保您的解决方案符合您所在行业的实际需求。
使用物联网网关连接设备和云端。这有助于更好地处理数据并降低网络流量。
使用强密码，确保安全。定期更新并拆分网络，以保障网关安全。
选择合适的硬件在你的空间里要合适。想想它有多坚固，以及它是否与你现有的系统兼容。
您可以选择自行搭建网关，也可以购买现成的网关。请考虑您的项目工期和所需配置。

物联网网关在工业中的作用

连接设备与云

物联网网关帮助机器、传感器和控制器与云端通信。这些网关直接从物联网设备获取数据，并在将数据发送到云端之前对其进行处理和排序。这可以提高系统运行效率并减少网络流量。您可以查看下表了解网关的功能：

功能	描述
数据收集	从传感器、I/O 设备获取数据， PLCs.
协议转换	将数据转换为云端可兼容的格式。
实时监控	快速提供有关生产和设备的最新信息。
边缘计算	就近处理数据，以提高速度和效率。
安保防护	在数据传输过程中保护您的数据安全，并阻止外部攻击。

你用类似 Modbus、MQTT 等协议OPC UA、HTTP/HTTPS 和 TCP/IP 等协议用于在设备和云端之间传输数据。这些协议有助于确保消息的安全性和稳定性。借助工业物联网网关，您可以利用边缘计算快速做出决策，从而迅速应对工厂的变化。

连接IT和OT系统

您需要连接你的信息技术网关可以将信息技术 (IT) 系统与运营技术 (OT) 系统连接起来。网关能够转换数据，使双方都能相互理解和通信。通过这种连接，您可以随时随地监控和控制机器。

使用工业物联网网关连接IT和OT，您可以获得以下主要优势：

减少停机时间
更好的产品质量
减少浪费
在问题扩大之前就解决它们。

网关还能让您在一个平台上管理所有设备。您可以轻松更新软件、检查设备状态并更改设置。实时查看数据有助于您优化生产流程并及早发现问题。工业物联网网关中的安全工具可保护您的运营技术系统免受黑客攻击。在公司内部共享数据的同时，您也能确保工作安全。

工业物联网网关设计步骤

需求和用例

首先，您需要明确工业物联网网关的功能。不同的工作场景对物联网网关的需求各不相同。在工厂中，网关帮助机器互联，简化人们的工作。网关使机器能够彼此通信，并与云端连接。这有助于您收集数据并做出更明智的决策。

以下是一些您可以使用工业物联网网关的方式：

你让机器和云端立即对话。
您可以更好地跟踪产品和资源。
您可以在旧工厂中添加网关以连接数据源。
您使用边缘处理来阻止问题并连接到 ERP 系统以避免停机。
您在制造车辆、机器人和农场传感器时会用到网关。
在采矿和重体力劳动中，你需要观察仪表和传送带。
工厂环境恶劣，所以需要坚固耐用的传感器和设备。

行业规则决定了您的需求。您必须遵守安全、协作和价格方面的规则。下表展示了规则如何改变您的网关设计：

标准对工业物联网网关设计的影响	描述
网络安全合规性	确保工业物联网网关免受威胁。
互操作性改进	规则有助于不同制造商的产品协同工作。
降低成本	运用规则可以提供最佳的做事方法，从而降低建筑成本。
适应独特的工业物联网挑战	规则必须符合工业物联网特有的风险和问题。

物联网网关的硬件选项

工业物联网网关的硬件选择非常丰富。您可以选择单板计算机、系统模块或微控制器。每种方案都有其优缺点。下表列出了一些常用网关型号的对比：

网关模型	蜂窝连接	我们的强项	弱点
树莓派4模型B	非内置；需要额外的适配器	价格非常便宜，灵活，而且拥有庞大的用户群体。	并非为工厂设计，没有内置蜂窝网络，安全方面需要改进。
西门子 Simatic IoT2050	蜂窝网络需要 Mini PCIe 卡。	非常可靠，与西门子系统配合良好 PLCs.	细胞生物学更难学，它是额外的一门学科。
罗克韦尔自动化 Optix Edge	蜂窝网络并非主要功能	与 Logix 控制器和 FactoryTalk 配合使用效果极佳。	没有内置蜂窝网络，专为特定系统设计。
戴尔 Edge 网关 5000 系列	需要额外的手机插槽。	强大的英特尔芯片、精良的做工和全球支持。	更适合IT行业，可能需要其他软件。
Robustel EG5120	内置全球4G LTE Cat 4，支持双SIM卡	高速ARM芯片，内置蜂窝网络功能。	无

您还应该考虑硬件的使用寿命。有些硬件，例如 RCO-1000 系列，专为重要任务而设计。它们非常坚固耐用，使用寿命长，并且散热性能良好。而另一些硬件，例如 Raspberry Pi，则适合实验室环境，但可能无法在恶劣环境下稳定运行。务必检查您的硬件是否拥有相应的认证，并且能够承受高强度的工作。

PCB设计与制造

在为物联网网关制作印刷电路板时，你需要考虑它的性能和使用寿命。 PCB设计有助于提升网关的运行效率并延长其使用寿命。以下是一些建议：

选择符合您需求的PCB材料。
对于复杂的线路连接和信号阻断，可以使用更多图层。
零件放置位置需有清晰的标记，并预留机器运转的空间。
确保孔位与零件完全吻合。
选择可以弯曲和摇晃而不断裂的部件。
焊接时要使用合适的温度，通常为 245-260°C。
使用激光模板涂覆焊膏。
均匀涂抹助焊剂，以获得良好的焊接效果。
焊接完成后检查电路板，以便快速发现问题。

你应该多次搭建并测试你的PCB板。这有助于你在大量制作之前发现并修复错误。如果你的网关使用无线连接，请匹配天线和PCB板上的线路以获得最佳信号。添加硬件加密和安全启动功能，以确保你的数据安全。

提示：使用模块化和参考设计可以使您电路设计速度更快。您可以直接使用现有的设计，并根据需要进行修改。

连接性和边缘计算

您的工业物联网网关需要连接到众多设备和网络。您可以选择有线或无线连接。有线连接稳定可靠。而无线连接（例如 4G 或 5G）则允许您将网关部署在更多位置。

连接选项	对边缘计算性能的影响
有线和无线	即使网络中断，也能进行切换或备份，从而保证数据传输不中断。
本地分组	通过允许数据离开附近的蜂窝网络，从而加快传输速度。
全球合规	数据保存在同一区域，确保数据安全，便于管理。
统一管理	确保连接在任何地方都能正常工作，这对于边缘作业来说非常重要。
成本控制	免除漫游费，因此使用大量数据更省钱。

边缘计算让您能够在数据生成地点附近进行处理。这意味着更少的等待时间和更节省的数据空间。您可以在边缘端对数据进行排序和分析，然后再将其发送到云端。借助 5G 和边缘计算，您可以获得更快的速度和更少的等待时间。这对于工厂中的实时数据处理和快速决策至关重要。

边缘计算通过在附近处理数据来提高处理速度。
因为上传到云端的数据量减少了，所以可以节省数据空间。
5G 提供更快的速度，减少实时工作的等待时间。

安全注意事项

您需要保护工业物联网网关免受攻击。安全始于操作系统和网络。使用强密码，定期更新软件，并将网络划分为多个部分。无论您使用云端服务器还是自有服务器，都应根据自身情况调整安全策略。

“工业物联网网关设计的重要安全措施包括增强操作系统安全性、划分网络、确保云端安全以及持续进行安全检查。专家表示，您需要设置强密码、定期更新系统，并制定针对您自身环境的安全计划。”

常见问题包括协议老化、软件漏洞、安全锁薄弱以及设置错误。不法分子可能利用恶意软件攻击您的网关或利用转换器中的漏洞。您必须保持安全模块更新，并密切监控设备是否存在故障。

漏洞类型	描述
过时的协议	许多控制器使用旧协议，因此容易受到攻击。
软件漏洞	物联网网关中的漏洞可能让不法分子入侵并控制设备。
物理安全漏洞	如果有人获取了你的设备，他们就可以篡改你的系统。
配置问题	物联网网关的错误设置可能会让攻击者有机可乘。
针对工业协议的恶意软件	FrostyGoop 和 Fuxnet 等恶意软件会利用工业信息中的薄弱环节。
暗网上的漏洞利用	物联网网关中的新问题可以卖个好价钱。
转换器中的关键漏洞	转换器出现问题可能导致攻击者控制所有连接的设备。

您应该始终在网关中添加安全模块。这有助于保护数据、消息和监控工具。通过这些措施，您可以构建一个强大、安全、可靠的工业物联网网关。

参考设计和关键部件

物联网网关的通用架构

您可以使用参考设计来更快地完成网关项目。这些设计展示了如何连接传感器、处理数据并将其发送到云端。例如，TIDEP0084 设计使用 TI Sitara 处理器和 SimpleLink 器件。它通过远程无线网络连接传感器，并可与云应用程序配合使用。下表显示了该设计的功能：

参考设计	描述
潮汐0084	该设计利用远距离Sub-1 GHz无线网络将传感器连接到云端，适用于楼宇控制和资产追踪等应用。它采用Linux网关和TI Sitara AM335x处理器，并搭载SimpleLink器件。该设计已预装用于连接和使用云应用的软件。

你应该选择模块化设计模块化设计允许您添加新功能或替换部分组件，而无需更改所有代码。这使得您的网关易于更改和更新。微服务架构有助于您在不停止其他组件运行的情况下修复或更新单个组件。您可以根据需要扩展您的物联网系统。

提示：模块化设计有助于您使用新技术并更快地解决问题。

关键电子元件

构建一个坚固耐用的工业网关需要一些特殊的部件。这些部件能够帮助您的设备在恶劣环境下稳定运行，并确保数据安全。以下是您需要的主要部件：

CPU：运行命令和处理数据。
RAM：为快速数据处理提供空间。
通信模块：连接传感器和云端。
协议转换模块：转换数据格式。
现场总线接口：连接旧工厂系统。
边缘计算模块：在数据产生地点附近处理数据。
安全模块：防止网络威胁。
电源模块：确保网关在恶劣环境下正常工作。
外壳和散热管理：保护部件免受热量和灰尘的影响。

您还需要安全启动、加密存储、防火墙和 VPN 支持等功能。这些功能可以保护您的物联网网关免受攻击。看门狗定时器和远程管理功能可以帮助您在问题导致系统停止运行之前将其解决。有了这些关键组件，您的网关就能在任何工厂环境中高效地收集、处理和发送数据。

自行搭建还是购买物联网网关？

选择是否应该自行搭建或购买物联网网关这是一个重大选择。你需要考虑自身需求、预算以及希望物联网项目多快完成。两种方式各有利弊。

建造的利弊

如果自行搭建网关，您可以添加一些特殊功能，例如连接多种物联网设备，更好地控制安全性，并使其更符合您的工厂需求。但搭建网关需要更多的时间和成本，您需要专家协助搭建和维护，并且还需要自行进行更新和维修。

这里有一张表格可以帮助您进行比较：

定制物联网网关的优势	现成解决方案的缺点
定制功能和集成能力	有限的自定义选项
与传统系统的高级集成	随着复杂性的增加，维护成本也会增加。
独特的功能带来竞争优势	与定制解决方案相比，实施速度较慢。
长期成本效益	可能无法满足特定的合规要求
增强的安全性和隐私控制	扩展和调整的灵活性降低

您将获得强大的安全性、对多种协议的支持以及远程管理功能。但您需要在初期投入更多资金，并且需要自行完成所有设置。

何时购买现成产品

购买现成的网关可以节省时间并降低风险。您可以提前 6 到 12 个月完成物联网项目。如果您希望快速推出产品，这将非常有利。现成的网关通常会提供帮助、更新和证书。这意味着您可以减少对设备故障或停止运行的担忧。

购买时请检查以下事项：

您的物联网设备将如何连接
安全工具，保障您的数据安全
电力消耗对远程工作至关重要
如果足够艰难，就难以到达那些艰难的地方。
它处理边缘分析数据的能力如何
如果公司提供良好的帮助和服务
如果你可以轻松更新软件的话。
如果价格合理，物有所值。

如果您只需要一些基本功能，例如远程设置和更新设备，那么现成的网关是最佳选择。但如果您需要特殊功能或希望您的产品与众不同，它们可能就无法满足您的需求了。

商业决策因素

您应该考虑价格、质量以及产品的独特之处。自行搭建可以添加炫酷的功能，但购买成品可以节省成本，并确保系统运行更流畅。对于大型项目而言，长期总成本至关重要。自行搭建乍看之下可能更便宜，但后期制作、测试和维护的成本更高。如果您需要大量网关或必须遵循严格的规则，那么购买现成的网关可能更划算。

特征类型	描述
共同特征	大多数产品都需要用到，例如设备设置和更新。通常来说，购买正版更划算。
独特功能	为您带来竞争优势，可能需要定制网关开发。

提示：如果您需要快速增长或希望降低风险，可以购买现成的网关。如果您有特殊需求或希望完全掌控网关，那么自行构建网关可能是最佳选择。

始终选择符合您的业务目标以及您的数据和设备需求的产品。

只需几个简单的步骤，即可构建一个强大的工业物联网网关。务必确保网关满足工厂的实际需求。规划时要考虑到网关未来的扩展性。始终牢记安全问题。以下是一些您可以采取的步骤：

选择适合你工作且性能稳定的硬件。
根据您的网站和设备数量规划网络。
安装软件和安全措施以确保安全。
选择适用于实时作业的数据协议。
制定包含防火墙和定期检查的安全计划。
设置远程监控和快速解决问题的方法。
采用预测性维护并保持系统更新。

密切关注新的安全风险，并确保您的网关可以根据需要进行更改。

常见问题

工业物联网网关的主要功能是什么？

工业物联网网关帮助机器和传感器与云端通信。它收集数据、改变数据传输方式并保护您的网络。

如何保障物联网网关的安全？

你需要设置强密码并经常更新软件。设置防火墙来阻止恶意流量。定期检查设备是否存在问题，并启用安全启动。保证他们的安全.

树莓派可以用作工业网关吗？

树莓派很适合学习或测试想法。但在实际工厂中，你需要…… 更坚固的硬件它必须能够承受高温、灰尘，并能长时间工作。

工业物联网网关支持哪些协议？

MQTT
的Modbus
OPC UA
HTTP / HTTPS
TCP / IP协议

如何设计和制造用于工业用途的物联网网关

关键精华