物联网网关实时双向通信模块化分析

物联网网关实时双向通信模块化分析

吴过

吉林吉大通信设计院股份有限公司，吉林 长春 130012

摘要：针对传输问题，使用通信机制与缓存技术等达到实时传输的双向通信系统，划分功能模块，实现设备认证和心跳等的认证过程。针对系统开展功能和性能测试，结果说明，使用双向通信技术能够实现模型同步更新，切实提升数据传输效率。

关键词：网关；双向通信；功能模块

引言：基于信息承载体，使物理对象达到互通的网络便是物联网。针对通信协议选取，从HTTP协议来看，其以“请求-应答”形式完成通信，便于拓展，不能达到双向传输。MQTT协议，简单、方便，但功耗较高，缺少加密机制。为达到实时双向通信，提升传输效率，基于物联网平台，使用存取技术，设置系统模块化处理。对比传统协议，通信协议能快速构建双向通道，数据双向传输，节省宽带资源，提升模型更新效率，确保系统可靠。

1.物联网系统架构、云平台及网关构建

为了便于数据正常传输和保存，构建系统架构。主要包括底层设备、浏览器和网关等，采用开发设备体系，实现信息接入、处理和发送，以界面形式呈现。

①系统架构及云平台。云平台使用统一架构ROA，结合异步特点，优势十分明显。利用处理机制特征，完成云平台设置。为实现实时传输以及具备处理机制，弥补HTTP协议的不足，使用双向传输机制，来开展模块划分，能更快处理及运用信息。将云平台分成多个部分，对于用户服务器，用来完成平台和web端的交互，对于资源服务器，用于实现平台信息改查、任务分发等，对于事件服务器，用来维护处理队列，动态处理，基于建立服务器端来实现双向传输。顺利接入后，分析及处理设备信息，由网关传至云平台，实现信息传输过程，使设备操作更方便，降低工作量，有着较高的工效。

②设计网关分层架构及系统模块。网关是衔接平台及设备的桥梁，实现对设备的认证、信息传输及更新等。为完成协议转换、接入，设置分层架构及系统模块。对于分层架构，可分成内部模块及接入模块，同时模块间通过TCP完成通信，完成接入认证、管理和协议转化。分层架构包括通信层、接口层和处理层等，通信层建立客户端，服务器内设计服务器端，组成双向通信系统；处理层用于平台信息下发和设备信息传输，完成模型同步更新；适配层用于完成信息转换，完成平台对不同设备的接入；接口层完成接入驱动程序，针对大部分通用装置，提供适配程序。

网关系统功能是实现设备信息采集与保存、提高时间处理速率，完成网关对设备的运用及管理。系统模块包括多个部分，对于通信模块，是完成实时双向通信，实现设备接入；对于模型模块，是完成智能和平台通信，根据数据模型建立物理模型，且保持和平台同步更新；对于事件处理模块，是实现状态与配置管理，并且完成对模块的处理；对于通信模块，是利用TCP通信完成设备接入，实现设备信息及模型信息的转换；对于网关心跳模块，要求定时上传心跳数据至服务器，不然视为网关关机，且上传状态至数据库；对于加密处理模块，是采取加密方法对网关ID开展认证。

2.物联网系统双向通信传输的实现

针对如何完成系统双向通信传输，本文主要从以下方面进行探讨，希望能为相关人员及研究提供参考。①平台内构建机器服务器。构建服务器，用于达到设备接入、模型同步等。服务器模块包括信息队列以及处理等模块。消息队列能够缓存，处理高并发问题，数据双向交互；通过处理模块，解析以及分发信息；通过接口模块，可用来交互及缓存数据。通过构建服务器与客户端，实现双向实时通信，且完成认证、信息上传。认证接入之后，基于平台读取模型，实现模型同步更新[1]。②物联网双向通信系统设置。实时通信模块包括客户端及服务端，只需一次握手，就能快速构建双向通道，节省了宽带资源，提升传输效率。系统中，基于双向通信协议实现信息传输，包含接入认证及心跳传输等。对于认证过程，主要完成正常接入，确保系统稳定性；对于传输过程，除了完成采集设备数据，保存在数据库内，也能结合平台侧需要实现同步更新，此外，需定时传输心跳数据，确保处于在线状态，并且传至云平台。③物联网网关分模块设置。结合需求差异，实现功能模块划分，管理及开发模块，并且模块间没有耦合，便于程序化设置。针对系统，网关一般实现以下操作：其一，认证模块，在接入情况下，发出请求，完成认证，返回信息模型；其二，上传和下发模块，能完成把数据传输至平台，且保存在数据库，实现模型同步更新，能够把模型下发至网关；其三，管理模块，传输心跳数据至服务器中，实现心跳管理过程。针对系统模块化实现，本文基于双向通信机制及数据缓存技术来完成系统模块化设置。

3.系统可行性验证分析

基于功能以及性能测试来验证，硬件装置包含PC机、传感器、服务器等。对于性能测试，通过Jmeter软件测试系统有关参数。①系统功能测试。设置有关测试用例对通信模块开展测试，测试功能包括：认证、信息传输、信息下发、网关心跳等。在需接入的情况下，应针对设备开展有效认证，完成认证之后返回数据模型。在设备是摄影机时，应将图片传输到平台，由界面显示，开展功能测试

[2]。②系统性能测试。为确保系统可以正常运行，对其开展有关性能测试，验证可行性，以下是聚合报告比较：对于Socket.IO通信协议，样本个数3千个，平均回应时间273毫秒，用户回应时间603毫秒，错误率0.17%，丢包率0.015%，传输速度8.23KB/s；对于Http协议，样本个数3千个，平均回应时间212毫秒，用户回应时间544毫秒，错误率0.21%，丢包率0.03%，传输速度8.94KB/s。选择三千个样本数，两种协议下，通过Jmeter软件开展性能测试。从测试报告来分析，主要包括样本数量、错误率、传输速度、协议等。根据结果，使用双向通讯协议当作双向通信协议，除了可以达到数据实时传输，也有效提升了系统工作效率，确保了系统的稳定与可靠。

结论：综上所述，基于运行平台，使用通信协议，完成对于数据的存取功能，完成了系统模块化设置及实现。对于云平台、架构等的设置完成系统的框架实现，另外，结合功能需要，针对各模块实现各功能设置，采取双向通信协议，达到实时传输过程。此外，基于功能及性能测试，有效完成验收。根据测试，采用通信协议的系统相比传统协议来讲，能更好提升系统效率及可靠性。
参考文献：
[1]于海飞,张爱军.基于MQTT的多协议物联网网关设计与实现[J].国外电子测量技术,2022,(11):45-51.

[2]梁延安.试析物联网技术与我国物联网的发展前景[J].中国新通信,2021,(11):112.