第2章.现场设备的物联网模式
本章列出了与现场设备或事物相关的关键模式。阅读本章后，您将能够识别物联网架构中这些模式的存在。它提供了有关模式适合或适用的场景的详细信息，以及需要考虑的约束。这将帮助您相对轻松地理解现有的物联网架构。
本章涵盖以下三种关键模式：
设备网关（DG）：DG充当现场设备（传感器、执行器等）和中央服务器之间的桥梁。在独立部署中（没有中央服务器），DG协调本地设备（传感器和执行器）之间的动作。
数字孪生（DT）：DT用于维护中央服务器上现场设备的虚拟状态，从而允许远程监控操作。通过对累积的数据执行所需的处理，DT使得能够预测现场设备的未来状态。此外，DT有助于克服间歇性连接问题。
设备管理：设备管理有助于配置、更新和管理现场设备，并托管在中央服务器上。 让我们更详细地看一下这些模式。
2.1 设备网关
DG是一种重要的模式，因为它有助于连接物理世界和虚拟世界。物理世界由传感器监控，动作由执行器根据DG发送的命令启动。本书中DG使用的符号如下图所示：
图2.1——DG模式的符号
重要提示
DG在物联网文献中也被称为现场网关。 DG除了通过托管本地规则引擎（LRE）和执行延迟敏感决策来实现边缘/本地智能外，还可以与中央服务器进行数据通信，在中央服务器上必须做出更复杂的决策（需要全局上下文的决策）。对DG的需求是因为大多数传感器/执行器在计算、内存、存储或功率方面受到限制，因此无法与中央服务器建立连接。
DG的一个很好的实际例子是智能手机，因为它连接到多个设备（例如，耳机、BLE上的灯等），并通过HTTP/MQT将数据发送到中央服务器。DG在功能上优于路由器，因为它可以在边缘执行业务逻辑，而不仅仅是路由流量。 另一个观点是DG模式封装了传感器/致动器通常通信的不同协议或数据格式。由于通信协议（BLE、Wi-Fi、ZigBee、OPC UA等）或不同传感器/执行器之间的数据格式都没有标准化，DG扮演着协议翻译器的角色；它通过不同的通信协议与一侧的传感器/执行器进行通信，并通过统一的数据或通信协议与另一侧的中央服务器进行通信，如下图所示：
图2.2–DG能够支持多种协议；与智能设备的比较
重要提示
DG充当连接使能器和协议翻译器，并提供数据缓冲功能。然而，在设备足够智能的情况下，可能不需要它来提供这些功能。 在上图的右上角，突出显示了DG模式的关键功能。如您所见，传感器、执行器和其他设备可以使用各种通信技术/协议（有线和无线，如Wi-Fi、ZigBee、BACnet、Modbus、蓝牙/BLE、RFID、NFC等；这些在图中标记为1）与DG进行交互。然而，DG和中央服务器之间的接口是单一类型的（该图将接口显示为HTTPS上的JSON，尽管物联网生态系统中也使用了其他接口，如AMQP和MQTT；它们标记为2）。
1和2之间的另一个关键区别因素是1是基于非IP的通信，而2是基于IP的通信。 如果设备是智能的（它们有足够的计算、内存和存储，并且可以与中央服务器建立连接），则不需要DG，因为设备本身能够连接并管理数据的传输方式。 除了允许dumpdevices向中央服务器发送数据/从中央服务器接收数据并充当协议转换器外，DG还提供了以下几点所述的附加功能： 数据聚合/过滤：在某些情况下，不需要将传感器捕获的所有数据发送到中央服务器（由于带宽限制或应用程序不需要高频推送数据）。在这种情况下，DG将积累数据并将汇总数据发送到中央服务器（从过去一小时开始，仅在数据与之前读取时不同的情况下发送数据，以此类推）。 静止和运动中的数据安全：DG不仅确保本地存储的数据是安全的（即加密的），而且通过利用与身份验证、授权和计费（AAA）相关的所有最佳实践，确保发送到中央服务器的数据是安全的。 支持本地数据访问要求：DG允许您通过API本地访问数据（以消除中央服务器对关键数据访问要求的依赖关系）。
在某些场景中，DG还托管用于可视化和报告目的的人机接口（HMI）。 LRE支持：DG可以启用LRE（LRE模式将在第3章“中央服务器的物联网模式”中介绍），在其中观察生成的事件（例如，来自传感器的事件）并触发适当的操作。 连接设备的固件/配置升级：连接设备（或DG本身）的固件升级由中央服务器根据需要推送。
类似地，配置设置（例如，数据捕获频率的变化）由中央服务器发送到DG。命令也可发送给DG，用于故障排除/诊断。 数据缓冲：在与中央服务器间歇性连接的情况下，DG可以缓冲数据（取决于可用本地存储的限制），并在建立连接后发送数据，从而避免数据丢失。 DG托管应用程序的应用程序中间件：DG公开API以报告本地分析结果（基于历史数据）以及传感器捕获的当前数据。
此外，在某些关键场景中，执行器的命令可以在本地发布，而不必等待中央服务器做出决定。同样，DG上托管的应用程序所利用的公开API使这成为可能。