【论文精选】智能燃气表物联网运行体系网关技术研究
【论文精选】智能燃气表物联网运行体系网关技术研究
GAS-HEAT1978
《煤气与热力》始于1978年，创刊于1981年，中国核心期刊，中国土木工程学会燃气分会会刊。筛选燃气供热行业最有价值的技术信息，新闻分类整理、政策标准、热点讨论、投稿查询、论文检索、写作指导、编委风采、精品会议……
官网注册后
http://www.gasheat.cn
免费下载论文
作 者： 邵泽华，王茂西
第一作者单位：成都秦川物联网科技股份有限公司
摘自《煤气与热力》2022年4月刊
参考文献示例
相关推广
燃气表
1 概述
近几年，随着物联网、人工智能、边缘计算等新兴技术的深入研究和高速发展，网络通信技术在各行业的应用遍地开花，其中包括物联网网关技术的研究和应用 ［ 1 ］ 。网关作为网络通信过程中的重要中转节点，目前已经得到了一定范围的推广和应用。在物联网运行体系中，网关作为感知控制终端与远程管理平台联系的桥梁，负责构建物联网传感网络，统一管理调度感知控制终端设备，实现对象平台与管理系统之间数据的实时交互，是物联网传感网络中的重要一环，关系网络运行的可靠、通信数据的安全、数据传输的实时等。
2 智能燃气表物联网运行体系网关技术
2.1 智能燃气表物联网运行体系
智能燃气表 物联网运行体系是具有对象平台、传感网络平台、管理平台、服务平台和用户平台，集智能感知、智能管理、智能保护、信息安全管理、远程双向无线通信、燃气业务管理、远程运营维护、数据统计分析、用户服务等功能于一体的软硬件系统。其架构见图 1 。
图 1 智能燃气表物联网运行体系架构
物联网智能燃气表的感知信息由对象平台生成，依次通过传感网络平台、管理平台、服务平台传输给用户平台；控制信息由用户平台依据感知信息内容生成，依次通过服务平台、管理平台、传感网络平台传输给对象平台，完成对物联网智能燃气表的智能控制。
对象平台是集物联网 智能燃气表 软硬件系统为一体，实现燃气交易物理量、燃气状态物理量、表端自身状态物理量的感知和控制功能的系统平台。传感网络平台由表端通信模块、物联网网关和传感网络管理系统组成，一方面实现对物联网智能燃气表和传感网络平台本身通信状态的管理，另一方面对接上层燃气综合管理系统。管理平台是智能燃气表物联网运行体系的数据处理中心，以燃气公司管理服务器为载体，通过燃气综合管理系统实现燃气运营维护等综合管理功能。服务平台包括燃气公司服务平台、政府运营商服务平台和社会运营商服务平台，用于实现物联网内信息资源的开放共享。用户平台是集自助终端、用户 APP 、微信公众号等各种软硬件系统为一体，实现燃气用户业务信息自助查询及办理的功能平台。
物联网网关位于 智能燃气表 物联网运行体系的传感网络平台中，包括传感网络网关和表端网关两个功能模块。物联网网关北向通过传感网络网关与传感网络管理系统连接，南向通过表端网关与表端通信模块连接。
从物理体系上看，物联网网关作为传感网络中的一个网络节点独立存在，既可设置在物联网智能燃气表的内部，通过电子电路的形式与表端通信模块实现通信连接，也可设置在燃气表的外部，通过有线或无线的方式与燃气表建立通信连接。
从信息体系上看，物联网网关作为信息传递桥梁，一方面接收表端通信模块上报的感知信息，通过公共网络将感知信息上传至传感网络管理系统；另一方面，接收传感网络管理系统下发的控制信息，转发给表端通信模块。
从功能体系上看，物联网网关作为物联网智能燃气表和上层管理系统（燃气综合管理系统和传感网络管理系统）之间感知控制闭环中的一个中间环节，表端基础数据和业务数据需要通过表端通信模块上报给物联网网关，由物联网网关负责通信协议的转换和数据的转发。同样，上层管理系统也需要通过物联网网关来实现对物联网智能燃气表的时钟同步、设备管理、参数配置、安全阀控、软件升级等。
2.2 物联网网关
现行国家标准 GB/T38624.1 — 2020 《物联网 网关第 1 部分：面向感知设备接入的网关技术要求》对“物联网网关”的定义是“具有数据存储能力、计算能力和协议转换能力等，可通过北向接口与应用平台建立通信连接和通过南向接口与感知控制设备进行通信的实体”。本文所研究的物联网网关集网络管理、设备管理、标志管理、接口管理、安全管理、应用管理、协议转换等功能模块于一体。物联网网关的功能架构见图 2 。
图 2 物联网网关功能架构
物联网网关的协议转换功能通过协议适配模块来完成，包括远程连接适配模块和本地连接适配模块。远程连接适配模块一方面能够将传感网络管理系统和燃气综合管理系统下发的各类控制指令、业务数据转换为物联网网关能够接收的指令格式、数据格式；另一方面将网关上传的各类请求指令、业务数据转换为传感网络管理系统和燃气综合管理系统能够接收的指令格式、数据格式。本地连接适配模块一方面能够将物联网智能燃气表上报的各类请求指令、业务数据转换为物联网网关能够接收的指令格式、数据格式；另一方面将物联网网关下发的各类控制指令、业务数据转换为物联网智能燃气表能够接收的指令格式、数据格式。
物联网网关处于传感网络平台中，承担着燃气表与传感网络管理系统之间的数据传输和网络管理的职责。因此，物联网网关需要具备一定的网络管理功能，主要包括网关管理、性能管理、自维护管理、时钟同步、注册管理和接入管理。网关管理指物联网网关能够通过本地或远程的方式对网关自身的软硬件进行管理维护。性能管理指物联网网关能够采集并上报网关自身资源设备性能信息（包括但不限于 CPU 使用率、内存使用率、存储占有率、吞吐量等）。自维护管理指物联网网关能够对自身的功能及性能进行自动检测及维护，并能根据实际情况调整吞吐量、降低或提升运行效率。时钟同步指网关能够以传感网络管理系统和燃气综合管理系统的时钟为基准，同步自身时钟。注册管理指物联网网关在首次进入公网时，应向传感网络管理系统发出注册请求，支持成功注册信息的保存，并支持传感网络管理系统对本地保存的注册信息的管理和维护。接入管理指物联网网关在初次使用时，启用初始化配置接入公网，支持传感网络管理系统对网关接入配置的读取进行更改和删除，并支持当配置发生错误时配置信息的自动恢复。
物联网网关具有设备管理的功能，包括日志管理、告警管理、故障管理、固件管理、设备配置管理、状态管理和电源管理。日志管理指物联网网关能够进行日志记录，包括网关的登录记录、管理配置操作记录、外部攻击记录、告警信息记录和审计记录。告警管理指物联网网关能够实现本地告警管理，包括告警产生、告警上报和告警解除等功能。故障管理指物联网网关能够对自身设备进行持续或间断的测试、观察和监测，并在设备性能严重下降时产生告警，应能判断发生故障的位置。固件管理指物联网网关能够对所管理设备的软件和固件的版本进行查询和远程升级。设备配置管理指物联网网关能够通过本地或远程的方式获取并设置自身以及燃气表的配置参数，当网络结构发生变化时，能够自动更新和管理密码设置。状态管理指物联网网关能够获取并上报自身资源设备以及燃气表的状态信息。电源管理指物联网网关能够通过本地或远程的方式对自身电源管理策略进行配置和管理，并支持远程控制网关的开启、关闭、休眠和激活。
物联网网关的标志管理包括标志的映射和转换，一方面能够识别来自网关北向接口的物理标志、网络地址标志和应用属性标志；另一方面还能够实现南向接口和北向接口之间传递的各类标志的相互映射和转换。
物联网网关具有接口管理功能，能够提供供燃气表接入的南向接口，包括各种有线接口或低功耗广域网、 Zigbee 、蜂窝通信等无线接口，并能够通过本地或远程的方式对北向的远程连接适配模块和南向的本地连接适配模块进行接口的管理和配置。
物联网网关具有安全管理功能，既能够通过获取网关自身资源设备的安全策略信息、配置网关自身资源设备的安全管理策略实现对网关自身的安全管理，也能够通过获取和配置燃气表的安全管理策略来实现对燃气表的安全管理。安全管理包括用户鉴别、加密传输机制、攻击防护等。用户鉴别可以是简单的口令鉴别机制，也可以通过数字证书、智能卡或燃气表特征等方式进行鉴别。物联网网关具有数据加密的功能，加密算法可以采用三重数据加密标准（ 3DES ）或高级加密标准等加密技术，实现对物联网内燃气表基础数据和业务数据的数据加密，保障数据的安全。物联网网关还能够支持漏洞扫描或拒绝服务攻击，当物联网网关受到攻击时，网关能够自动记录攻击的发起地址、攻击时间以及攻击类型等关键信息，从而生成实时报警信息，并且具有一定的阻断能力。
物联网网关通过应用管理模块实现对网关内部运行的应用程序的配置和管理。
3 物联网网关的特点
①实时性
物联网网关不仅作为传感网络中的一个传输纽带，还承担着一部分的网络管理功能。燃气表上报的数据包括表端的计量信息、计费信息、阀门状态信息，以及燃气表异常流量、异常电压、异常工作状态等安全信息，燃气表的安全管理不仅需要传感网络管理系统和燃气综合管理系统来实现，还需要物联网网关通过监控表端数据信息来判断表端状态是否异常，是否需要发出预警信息或执行安全管控措施来实现燃气表的安全管理。因此，物联网网关要保证数据传输过程的实时性和判断响应的实时性。
②高可靠性
物联网网关一般处于长期工作状态，网关硬件通常安装在无人监管的环境中，因此物联网网关应具有安全可靠的特性，保证网关长期安全可靠地工作。物联网网关的安全包括硬件安全和信息安全。由于物联网网关一般采用外接市电供电，因此物联网网关应安装在无潜在爆炸风险的场所，远离燃气使用地点，保证网关的防爆安全。另外，网关有可能会长期工作在低温、高温、高湿度和高尘等复杂的环境中，还需要具备一定的防护性能，保证网关硬件的安全可靠。
③高安全性
物联网网关具有高安全性的防护机制，对网络攻击具备一定的阻断能力，保证数据传输、数据存储、防攻击等信息安全。物联网网关通过采用高级密钥加密和实时升级技术保证传感网络中数据传输的安全性；通过采用信息校验技术能够对信息的合法性、真实性、完整性、有效性进行验证，保证信息读取和交换过程中的安全；通过采用身份鉴别机制、表 ID 管理技术，对入网燃气表的身份合法性进行验证，阻止非法网络设备的接入，防止由于伪基站造成的信息窃听、信息截取、信息篡改、信息伪造。
④可扩展性
随着燃气表的定制化设计和功能需求的升级改进，物联网网关也具有一定的扩展性，支持对其功能的进一步升级和性能的进一步优化。通常在网关设计时，会预留充足的外部扩展接口，可以是有线方式，也可以是红外、蓝牙等无线方式，方便网关在使用过程中的功能扩展和故障维护。
参考文献：
［ 1 ］葛超 . 面向物联网的智能网关的设计与实现（硕士学位论文）［ D ］ . 长春：吉林大学， 2020 ： 1-5.
（本文责任编辑：林国真）
智能燃气表的无线通信技术
维普免费下载《煤气与热力》论文（现刊和过刊均可）
日前，《煤气与热力》杂志社有限公司在维普网站 http://cqvip.com/ 开通论文免费下载服务，论文刊出后两个月后，可在维普网站查询，并直接免费下载。在维普网站 免费下载《煤气与热力》论文 步骤如下：
1. 在维普网站注册会员。
2. 搜索出《煤气与热力》论文，点击进入。
3. 论文免费下载界面截图见上图。点击“免费下载”，可直接下载该论文。
声明：本文著作权（版权）归《煤气与热力》杂志社所有，严禁任何微信号及媒体未经授权许可随意转载。 PS: 当然欢迎大家转发到朋友圈！
更多论文请登录煤气与热力杂志官方网站，免费注册会员阅读电子期刊。阅读步骤：登录http://www.gasheat.cn/→页面右上角注册会员→注册成功后点击《煤气与热力》→期刊索引→点击某期期刊封面即可阅读当期文章。