摘要：网络接入方式 4G工业路由器支持多种网络接入方式,包括4G蜂窝网络、以太网、ADSL等。其中,4G蜂窝网络是最常用的接入方式,可以实现远程、移动、分布式的数据传输需求。 在配置4G网络时,需要正确设置以下参数:

一、路由器选型要点

本文产品以星创易联sr600作为案例，参考：

工业级设计

丰富的接口类型

全网通4G模块

多种工作模式

完善的管理功能

可靠的安全机制

二、路由器的网络配置

网络接入方式 4G工业路由器支持多种网络接入方式,包括4G蜂窝网络、以太网、ADSL等。其中,4G蜂窝网络是最常用的接入方式,可以实现远程、移动、分布式的数据传输需求。 在配置4G网络时,需要正确设置以下参数:

APN(接入点名称):由运营商提供,用于识别网络数据流的类型和服务质量

拨号用户名/密码:某些APN需要输入用户名和密码才能成功拨号

鉴权方式:包括None、PAP、CHAP三种,一般选择PAP或CHAP

PDP类型:包括IPV4、IPV6、IPV4V6三种,一般选择IPV4 此外,如果SIM卡启用了PIN码,还需要在路由器上正确配置PIN码,否则无法注册网络。 配置完成后,可以在路由器的Web管理界面或命令行下执行ping、tracert等命令,测试4G网络的连通性和延迟。

网络制式选择 4G工业路由器通常支持多种网络制式,如TDD-LTE、FDD-LTE、WCDMA、TD-SCDMA、CDMA2000、GSM等。不同的网络制式在覆盖范围、传输速率、延迟特性等方面存在差异。 在选择网络制式时,需要综合考虑以下因素:

当地运营商的网络覆盖情况

应用场景对传输速率和延迟的要求

路由器的硬件性能和射频指标

SIM卡的网络制式 通常情况下,优先选择4G网络(TDD-LTE或FDD-LTE),在4G信号欠佳的地区,可以开启3G(WCDMA或TD-SCDMA)或2G(GSM)作为备选。 某些高端路由器支持多网络制式并发,可以实现4G+3G或4G+4G的双卡双待,提高网络可靠性。

网络切换策略 在实际应用中,4G工业路由器可能遇到网络信号不稳定、小区切换频繁等问题,导致数据传输中断或延迟增大。为了解决这些问题,路由器通常提供了多种网络切换策略,包括:

信号强度阈值:当前小区的信号强度低于设定阈值时,触发小区重选或切换

网络制式优先级:按照设定的优先级顺序,选择不同的网络制式接入

小区禁止时间:当某个小区出现多次异常时,将其加入禁止列表,在设定时间内不再接入

网络注册超时:在设定的时间内未能成功注册网络,则触发重新搜网或重启模块 通过灵活配置这些策略,可以有效提高4G路由器的网络适应性和可靠性。在调试阶段,可以通过路由器的日志功能,记录并分析网络切换的时间、原因等关键信息,进一步优化切换策略。

网络安全防护 4G工业路由器连接公网后,面临各种网络安全威胁,如非法入侵、DDoS攻击、数据劫持等。为了保障系统安全,需要在路由器上部署多层次、全方位的安全防护措施。

修改默认管理密码,并定期更新

开启并正确配置防火墙,过滤非法访问

关闭不必要的端口和服务,如telnet、tftp、snmp等

配置访问控制列表(ACL),限制未授权的IP地址访问

启用HTTPS、SSH等加密协议,保护管理通道

定期检查并升级路由器固件,修复安全漏洞

配合专业的安全设备如入侵检测系统(IDS)、安全信息和事件管理(SIEM)等,实现全网安全监控和审计 通过部署这些安全防护措施,可以全面提升4G工业路由器的安全性,有效抵御各种网络攻击和威胁。

三、路由器的数据传输优化

数据打包策略 水质监测系统通常采用RS485总线连接多个传感器,每个传感器周期性地上报数据。为了提高数据传输效率,减少无线链路的开销,4G工业路由器支持多种数据打包策略。

时间触发:将一定时间内(如100ms)收到的所有数据打包成一个TCP/UDP报文发送

长度触发:将收到的数据累积到一定长度(如1KB)后,打包成一个TCP/UDP报文发送

字符触发:收到特定字符(如回车符 )后,将之前累积的数据打包成一个TCP/UDP报文发送 通过合理配置数据打包策略,可以在保证实时性的同时,最大限度地减少无线数据流量,节约成本。在调试阶段,可以使用抓包工具如Wireshark、TCPDUMP等,分析数据报文的内容和间隔,优化打包策略。

通信协议优化 水质监测系统现场端和云端之间通常采用TCP或UDP协议传输数据。与UDP相比,TCP提供了可靠的数据传输服务,但在弱网环境下,频繁的重传和握手会导致延迟增大、吞吐量下降等问题。 为了优化TCP性能,可以在4G工业路由器上配置以下参数:

TCP窗口大小:增大TCP接收窗口和发送窗口的大小,提高带宽利用率

MSS(最大分段大小):根据无线链路的MTU(最大传输单元),适当减小MSS,避免分片和重组

拥塞控制算法:根据无线链路的特点,选择适合的拥塞控制算法,如Westwood+、Veno等

快速重传和恢复:开启TCP的快速重传和恢复功能,尽快检测和恢复丢包

延迟ACK:开启TCP的延迟ACK功能,减少ACK报文的数量 在某些场景下,也可以考虑使用MQTT、CoAP等轻量级的应用层协议,进一步减小数据开销和延迟。

链路备份和负载均衡 为了提高数据传输的可靠性和稳定性,可以在4G工业路由器上配置链路备份和负载均衡功能。 链路备份是指配置多条物理链路(如4G、有线以太网),当某条链路异常时,自动切换到备用链路,保证业务连续性。 负载均衡是指将数据流量分担到多条物理链路上,充分利用网络资源,提高整体吞吐量。常见的负载均衡策略有:

权重轮询:按照设定的权重比例,轮流将数据分配到各条链路

最小连接数:将新的连接分配到当前连接数最小的链路

源地址哈希:根据数据包的源IP地址,计算哈希值,再根据哈希值选择对应的链路

智能选路:根据链路的延迟、丢包率、带宽利用率等指标,动态选择最优路径 通过合理配置链路备份和负载均衡,可以最大限度地发挥多链路的优势,提升数据传输的可靠性、稳定性和效率。

四、路由器的运维管理

设备远程管理 4G工业路由器部署在野外环境,难以进行现场维护。为了实现远程管理,可以利用路由器的以下功能:

Web管理:通过浏览器访问路由器的Web管理界面,进行参数配置、状态监控、日志查看等操作

CLI管理:通过SSH/Telnet等协议,远程登录路由器的命令行界面,执行各种管理命令

SNMP管理:利用SNMP协议,远程查询和设置路由器的各种参数,实现集中监控和管理

TR069管理:利用TR069协议,实现路由器的零配置上线、参数审计、软件升级等功能 为了保障管理安全,需要对这些管理方式进行必要的限制和加密,如设置强密码、开启IP访问控制、使用HTTPS/SSH等安全协议。

设备状态监控 实时监控4G工业路由器的运行状态,是保障系统稳定运行的重要手段。通过路由器提供的监控功能,可以及时了解以下关键信息:

网络状态:4G信号强度、注册状态、IP地址、流量统计等

接口状态:RS485/RS232的通信状态、异常计数等

设备状态:CPU利用率、内存占用率、温度、电压等

应用状态:数据传输的延迟、丢包率、重传率等

日志记录:系统日志、数据日志、安全日志等 通过定期查看这些监控指标,可以及时发现和定位异常问题,进行针对性的优化和调整。为了实现集中监控,可以将路由器接入专业的网管平台,如Zabbix、Nagios、云智易等,实现大规模设备管理。

故障诊断与恢复 当4G工业路由器出现故障时,需要快速诊断和恢复,以减小对业务的影响。常见的故障诊断与恢复方法包括:

Ping测试:测试路由器与其他设备的连通性和延迟

抓包分析:使用Wireshark等工具,抓取并分析异常数据包,定位通信问题

日志分析:查看系统日志、数据日志等,了解故障发生的时间、原因等

远程重启:通过Web管理、SMS短信、看门狗等方式,远程重启异常设备

出厂恢复:将路由器恢复到出厂默认配置,排除配置错误导致的故障

远程升级:通过Web上传、FTP下载等方式,远程升级路由器固件,修复软件缺陷 为了最大限度地减少故障发生,需要定期对路由器进行预防性维护,如清洁散热系统、检查接插件、更新软件版本等。同时,建立完善的故障应急预案,明确故障处理的流程、方法和责任人,确保在故障发生时能够快速响应和恢复。

五、应用案例分享 案例一:某水库水质监测系统 该系统采用"传感器+RTU+4G路由器+监控中心"的架构,实现了水温、pH值、溶解氧等指标的实时监测和预警。 在4G路由器的选型上,考虑到现场环境恶劣,选用了工业级别的设备,具有宽温、宽压、防护等特性,保证了设备的长期稳定运行。 在网络配置上,采用了双SIM卡双待机策略,实现了4G网络的冗余备份。同时,针对山区4G信号时强时弱的特点,优化了路由器的网络切换策略,提高了数据传输的稳定性。 在数据传输优化上,采用了数据打包、链路加密等方式,在保证数据实时性的同时,最大限度地节约了流量成本。 通过部署4G工业路由器,该系统已稳定运行2年,传输成功率达99.5%以上,为水库的安全运行提供了可靠的数据支撑。

案例二:

某市政供水管网监控系统 该系统覆盖了全市100多个压力监测点,采用"压力变送器+4G路由器+监控中心"的架构,实现了管网压力的实时监测和调度。 由于压力监测点分布分散,现场施工难度大,因此选用了体积小、安装方便的4G无线压力变送器,内置4G工业路由器模块,实现了数据的直接上传。

在网络配置上,采用了APN专网接入的方式,保证了数据传输的安全性和独占性。针对地下管网的弱信号问题,合理设计了天线的类型和布设方式,保证了4G网络的有效覆盖。 在运维管理上,配置了丰富的看门狗功能,包括掉线重连、定时重启、流量阈值等,最大限度地保证了设备的在线率。同时,通过自动升级功能,实现了批量设备的远程升级,提高了运维效率。 通过部署4G工业路由器,该系统实现了管网压力数据的实时上传和展示,大大提高了调度人员的工作效率,为城市供水安全提供了有力保障。

案例三:

某环境监测车载系统 该系统以移动监测车为载体,集成了大气、水质、噪声等多参数监测设备,通过4G工业路由器实现车载设备与监控中心的无线通信。

考虑到车载环境的特殊性,选用了高可靠、高稳定的车载4G工业路由器,具有防震、防尘、宽温等特性,可以适应恶劣的车载环境。 在网络配置上,采用了多运营商网络并发的策略,通过虚拟专用网络(VPN)技术,将不同运营商的4G网络整合成一个逻辑网络,提高了网络的覆盖率和可靠性。

在数据传输优化上,针对车载环境下信号不稳定、网络延迟大的特点,优化了TCP/IP协议栈参数,减小了传输超时和重传次数。同时,采用了链路质量感知和自适应编码技术,根据网络状况动态调整数据传输策略,保证了数据的实时性和可靠性。 通过部署车载4G工业路由器,实现了环境监测数据的实时回传和指挥调度,大大提高了突发环境事件的响应速度和处置效率。

案例四:

某露天矿山安全监控系统 该系统覆盖了矿区10平方公里范围,对矿用车辆、人员、设备等进行实时定位和状态监测,通过4G工业路由器实现无线数据回传。 矿区地形复杂,无线信号覆盖难度大,因此采用了多种传输技术相结合的方式,在基站信号良好的区域采用4G通信,在盲区内采用Wi-Fi组网通信,通过4G工业路由器实现无缝切换和数据汇聚。

在网络配置上,针对露天环境的电磁干扰问题,选用了军工级别的4G工业路由器,具有极高的电磁兼容性和抗干扰能力。同时,采用了多种网络安全措施,如IPSec、VPN、访问控制等,防止数据被非法截获和篡改。 在设备管理上,充分利用了4G工业路由器的边缘计算能力,在设备端部署了数据采集、异常分析、告警等应用程序,实现了数据的就地处理和智能化。同时,通过分级分域的管理策略,实现了大规模设备的集中管控和配置分发。

通过部署4G工业路由器,该系统实现了矿区人员、设备、环境的全方位监控,有效提升了矿山作业的本质安全水平。

以上四个案例,分别从不同行业和应用场景出发,展示了4G工业路由器在水质监测、城市供水、环境监测、矿山安全等领域的应用价值。 这些案例的成功实施,离不开对4G工业路由器的合理选型、精细化设计、优化配置和高效管理。只有深入理解4G网络的特点和工业应用的需求,才能充分发挥4G工业路由器的技术优势,为工业互联网应用提供高可靠、高安全、高性能的通信保障。 未来,随着5G、边缘计算、人工智能等新技术的发展和融合,工业路由器必将迎来更加广阔的应用空间和创新机遇,成为工业互联网时代数字化转型的关键使能器。

六、总结展望

本文从水质监测系统应用出发,重点分析和阐述了4G工业路由器的网络配置、数据传输优化、运维管理等关键技术,并通过四个典型行业的应用案例,展示了4G工业路由器的广泛应用前景和实践价值。 在工业互联网和万物互联的时代背景下,4G工业路由器凭借其无线、移动、广覆盖等特性,必将在更多的行业和领域得到创新性应用,为解决工业现场"最后一公里"通信问题提供有力支撑。 未来,4G工业路由器的发展趋势主要体现在以下几个方面:

多网络融合:集成4G/5G、NB-IoT、LoRa、Wi-Fi等多种无线通信技术,实现不同网络的无缝切换和协同优化,提供全场景、全时段的通信保障。

边缘智能化:在工业路由器本地集成边缘计算、人工智能芯片,实现数据的就地处理和实时分析,提高网络传输效率和智能化水平。

全栈安全:提供覆盖网络层、传输层、应用层的全栈式安全防护,融合主动防御、威胁情报、安全管理等多种安全机制,实现全方位、动态感知的安全防护。

云网协同:支持与工业互联网平台、边缘计算平台的无缝对接,实现设备管理、应用部署、数据分析的云网协同,提高运维效率和服务质量。

标准化与模块化:加快工业路由器的标准化进程,推进软硬件模块化设计,实现产品的快速定制和灵活部署,满足不同行业和应用场景的个性化需求。

来源：物联网ji技术分析