CN108769066A - 一种边缘计算全栈微系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种边缘计算全栈微系统，包括中央处理器、数字信号处理器、实时协处理器、内存单元和闪存单元组成的硬件核心系统，所述核心系统为运行边缘计算核心组件和算法,所述核心系统分别与加密授权模组、时钟同步模块、精准校时模块、电源管理模块、无线频射模块和有线通讯模块电信连接。有益效果：具有业务实时性,所以需要把部分分析和控制功能放在网络边缘，以满足业务实时性的需要；数据适配和聚合性，能在网络边缘对传感侧协议和标准进行适配、统一；可靠性，可靠性是系统提供服务的基石，可以接受单点故障在很多行业场景普遍；安全性对于更多行业系统，提高系统的安全性。

Description

一种边缘计算全栈微系统
技术领域
本发明涉及物联网技术领域，尤其涉及一种边缘计算全栈微系统。
背景技术
物联网其实不是传统意义的网络，而是一个技术体系，其通常分为4层：传感控制层、网络层、平台层和应用层。传感控制层是感知和控制的触角，网络层主要回传数据，平台层通常进行联接、数据和运维的管理，而应用层则进行数据的分析和相关应用的控制。其中平台层和应用层都位于数据中心，通常认为管理、分析、控制和数据处理都应在数据中心集中进行，而网络层就是一个数据回传管道。但很多行业应用对实时性、可靠性和安全性等有严格的要求，有些行业应用受制于接入带宽和成本的限制，需要对上传数据中心的流量进行聚合和预处理，因此，在靠近物或数据源头的网络边缘就需要一个融合联接、计算、存储和业务部署等能力的软硬件承载平台。本发明就是提供了这种软硬件承载平台的核心系统，一种边缘计算全栈微系统。
发明内容
针对相关技术中的问题，本发明提出一种边缘计算全栈微系统，以克服现有相关技术所存在的上述技术问题。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种边缘计算全栈微系统，包括中央处理器、数字信号处理器、实时协处理器、内存单元和闪存单元组成的硬件核心系统，所述核心系统为运行边缘计算核心组件和算法。
其中，所述中央处理器主要负责运行边缘计算操作系统内核和驱动所有硬件外设并执行常规采集控制任务。
所述数字信号处理器主要负责进行多维建模和矩阵运算，并辅助进行加解密运算。
所述实时协处理器用于辅助所述中央处理器处理强实时任务。
所述内存单元分为动态存储和静态存储空间，其中动态存储空间用于非实时任务的数据处理，静态存储空间分配给强实时硬件任务和中断处理，为保证实时性，静态存储空间在任务配置后不能回收，但静态存储空间与动态存储空间之间通过实时FIFO进行数据交换。
所述核心系统分别与加密授权模组、时钟同步模块、精准校时模块、电源管理模块、无线频射模块和有线通讯模块电信连接。
进一步的，所述闪存单元内设置有工业协议系统、系统协议栈系统、无线协议栈系统、实时总线和加密引擎系统，用于存放边缘计算操作系统的驱动、内核和文件系统，配置非实时数据库和实时数据库，并包含授权后方能使用的各类协议栈。
进一步的，所述无线协议栈系统至少包括以下之一或其任意组合：
LoRa、WiFi、BLE、ZigBee。
进一步的，所述工业协议系统至少包括以下之一或其任意组合：
Modbus、IEC101、IEC103、IEC104、BACNET。
进一步的，所述系统栈协议栈系统至少包括以下之一或其任意组合：
HTTP、HTTPS、TCP、UDP、IPv4、IPv6、SNMP。
进一步的，所述加密算法引擎系统包括至少以下之一或其任意组合：
DES/3DES、RSA、AES、ECC、SM1/SM2、SM3/SM4。
进一步的，所述实时总线包括至少以下之一或其任意组合：
CANBUS、PorfiBus、ProfiNet、Ethernet/IP、EtherCAT
进一步的，所述核心系统通过所述加密授权模块与所述加密引擎系统相连接，所述核心系统通过所述无线频射模块与所述无线协议栈系统相连接，所述核心系统通过所述有线通讯模块与所述实时总线相连接。
本发明的有益效果是：(1)具有业务实时性，在对实时性要求较高的领域，(比如生产控制领域，业务控制时延必须小于10毫秒甚至更低；在自动驾驶领域，控制时延也必须在几个毫秒之内)如果将控制放在云端将根本无法满足上述时延要求，所以需要把部分分析和控制功能放在网络边缘，以满足业务实时性的需要。(2)数据适配和聚合性，当前，传感侧存在大量的专有通信技术和协议，这种多样性和异构性不但存在于特定行业内，更存在于不同行业间，需要在网络边缘对传感侧协议和标准进行适配、统一。(3)可靠性，可靠性是系统提供服务的基石，单点故障在很多行业场景普遍是不可接受的。因此大量关键操作不能依靠云端，现场的生产系统需要保持一定的自主和自治。对于一些特定的应用场景，比如制造业的控制系统，通过边缘的分布式智能和自治系统相互协同，而不是依靠中心化的智能，可以保障整个系统的本地存活能力；又如路灯物联网系统，即使广域网络发生故障，路灯也要具备本地的基本控制能力，以保证行人的交通安全。(4)安全性对于更多行业系统，尤其是生产系统，接入网络的安全性显得更为重要，安全已成为物联网领域最牵动人心的问题。连接传感层和数据平台层之间的网络部分往往是安全的薄弱环节，而传感层通常受到计算资源、供电和成本的限制，很难进行复杂的加密防护，所以在网络的边缘需要对安全进行加固，比如在物联网网关和数据中心之间建立加密隧道，或者由应用厂商在物联网上安装私有的代理，以实现数据加/解密，从而进一步提高系统的安全性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为一种边缘计算全栈微系统的结构示意图。
图中：
1、核心系统；2、电源管理模块；3、时钟同步模块；4、精准校时模块；5、无线频射模块；6、有线通讯模块；7、无线协议栈系统；8、加密授权模组；9、加密引擎系统；10、闪存单元；11、数字信号处理器；12、中央处理器；13、实时协议处理器；14、内存单元；15、工业系统协议系统；16、系统协议栈系统；17、实时总线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
根据本发明的实施例，提供了一种边缘计算全栈微系统。
参照图1，根据本发明实施例的边缘计算全栈微系统，包括中央处理器12、数字信号处理器11、实时协处理器13、内存单元14和闪存单元10组成的硬件核心系统1，所述核心系统1为运行边缘计算核心组件和算法。
其中，所述中央处理器12主要负责运行边缘计算操作系统内核和驱动所有硬件外设并执行常规采集控制任务。
所述数字信号处理器11主要负责进行多维建模和矩阵运算，并辅助进行加解密运算。
所述实时协处理器13用于辅助所述中央处理器12处理强实时任务。
所述内存单元14分为动态存储和静态存储空间，其中动态存储空间用于非实时任务的数据处理，静态存储空间分配给强实时硬件任务和中断处理，为保证实时性，静态存储空间在任务配置后不能回收，但静态存储空间与动态存储空间之间通过实时FIFO进行数据交换。
所述核心系统1分别与加密授权模组8、时钟同步模块3、精准校时模块4、电源管理模块2、无线频射模块5和有线通讯模块6电信连接。
在一个实施例中，所述闪存单元10内设置有工业协议系统15、系统协议栈系统16、无线协议栈系统7、实时总线17和加密引擎系统9，用于存放边缘计算操作系统的驱动、内核和文件系统，配置非实时数据库和实时数据库，并包含授权后方能使用的各类协议栈。
在一个实施例中，所述无线协议栈系统7至少包括以下之一或其任意组合：
LoRa、WiFi、BLE、ZigBee。
在一个实施例中，所述工业协议系统15至少包括以下之一或其任意组合：
Modbus、IEC101、IEC103、IEC104、BACNET。
在一个实施例中，所述系统栈协议栈系统16至少包括以下之一或其任意组合：
HTTP、HTTPS、TCP、UDP、IPv4、IPv6、SNMP。
在一个实施例中，所述加密算法引擎系统9包括至少以下之一或其任意组合：
DES/3DES、RSA、AES、ECC、SM1/SM2、SM3/SM4。
在一个实施例中，所述实时总线17包括至少以下之一或其任意组合：
CANBUS、PorfiBus、ProfiNet、Ethernet/IP、EtherCAT
在一个实施例中，所述核心系统1通过所述加密授权模块8与所述加密引擎系统9相连接，所述核心系统1通过所述无线频射模块5与所述无线协议栈系统7相连接，所述核心系统1通过所述有线通讯模块6与所述实时总线17相连接。
如图1，在具体实施的过程中，所述核心系统1中运行边缘计算核心组件和算法，所述中央处理器12主要负责运行边缘计算操作系统内核和驱动所有硬件外设并执行常规采集控制任务；所述数字信号处理器11主要负责进行多维建模和矩阵运算，并辅助进行加解密运算；所述实时协处理器13用于辅助所述中央处理器12处理强实时任务；其中，大容量所述内存单元10分为动态存储和静态存储空间，动态存储空间用于非实时任务的数据处理，静态存储空间分配给强实时硬件任务和中断处理，为保证实时性，静态存储空间在任务配置后不能回收，但静态存储空间与动态存储空间之间通过实时FIFO进行数据交换。所述闪存单元用于存放边缘计算操作系统的驱动、内核和文件系统，配置非实时数据库和实时数据库，并包含授权后方能使用的各类协议栈，所述无线协议栈系统7(如LoRa、WiFi、BLE、ZigBee等)、所述工业协议栈系统15(如Modbus、IEC104等)和各类实时总线(如ProfiBus等)。目前市场上所有常见的核心系统，均为硬件的集成和堆叠，为通用需求考虑，并一般使用开源的软件开发平台，仅仅是硬件驱动和基础服务的支持，完全没有应对工业互联网快速执行，数据优化的策略，而以上特点，为这种边缘计算操作系统的核心优势。
所述加密授权模块8，使用私钥、公钥和AES/ECC算法对自主开发边缘计算操作系统进行使用合法性实时验证，确保软件的核心代码未被非法拷贝和使用；对接入边缘计算系统的传感层产品进行实时身份认证，并在加密通讯机制上增加用户层协议加密，确保通讯机制的安全；对客户的核心业务数据，存储在非实时和实时数据库中的讯息进行授权加密，用户管理和密钥管理，即便是边缘计算操作系统的软件开发者，在没有授权的前提下均无法获取数据；加密模块采用物理攻击无效和物理无法克隆的技术实现，确保加密授权模块无法被复制或破解，每一个模块均有通过AES/ECC加密算法产生的全世界唯一的UID与实际业务绑定，以上技术优势，确保了边缘计算对于敏感数据不可侵犯的特性得以发挥。
所述时钟同步模块3，利用高精度、低温漂、低时漂时间基准，同步产生多路星型时钟总线，同步触发所有实时总线和硬件设备，确保所有硬件子系统按照相同的时间基准进行工作，这是相对时间任务的精准保障，是具备典型新颖性的。
所述精准校时模块4，使用高精度GNSS定位系统，随时与全球的定位卫星进行校时，能够实现10纳秒级的精确时间同步，是边缘计算操作系统中实时任务的时间同步基础，是物联网边缘计算特性中实时同步的基础，所有接入系统的产品和设备均以统一的时间基数进行同步，并实时校准，因此所有任务的触发时间和执行时间均可精准预估，并根据预判结果与实际结果的比对进行状态确认和分析，以及时调整下一个响应机制或程序。这是绝对时间任务的精准保障，是任何非实时微系统不具备的。
无线射频，微系统提供了对LoRa、WiFI、BLE、ZigBee无线射频收发器工作所需的控制器支持，以硬件总线控制器加无线通讯协议栈形式进行整合，当客户选择使用相关无线通讯模式时，不再需要自己去移植和加载，直接调用相关组件即可完成，让客户专注于其业务的拓展，而不用再关注底层实现，帮助客户产品迅速落地。各类短距、中距和长距离无线低功耗技术，是物联网整体智能提升的基础，目前市面上已经存在的微系统均未把无线协议栈进行植入，无线协议栈是相对复杂的，这是本发明中的具备绝对优势的部分。
有线通讯，微系统提供了现场有线实时通讯的支持，以IP授权的方式，可以对接目前常见的各类有线实时以太网或串行接口，同时此部分实时总线必须工作于边缘计算实时域中，其实时特性方能得以保证，而其他工作于非实时操作系统的以太网或串行接口均无法实现有线实时通讯。
所述电源管理模块2，为了确保微系统各模组之间的稳定工作，控制上下电时序和功耗，为其专门设计了电源管理模块，时钟同步模块统一建立基准时钟后，电源管理模块按照预设的上电时序严格各功能模块上电，微系统关电时同样由电源管理芯片按照下电顺序就行关断，并保证内存数据已被写入闪存数据库或文件中，并在闪存断电前不再进行擦除或覆盖动作，这是微系统稳定可靠的保证。
软件部分主要支持各类协议栈，提供了各类通讯制式、通讯协议和通讯总线的融合。主要包含工业协议栈、系统协议栈、无线协议栈、实时总线协议栈和加密算法引擎。
所述工业协议栈系统15，涵盖各种工业、通讯领域协议栈，包括Modbus、IEC101/103/104、IEC61850、BACNET、DNP3.0、DL/T 645、CJ188等几十种通讯协议，并支持自定义协议接入，满足各类工业现场总线需求，目前市面上常规的协议转换器或网关并不具备同时支持和解析的能力；
所述系统协议栈系统16，针对于物联网应用，提供了HTTP、HTTPS、TCP、UDP、IPv4、IPv6、SNMP、MQTT等系统协议栈的支持，目前IPv6尚属于行业前沿，此发明提供了完整的支持；
所述无线协议栈系统7，除了支持LoRa、WiFi、BLE、ZigBee底层硬件MAC协议栈外，还支持LoRaWan 1.02、ZigBee 3.0等最新的链路层协议栈，具备多网融合特性，目前同类产品中尚未有对这些IOT无线通讯协议栈同时支持的产品；
还包括实时总线协议栈，提供了ProfiBus、ProfiNet、Ethernet/IP、EtherCAT、CANBUS等现场实时总线中子站协议栈的支持，这些协议栈均需通过付费授权模式方能使用在实际业务中，既保护了国际相关协议组织的IP合法化利益，又为最终用户的系统级使用提供了最便捷的例化和实现手段，这是任何同类产品中均无法提供的支持。
所述加密引擎系统，微系统支持DES/3DES、RSA、AES、ECC、SM1/SM2/SM3/SM4等加密算法和加密加速引擎，提供算法加密、代码加密、协议加密、证书身份识别、私钥和公钥管理功能。
综上所述，借助于本发明的上述技术方案，包括中央处理器12、数字信号处理器11、实时协处理器13、内存单元14和闪存单元10组成的硬件核心系统1，所述核心系统1为运行边缘计算核心组件和算法；
其中，所述中央处理器12主要负责运行边缘计算操作系统内核和驱动所有硬件外设并执行常规采集控制任务；
所述数字信号处理器11主要负责进行多维建模和矩阵运算，并辅助进行加解密运算；
所述实时协处理器13用于辅助所述中央处理器12处理强实时任务；
所述内存单元14分为动态存储和静态存储空间，其中动态存储空间用于非实时任务的数据处理，静态存储空间分配给强实时硬件任务和中断处理，为保证实时性，静态存储空间在任务配置后不能回收，但静态存储空间与动态存储空间之间通过实时FIFO进行数据交换。
所述核心系统1分别与加密授权模组8、时钟同步模块3、精准校时模块4、电源管理模块2、无线频射模块5和有线通讯模块6电信连接。
本发明的有益效果：(1)具有业务实时性，在对实时性要求较高的领域，(比如生产控制领域，业务控制时延必须小于10毫秒甚至更低；在自动驾驶领域，控制时延也必须在几个毫秒之内)如果将控制放在云端将根本无法满足上述时延要求，所以需要把部分分析和控制功能放在网络边缘，以满足业务实时性的需要。(2)数据适配和聚合性，当前，传感侧存在大量的专有通信技术和协议，这种多样性和异构性不但存在于特定行业内，更存在于不同行业间，需要在网络边缘对传感侧协议和标准进行适配、统一。(3)可靠性，可靠性是系统提供服务的基石，单点故障在很多行业场景普遍是不可接受的。因此大量关键操作不能依靠云端，现场的生产系统需要保持一定的自主和自治。对于一些特定的应用场景，比如制造业的控制系统，通过边缘的分布式智能和自治系统相互协同，而不是依靠中心化的智能，可以保障整个系统的本地存活能力；又如路灯物联网系统，即使广域网络发生故障，路灯也要具备本地的基本控制能力，以保证行人的交通安全。(4)安全性对于更多行业系统，尤其是生产系统，接入网络的安全性显得更为重要，安全已成为物联网领域最牵动人心的问题。连接传感层和数据平台层之间的网络部分往往是安全的薄弱环节，而传感层通常受到计算资源、供电和成本的限制，很难进行复杂的加密防护，所以在网络的边缘需要对安全进行加固，比如在物联网网关和数据中心之间建立加密隧道，或者由应用厂商在物联网上安装私有的代理，以实现数据加/解密，从而进一步提高系统的安全性。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种边缘计算全栈微系统，其特征在于，包括中央处理器(12)、数字信号处理器(11)、实时协处理器(13)、内存单元(14)和闪存单元(10)组成的硬件核心系统(1)，所述核心系统(1)为运行边缘计算核心组件和算法；
其中，所述中央处理器(12)主要负责运行边缘计算操作系统内核和驱动所有硬件外设并执行常规采集控制任务；
所述数字信号处理器(11)主要负责进行多维建模和矩阵运算，并辅助进行加解密运算；
所述实时协处理器(13)用于辅助所述中央处理器(12)处理强实时任务；
所述内存单元(14)分为动态存储和静态存储空间，其中动态存储空间用于非实时任务的数据处理，静态存储空间分配给强实时硬件任务和中断处理，为保证实时性，静态存储空间在任务配置后不能回收，但静态存储空间与动态存储空间之间通过实时FIFO进行数据交换。
所述核心系统(1)分别与加密授权模组(8)、时钟同步模块(3)、精准校时模块(4)、电源管理模块(2)、无线频射模块(5)和有线通讯模块(6)电信连接。
2.根据权利要求1所述的一种边缘计算全栈微系统，其特征在于，所述闪存单元(10)内设置有工业协议系统(15)、系统协议栈系统(16)、无线协议栈系统(7)、实时总线(17)和加密引擎系统(9)，用于存放边缘计算操作系统的驱动、内核和文件系统，配置非实时数据库和实时数据库，并包含授权后方能使用的各类协议栈。
3.根据权利要求2所述的一种边缘计算全栈微系统，其特征在于，所述无线协议栈系统(7)至少包括以下之一或其任意组合：
LoRa、WiFi、BLE、ZigBee。
4.根据权利要求2所述的一种边缘计算全栈微系统，其特征在于，所述工业协议系统(15)至少包括以下之一或其任意组合：
Modbus、IEC101、IEC103、IEC104、BACNET。
5.根据权利要求2所述的一种边缘计算全栈微系统，其特征在于，所述系统栈协议栈系统(16)至少包括以下之一或其任意组合：
HTTP、HTTPS、TCP、UDP、IPv4、IPv6、SNMP。
6.根据权利要求2所述的一种边缘计算全栈微系统，其特征在于，所述加密算法引擎系统(9)包括至少以下之一或其任意组合：
DES/3DES、RSA、AES、ECC、SM1/SM2、SM3/SM4。
7.根据权利要求2所述的一种边缘计算全栈微系统，其特征在于，所述实时总线(17)包括至少以下之一或其任意组合：
CANBUS、PorfiBus、ProfiNet、Ethernet/IP、EtherCAT。
8.根据权利要求2所述的一种边缘计算全栈微系统，其特征在于，所述核心系统(1)通过所述加密授权模块(8)与所述加密引擎系统(9)相连接，所述核心系统(1)通过所述无线频射模块(5)与所述无线协议栈系统(7)相连接，所述核心系统(1)通过所述有线通讯模块(6)与所述实时总线(17)相连接。
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