CN109451021B - 物联网边缘侧多异构网络接入系统与接入方法 - Google Patents

物联网边缘侧多异构网络接入系统与接入方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种物联网边缘侧多异构网络接入系统和方法，该系统包括终端接入设备和云端物联网管理系统，所述终端接入设备包括从模块和主模块；从模块获取传感器的采集数据，利用主模块发送云端物联网管理系统，采用云端物联网管理系统对主模块和从模块进行远程配置，采用多个异构网络实现了能够适用任何新通信协议的传感器，进行数据采集和上传的过程，主模块中没有文件系统，操作系统，避免这些系统断电重启造成的损坏。微秒级的重启，时时数据采集，保持数据完整性。主模块远端固件升级，解决固件bug从模块远端语义解析配置升级，适应不同协议的设备传感器。从模块按照客户需求配置，迅速符合现场部署，损坏更替需求。

Description

物联网边缘侧多异构网络接入系统与接入方法
技术领域
本发明涉及物联网技术领域，特别涉及一种物联网边缘侧多异构网络接入系统与接入方法。
背景技术
随着物联网领域技术的发展，物联网传感器采集的信息都是采用智能网关上传至服务器，而智能网关的缺陷是：智能网关采用高级的操作系统，一般是裁剪过的Linux达成升级目的。高级操作系统里面的缺点是有许多依赖，比如依赖文件系统，一旦文件系统因为断电造成损坏系统不工作，重启时时间长等缺陷。目前的同领域的硬件，是硬件是预置好的，出厂后既不能更改。也无法按照客户需求迅速更改。另一方面，由于硬件的固化，当用户端更换传感器时，现有的硬件并不能识别新传感器的类型，必须进行更换或者由专业人员进行现场重新调试才可以继续使用，成本高，使用不方便。
发明内容
本发明的目的旨在至少解决所述的技术缺陷之一。
为了实现上述目的，本发明一方面的实施例提供一种物联网边缘侧多异构网络接入系统，包括终端接入设备和云端物联网管理系统，所述终端接入设备包括从模块和主模块；
所述从模块，用于通过传感器接口采集传感器参数，并将采集到的参数进行格式化JSON转换，并将格式化JSON转换后的采集数据发送至主模块；接收并执行主模块的下发的控制指令；
所述主模块，用于接收从模块发送的采集数据，并将采集数据通过MQTT协议推送至云端物联网管理系统，所述主模块实时监测从模块传输的采集数据，当检测到从模块所连接的传感器更换时，主模块上传异常信息至云端物联网管理系统，根据云端物联网管理系统配置的控制指令，片选对应从模块，进而控制相应的从模块执行所接收到的指令；
所述云端物联网管理系统，一方面用于接收并存储主模块发送的MQTT协议中携带的采集数据；另一方面，根据主模块发送的异常信息，远程配置和升级主模块和从模块，包括：通过HTTP协议下发URL解析订阅主题程序包至主模块，控制主模块将接收到的订阅主题程序包通过AVR910协议对从模块进行升级，主模块和从模块按照升级后的程序继续运行。
优选的，所述终端接入设备为多层电路板集成设备，其中，所述从模块设置在上板，所述主模块设置在底板，所述底板上固定安装卡槽，所述上板通过连接卡槽与底板连接。
在上述任一方案中优选的是，所述从模块包括微控芯片和传感器通信电路；所述传感器通信电路的输入端连接物联网中的传感器，所述传感器通信电路的输出端连接微控芯片，所述传感器通信电路至少包括以下一种或多种接口：RS485串口、RS232串口、SPI串口、IIC串口。
在上述任一方案中优选的是，所述主模块包括ARM处理器、电源电路、存储电路和以太网通信电路，所述ARM处理器的输入IO管脚，所述ARM处理器的电源管脚连接电源电路的输出端，所述ARM处理器的数据管脚连接存储电路，所述ARM处理器的通信管脚连接以太网通信电路。
在上述任一方案中优选的是，所述主模块上根据ARM处理器的IO接口扩展设有多个卡槽，每个卡槽上对应设有与连接一个从模块连接的触点。
在上述任一方案中优选的是，所述云端物联网管理系统还用于对主模块进行安全初始化，包括：生成公私钥对及硬件PIN码，并基于预置的加密算法生成统一密钥；利用所述硬件PIN码对安全模块的私钥进行加密，并将加密后的私钥信息保存在所述安全模块的可信区域；将公钥以及混淆后的所述硬件PIN码保存在所述安全模块的指定区域；将安全模块的公钥和安全模块标识上传到所述云端物联网管理系统。
本发明还提供一种物联网边缘侧多异构网络接入方法，应用于上述接入设备中，包括未更换传感器和更换传感器两方面：
第一方面，未更换传感器时，按照初始化程序执行以下步骤；
步骤S101,利用从模块的传感器接口采集传感器参数，并将采集到的参数进行格式化JSON转换，并将格式化JSON转换后的采集数据发送至主模块；
步骤S102，主模块接收并实时监测从模块发送的采集数据，并将采集数据通过MQTT协议发布推送至发送至云端物联网管理系统，并根据初始化程序预设的控制指令，控制从模块按照初始化程序执行；
步骤S103，云端物联网管理系统接收并存储主模块发送的MQTT协议中携带的采集数据；
第二方面，步骤S102中主模块监测到从模块在工作，但未接收到从模块发送的采集数据时，按照以下步骤执行：
步骤S201，主模块上报异常信息至云端物联网管理系统；云端物联网管理系统接收主模块发送的采集数据，并远程配置和升级主模块和从模块，其中，远程配置和升级过程包括：通过HTTP协议下发URL解析订阅主题程序包至主模块，控制主模块将接收到的订阅主题程序包通过AVR910协议对从模块进行升级；
步骤S202,从模块按照升级后的程序识别传感器接口采集的传感器参数，并将采集到的参数进行格式化JSON转换，并将格式化JSON转换后的采集数据发送至主模块；
步骤S203，主模块按照升级后的程序接收从模块发送的采集数据，并将采集数据通过MQTT协议发布推送至发送至云端物联网管理系统，根据云端物联网管理系统配置的控制指令，片选对应从模块，进而控制相应的从模块执行所接收到的指令；
步骤S204，云端物联网管理系统接收并存储主模块发送的MQTT协议中携带的采集数据。
优选的，在步骤S201中，所述从模块在于物联网中传感器进行通信时，支持多种通信协议，多种所述通信协议包括RS485串口、RS232串口、SPI串口和IIC串口通信协议。
在上述任一方案中优选的是，还包括步骤S205，云端物联网管理系统对主模块进行安全初始化，包括：生成公私钥对及硬件PIN码，并基于预置的加密算法生成统一密钥；利用所述硬件PIN码对安全模块的私钥进行加密，并将加密后的私钥信息保存在所述安全模块的可信区域；将公钥以及混淆后的所述硬件PIN码保存在所述安全模块的指定区域；将安全模块的公钥和安全模块标识上传到所述云端物联网管理系统。
根据本发明实施例提供的物联网边缘侧多异构网络接入系统和方法，相比于现有的物联网采集器至少具有以下优点：
1、属于边缘侧网络的终端设备，采用单片机设计底板以及其传感器处理模块的固件能够透过互联网远端被物联网管理系统更新。
2、采用本设备部署在传感器端的现场可以达到近则数十公里，远则数百公里，都能远程升级解决软件问题，节省出现场次数。
3、主模块单片机，没有文件系统，操作系统，避免这些系统断电重启造成的损坏。微秒级的重启，时时数据采集，保持数据完整性。主模块远端固件升级，解决固件bug。
4、从模块远端语义解析配置升级，适应不同协议的设备/传感器。从模块按照客户需求配置，迅速符合现场部署，损坏更替需求。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明实施例提供的一种物联网边缘侧多异构网络接入系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种物联网边缘侧多异构网络接入方法的流程图；
图3为本发明实施例提供的一种物联网边缘侧多异构网络接入系统的从模块电路原理图；
图4为本发明实施例提供的一种物联网边缘侧多异构网络接入系统的主模块电路框图；
图中：
1、从模块；2、主模块；3、卡槽；4、ARM处理器；5、电源电路；6、存储电路；7、RJ45接口；8、以太网通信电路；
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，本发明实施例的一种物联网边缘侧多异构网络接入系统，包括终端接入设备和云端物联网管理系统，终端接入设备包括从模块和主模块；从模块，用于通过传感器接口采集传感器参数，并将采集到的参数进行格式化JSON转换，并将格式化JSON转换后的采集数据发送至主模块；并接收主模块的下发的控制指令并执行所接收到的指令；主模块，用于接收从模块发送的采集数据，并将采集数据通过MQTT协议发布推送至发送至云端物联网管理系统，根据云端物联网管理系统配置的控制指令，片选对应从模块，进而控制相应的从模块执行所接收到的指令；云端物联网管理系统，用于远程配置和升级主模块和从模块，并接收主模块发送的采集数据，包括：通过HTTP协议下发URL解析订阅主题程序包至主模块，控制主模块将接收到的订阅主题程序包通过AVR910协议对从模块进行升级。
如图3所示，在本发明的一个实施例中，从模块设置在上板，主模块设置在底板，底板上固定安装卡槽，上板通过连接卡槽与底板连接。主模块上根据ARM处理器的IO接口扩展设有多个卡槽，每个卡槽上对应设有与连接一个从模块连接的触点。
其中，从模块包括微控芯片和传感器通信电路；传感器通信电路的输入端连接物联网中的传感器，传感器通信电路的输出端连接微控芯片，传感器通信电路包括RS485串口、RS232串口、SPI串口、IIC串口。由于现有物联网中使用的传感器生产厂家众多，不同厂家的传输协议不同，例如RS232、RS485、TTL；经过对传感器产品的统计分析，串口协议的传感器是主流产品，因此，从模块通常设置能够满足大多数传感器的串口通信协议，当用户端的传感器不是串口协议的传感器时，只需要将从模块从卡槽上拆下，进行单独替换即可，不影响整个设备的使用。
微控芯片采用型号为ATMEGA328，传感器通信电路通过连接卡槽连接RJ45接口，微控芯片的数据管脚NSS管脚、MOSI管脚和MISO管脚与卡槽连接，在通过卡槽连接至主模块，利用主模块，将传感器采集的信号通过以太网上传至上位机，用户可以通过在上位机上配置各个上板的端口信息，即可实现对采集器接口的远程配置，无需工作人员现场调试。
如图4所示，在本发明的另一个实施例中，主模块包括ARM处理器、电源电路、存储电路和以太网通信电路，ARM处理器的输入IO管脚，ARM处理器的电源管脚连接电源电路的输出端，ARM处理器的数据管脚连接存储电路，ARM处理器的通信管脚连接以太网通信电路。ARM处理器的型号为STM32F407VGT6，所述以太网通信电路采用的型号为LAN8720A的通信芯片。所述底板上还设有多个RJ45接口，RJ45接口用于连接物联网传感器。
在本发明的另一个优选的实施例中，在本设备初次使用时，云端物联网管理系统还用于对主模块进行安全初始化，包括：生成公私钥对及硬件PIN码，并基于预置的加密算法生成统一密钥；利用硬件PIN码对安全模块的私钥进行加密，并将加密后的私钥信息保存在安全模块的可信区域；将公钥以及混淆后的硬件PIN码保存在安全模块的指定区域；将安全模块的公钥和安全模块标识上传到云端物联网管理系统。由此实现，以后每次云端物联网管理系统与主模块之间传输的数据均为携带有安全标识和安全公钥的数据，增强了数据传输的安全性。
如图2所示，本发明还提供一种物联网边缘侧多异构网络接入方法，应用于上述接入设备中，该设备进行初次使用时，还包括云端物联网管理系统对主模块进行安全初始化，包括：生成公私钥对及硬件PIN码，并基于预置的加密算法生成统一密钥；利用硬件PIN码对安全模块的私钥进行加密，并将加密后的私钥信息保存在安全模块的可信区域；将公钥以及混淆后的硬件PIN码保存在安全模块的指定区域；将安全模块的公钥和安全模块标识上传到云端物联网管理系统。由此实现，以后每次云端物联网管理系统与主模块之间传输的数据均为携带有安全标识和安全公钥的数据，增强了数据传输的安全性。
正常使用时包括以下步骤:包括未更换传感器和更换传感器两方面：
第一方面，未更换传感器时，按照初始化程序执行以下步骤；
步骤S101,利用从模块的传感器接口采集传感器参数，并将采集到的参数进行格式化JSON转换，并将格式化JSON转换后的采集数据发送至主模块；
步骤S102，主模块接收并实时监测从模块发送的采集数据，并将采集数据通过MQTT协议发布推送至发送至云端物联网管理系统，并根据初始化程序预设的控制指令，控制从模块按照初始化程序执行；
步骤S103，云端物联网管理系统接收并存储主模块发送的MQTT协议中携带的采集数据；
第二方面，步骤S102中主模块监测到从模块在工作，但未接收到从模块发送的采集数据时，按照以下步骤执行：
步骤S201，主模块上报异常信息至云端物联网管理系统；云端物联网管理系统接收主模块发送的采集数据，并远程配置和升级主模块和从模块，其中，远程配置和升级过程包括：通过HTTP协议下发URL解析订阅主题程序包至主模块，控制主模块将接收到的订阅主题程序包通过AVR910协议对从模块进行升级；
步骤S202,从模块按照升级后的程序识别传感器接口采集的传感器参数，并将采集到的参数进行格式化JSON转换，并将格式化JSON转换后的采集数据发送至主模块；
步骤S203，主模块按照升级后的程序接收从模块发送的采集数据，并将采集数据通过MQTT协议发布推送至发送至云端物联网管理系统，根据云端物联网管理系统配置的控制指令，片选对应从模块，进而控制相应的从模块执行所接收到的指令；
步骤S204，云端物联网管理系统接收并存储主模块发送的MQTT协议中携带的采集数据。
在步骤S201和步骤101中，从模块在于物联网中传感器进行通信时，支持多种通信协议，多种通信协议包括RS485串口、RS232串口、SPI串口和IIC串口通信协议。从模块中设有的传感器通信电路包括RS485串口、RS232串口、SPI串口、IIC串口。并在主模块中写入上述多种串口的通信协议，由于现有物联网中使用的传感器生产厂家众多，不同厂家的传输协议不同，例如RS232、RS485、TTL；经过对传感器产品的统计分析，串口协议的传感器是主流产品，因此，从模块通常设置能够满足大多数传感器的串口通信协议，当用户端的传感器不是串口协议的传感器时，只需要将从模块从卡槽上拆下，进行单独替换即可，不影响整个设备的使用。
步骤S102和202中，主模块还包括：初始化连接网络，初始化MQTT(或LwM2M)与服务器建立连接，主模块通过访问从模块获取(从)模块采集的传感器参数数据；通过MQTT(或LwM2M)协议消息发布发送至服务器；主模块将采集到的数据通过MQTT(或LwM2M)协议发布/订阅消息模式推送至服务器；主模块订阅主题接收服务器下发指令，通过片选从模块发送指令；主模块本身升级，接受服务器下发新固件包，储存于存储电路，重启主模块后，引导备份系统启动成为主系统，之前主系统成为备份系统。监视从模块，如有问题，则重启从模块。
本发明在应用时，如果用于在从模块介入的传感器为新传感器时，改端口无法自动识别，此时管理人员只需要在云端物联网管理系统端对主模块进行重新升级配置，采用HTTP协议通过url下载bin文件程序包，主模块接收到升级包之后，重启，新升级的系统自动代替原系统，并根据新的处理程序中写入的片选指令和时序指令，对上板的从模块重新片选，写入新传感器接口对应的上板的配置程序，从而新传感器对应上板，实现了远程更新，能够识别新接入的传感器采集的物联网信息。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。

Claims (9)

1.一种物联网边缘侧多异构网络接入系统，包括终端接入设备和云端物联网管理系统，其特征在于，所述终端接入设备包括从模块和主模块；
所述从模块，用于通过传感器接口采集传感器参数，并将采集到的参数进行格式化JSON转换，并将格式化JSON转换后的采集数据发送至主模块；接收并执行主模块的下发的控制指令；
所述主模块，用于接收从模块发送的采集数据，并将采集数据通过MQTT协议推送至云端物联网管理系统，所述主模块实时监测从模块传输的采集数据，当检测到从模块所连接的传感器更换时，主模块上传异常信息至云端物联网管理系统，根据云端物联网管理系统配置的控制指令，片选对应从模块，进而控制相应的从模块执行所接收到的指令；
所述云端物联网管理系统，一方面用于接收并存储主模块发送的MQTT协议中携带的采集数据；另一方面，根据主模块发送的异常信息，远程配置和升级主模块和从模块，包括：通过HTTP协议下发URL解析订阅主题程序包至主模块，控制主模块将接收到的订阅主题程序包通过AVR910协议对从模块进行升级，主模块和从模块按照升级后的程序继续运行。
2.根据权利要求1所述的物联网边缘侧多异构网络接入系统，其特征在于，所述终端接入设备为多层电路板集成设备，其中，从模块设置在上板，所述主模块设置在底板，所述底板上固定安装卡槽，所述卡槽与从模块配合使用，所述上板通过连接卡槽与底板连接，以将每个设置在所述卡槽上的从模块与所述主模块建立通信连接。
3.根据权利要求1所述的物联网边缘侧多异构网络接入系统，其特征在于，所述从模块包括微控芯片和传感器通信电路；所述传感器通信电路的输入端连接物联网中的传感器，所述传感器通信电路的输出端连接微控芯片，所述传感器通信电路至少包括以下一种或多种接口：RS485串口、RS232串口、SPI串口、IIC串口。
4.根据权利要求1所述的物联网边缘侧多异构网络接入系统，其特征在于，所述主模块包括ARM处理器、电源电路、存储电路和以太网通信电路，所述ARM处理器的输入IO管脚，所述ARM处理器的电源管脚连接电源电路的输出端，所述ARM处理器的数据管脚连接存储电路，所述ARM处理器的通信管脚连接以太网通信电路。
5.根据权利要求2所述的物联网边缘侧多异构网络接入系统，其特征在于，所述主模块上根据ARM处理器的IO接口扩展设有多个卡槽，每个卡槽上对应设有与一个从模块连接的触点。
6.根据权利要求1所述的物联网边缘侧多异构网络接入系统，其特征在于，所述云端物联网管理系统还用于对主模块进行安全初始化，包括：生成公私钥对及硬件PIN码，并基于预置的加密算法生成统一密钥；利用所述硬件PIN码对安全模块的私钥进行加密，并将加密后的私钥信息保存在所述安全模块的可信区域；将公钥以及混淆后的所述硬件PIN码保存在所述安全模块的指定区域；将安全模块的公钥和安全模块标识上传到所述云端物联网管理系统。
7.一种物联网边缘侧多异构网络接入方法，其特征在于，应用于上述权利要求1-6中任意一项的接入设备，包括未更换传感器和更换传感器两方面：
第一方面，未更换传感器时，按照初始化程序执行以下步骤；
步骤S101,利用从模块的传感器接口采集传感器参数，并将采集到的参数进行格式化JSON转换，并将格式化JSON转换后的采集数据发送至主模块；
步骤S102，主模块接收并实时监测从模块发送的采集数据，并将采集数据通过MQTT协议发布推送至发送至云端物联网管理系统，并根据初始化程序预设的控制指令，控制从模块按照初始化程序执行；
步骤S103，云端物联网管理系统接收并存储主模块发送的MQTT协议中携带的采集数据；
第二方面，步骤S102中主模块监测到从模块在工作，但未接收到从模块发送的采集数据时，按照以下步骤执行：
步骤S201，主模块上报异常信息至云端物联网管理系统；云端物联网管理系统接收主模块发送的采集数据，并远程配置和升级主模块和从模块，其中，远程配置和升级过程包括：通过HTTP协议下发URL解析订阅主题程序包至主模块，控制主模块将接收到的订阅主题程序包通过AVR910协议对从模块进行升级；
步骤S202,从模块按照升级后的程序识别传感器接口采集的传感器参数，并将采集到的参数进行格式化JSON转换，并将格式化JSON转换后的采集数据发送至主模块；
步骤S203，主模块按照升级后的程序接收从模块发送的采集数据，并将采集数据通过MQTT协议发布推送至发送至云端物联网管理系统，根据云端物联网管理系统配置的控制指令，片选对应从模块，进而控制相应的从模块执行所接收到的指令；
步骤S204，云端物联网管理系统接收并存储主模块发送的MQTT协议中携带的采集数据。
8.根据权利要求7所述的物联网边缘侧多异构网络接入方法，其特征在于，在步骤S201中，所述从模块在于物联网中传感器进行通信时，支持多种通信协议，多种所述通信协议包括RS485串口、RS232串口、SPI串口和IIC串口通信协议。
9.根据权利要求7所述的物联网边缘侧多异构网络接入方法，其特征在于，还包括步骤S205，云端物联网管理系统对主模块进行安全初始化，包括：生成公私钥对及硬件PIN码，并基于预置的加密算法生成统一密钥；利用所述硬件PIN码对安全模块的私钥进行加密，并将加密后的私钥信息保存在所述安全模块的可信区域；将公钥以及混淆后的所述硬件PIN码保存在所述安全模块的指定区域；将安全模块的公钥和安全模块标识上传到所述云端物联网管理系统。
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