CN110460971B

CN110460971B - 一种基于边缘计算的移动物联接入方法

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Publication number: CN110460971B
Application number: CN201910906251.9A
Authority: CN
Inventors: 周韶华; 刘冬生
Original assignee: Shanghai Heshi Information Technology Co ltd
Current assignee: Shanghai Heshi Information Technology Co ltd
Priority date: 2019-09-24
Filing date: 2019-09-24
Publication date: 2023-03-03
Anticipated expiration: 2039-09-24
Also published as: CN110460971A

Abstract

本发明公开了一种基于边缘计算的移动物联接入方法，将边缘计算系统作为物联网感知层传感网络的智能网关节点接入物联网中，所述边缘计算系统对从物联网感知节点获取的数据进行处理和计算后，再将数据传送到物联网的应用处理层，其中，边缘计算系统在对数据进行处理和计算前，先进行数据清洗预处理。本发明提供的方法能对感知节点采集到的数据进行清洗预处理，减轻了物联网的数据缓存及计算负担，同时也提高了网络安全性能。

Description

一种基于边缘计算的移动物联接入方法

技术领域

本发明属于物联网技术领域，尤其是涉及一种基于边缘计算的移动物联接入方法。

背景技术

目前物联网系统架构包括:感知层、网络传输层、处理应用层。传统的移动网络应用一般是先要完成无线接入网，再将数据通过移动核心网传输，最后数据在服务/应用层处理。在处理应用层往往需要采用云计算技术，数据通过网络传输层汇聚在处理应用层的云计算平台上，数据的传输、计算、存储严重依赖互联的网络传输层与处理应用层的服务及应用资源，网络延时或网络故障会造成应用延滞甚至停顿，无法完成前端的信息交互和处理。特别是当涉及视频图像、图形文字、语音处理等庞大的信息量都要在云计算平台上处理时，不仅会出现网络传输延时，也会造成计算资源的严重争用，计算结果可能无法及时反馈，从而失去应用价值。

边缘计算提供的是在物联网当中，靠近数据源，即数据产生端以及应用边缘端所需要的计算能力。其设置在靠近物或数据源头的一侧，采用网络、计算、存储、应用核心能力为一体的开放平台，就近提供最近端服务，以在一定程度上提高物联网的反应速度。然而，在实际使用过程中，边缘计算节点的数据也需要传送到处理应用层，只是其可以先进行判断，以提供实时处理，却并不能对接收到的数据进行清洗，即剔除无效信息，从而并不能有效缓解处理应用层的压力。

同时，物联网应用中往往需要有通过无线网络传输的场景，如：手持设备需要上传数据、车载/船载系统的上下行网络传输，并且在油田、矿山、农田等地方应用时，无线网络传输是必不可少的手段，而在这些地方为了能对感知到的数据进行实时处理，一般会在这些地方设置边缘计算节点，这就使得边缘计算节点不同于计算中心，其可能需要布置于走廊、户外旷野、车辆、船只或者是手持设备等处，因而边缘计算节点一般采用轻量级计算架构，根据应用需求对软硬件进行裁剪，满足应用系统的功能性、可靠性、成本、体积等要求。基于ARM的嵌入式系统就适合作为一种边缘计算节点，而受嵌入式系统设备体积的限制，一般只接入一种无线通信网络进行传输，而实际使用过程中，例如位于旷野时，天气情况会对无线通信网络的信号造成较大的影响，如果连接的无线通信网络无法工作，则会导致整个边缘计算节点无法工作。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于边缘计算的移动物联接入方法，其能对物联网前端的各类感知节点设备终端数据进行采集、清洗、处理及传输，有效缓解了物联网处理应用层的数据处理及储存压力，提升了物联网系统架构的性能。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于边缘计算的移动物联接入方法，将边缘计算系统作为物联网感知层传感网络的智能网关节点接入物联网中，所述边缘计算系统对从物联网感知节点获取的数据进行处理和计算后，再将数据传送到物联网的应用处理层，其中，边缘计算系统在对数据进行处理和计算前，先进行数据清洗预处理，数据清洗预处理方式如下：

通过历史数据列表对比，舍弃与已经接收的数据相同的数据；

根据时间戳进行判断，舍弃超出接收时间的数据；

若计数器无效则不接收超出合法范围的数据；

检查接入节点列表，对比设备标识，拒绝接收列表之外物联网感知节点发送的数据。

其中，用于上述方法的边缘计算系统包括加载模块、主控模块、传输信道模块、数据采集预处理模块、场景应用模块及系统更新模块；

所述加载模块用于检测主控程序运行状态及版本；

所述主控模块用于调度控制各模块的运行；

所述传输信道模块用于在多通信传输信道中确定所需的固定传输信道或无线传输信道、进行标记并通知主控模块；

所述数据采集预处理模块用于接收物联网感知节点的数据，并对数据进行清洗，数据清洗结束后通知主控模块进行后续处理；

所述场景应用模块包括系统维护子模块及多个业务应用子模块，所述系统维护子模块以程序映像文件形式存储，通过基于HTTPS的web的界面访问，完成系统参数配置、应用数据配置、数据备份/恢复、模型库配置、数据预处理规则定义；所述业务应用子模块以独立的映像文件存在于系统中；

所述边缘计算系统还包一数据集，系统更新模块读取数据集中更新策略并据此信息接收更新通知，决定是否更新主控模块、应用场景模块。

更进一步地，所述边缘计算系统在进行工作前先进行检测更新，加载程序检测主控模块的运行状态及版本，若主控程序未运行，则加载最新版本的主控模块映像文件，若主控程序已运行，但版本低于系统最新主控模块映像文件，等待重启条件满足时重新加载主控模块。

更进一步地，所述传输信道模块定义了以太网络接口、WIFI接口、4G接口、5G接口、UWB接口，包括WIFI驱动、4G驱动、5G驱动、Bluetooth驱动、UWB驱动，所述传输信道模块测试各个无线传输信道的可达性、带宽指标，在无线上行传输时自动选择合适的无线传输信道，所有无线传输信道状况数据传送到主控模块。

更进一步地，传输信道模块进行使用前，先装载驱动，若装载驱动成功，则测试相应传输信道并记录结果，若装置驱动失败，则标记该接口不可用，并根据上述测试数据生成传输信道列表。

更进一步地，所述边缘计算系统还包括一AI模型库，所述AI模型库中包括多种AI计算模型和算法，所述业务应用子模块中含有基于AI应用的AI业务应用子模块，所述AI业务应用子模块加载AI模型库中相应的AI计算模型和算法加以处理。

更进一步地，所述AI模型包括人脸识别模型、语音识别模型、文字识别模型、人体姿态识别模型。

更进一步地，对于视频流数据清洗预处理时，包括如下几种方式：

直接转发：数据采集预处理模块将接收到的源视频每一帧发送至目标设备；

过滤转发：数据采集预处理模块接收到的源视频帧与前一帧比较，不同则转发，如果相同则舍弃；

本地处理：数据采集预处理模块将接收到的源视频不转发，通知调度控制模块来进行下一步处理；

其中，视频流处理工作的指令由主控模块来下达，主控模块记录每一路视频流的处理信息。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明提供的基于边缘计算的移动物联接入方能在物联网的感知层传感网络的智能网关节点接入边缘计算系统，利用边缘计算系统直接对物联网的感知节点采集到的数据进行清洗及计算，不仅能剔除无效数据，保证数据的真实性，防止数据重放攻击，还能对接入的合法设备进行标识和鉴别，对远程访问采用安全的网络通信协议并采用认证机制，提升网络安全防护性能；同时还将算力、算法前置，减轻用于传输信息的网络的传输压力，缓解物联网的处理应用层的计算压力，最终使得业务应用更加实时和高效，提高了业务应用的可用性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1是本发明边缘计算系统结构图；

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例

本施例提供一种基于边缘计算的移动物联接入方法，将边缘计算系统作为物联网感知层传感网络的智能网关节点接入物联网中，边缘计算系统对从物联网感知节点获取的数据进行处理和计算后，再将数据传送到物联网的应用处理层，其中，边缘计算系统在对数据进行处理和计算前，先进行数据清洗预处理。

其中，具体的接入及处理方法如下：

采用ARM架构设计、开发一套边缘计算系统，系统具有数据采集、分析计算、通信传输等功能，具备一定图形图像处理能力，支持更大储存空间，具有支持多种通信方式的软硬件接口技术。配置多核CPU处理器，配置GPU处理器，配置大容量内、外储存器，配置高速固定网络传输接口(以太网)，配置多种无线传输方式。其中，无线传输硬件包括：WIFI组件、4G组件、5G组件、Bluetooth组件，无线传输软件组件包括：WIFI驱动、4G/5G驱动、Bluetooth驱动、UWB驱动。

其中，该边缘计算系统包括加载模块、主控模块、传输信道模块、数据采集预处理模块、场景应用模块及系统更新模块；主控模块调度控制各模块的运行，这些模块包括：场景应用模块、传输信道模块、数据采集预处理模块、系统更新模块。主控模块由加载模块加载后运行，启用各个功能模块进程。无线传输功能实现涉及的WIFI驱动、4G驱动、5G驱动、Bluetooth驱动、UWB驱动都包括在传输信道模块中。

主控模块调度控制场景应用模块、传输信道模块、数据采集预处理模块、系统更新模块之间相互的通信与调用。主控程序启动其他各功能模块进程包括：传输信道模块进程、数据采集预处理模块进程、系统更新模块进程、场景应用模块。系统开始工作时，加载程序首先运行，进行如下处理：

1.检测主控模块的运行状态及版本；

2.若主控模块未运行，则加最新载版本的主控模块映像文件；

3.若主控模块已运行，但版本低于系统最新主控模块映像文件，等待重启动条件满足时重新加载主控模块；

主控模块运行后用start()命令调用各模块进程,顺序描述如下：

1.start(“传输信道模块进程”)；

2.start(“数据采集预处理模块进程”)；

3.start(“系统更新模块进程”)；

4.start(“场景应用模块进程”)。

传输信道模块用于在多通信传输信道中确定所需的固定传输信道或无线传输信道、进行标记并通知调度控制模块。多种无线传输信道包括：WIFI、4G、5G、UWB，固定传输信道包括：以太网络。传输信道模块中定义了以太网络接口、WIFI接口、4G接口、5G接口、UWB接口，包括了WIFI驱动、4G驱动、5G驱动、Bluetooth驱动、UWB驱动。传输信道模块测试这些信道的可达性、带宽、质量等指标，在无线上行传输时自动选择WIFI信道、4G信道、5G信道，所有信道状况数据将被通知主控模块并由该模块发布。

使用时，对每一个接口初始化工作：

1.装载驱动；

2.如果装载驱动成功，测试该信道并记录结果；

3.如果装载驱动失败，标记该接口不可用；

4.生成“传输信道列表”。

传输信道模块维护该列表，定期检测信道状况，并更新其相关中容。其中，“传输信道列表”包括：序号(No.)、信道名称(Channel)、类型(type)、上/下行(up/down)、带宽/MB(bandwidth)等项目，本实施例中的传输信道列表具体如下表1所示。且上/下行中，上行可用于连接后端、下行可用于连接前端。

表1传输信道列表

No.

Channel

type

up/down

bandwidth

rate

reserve

1

W101

WIFI2.4

down

20

1.5

2

w102

WIFI5.0

up

300

20

3

G4

4G

up

100

10

4

G5

5G

up

5000

1000

数据采集预处理模块中定义多种采集接口用于接收各种位于前端的传感器、采集设备等物联网的感知节点设备发送的数据，包括：通用字符、专用数据、图像、音视频流等，并根据一定规则对这些数据进行清洗预处理如:对于重复字符、重复数据等情况出现，只保留一个样本。数据清洗预处理方式如下：

1.通过历史数据列表比对实现防止已被接收的数据再次被接收处理；

2.根据时间戳，舍弃超出接收时间的数据；

3.若计数器无效则不接收超出合法范围的数据；

4.检查接入节点列表，比对设备标识，拒绝接收列表之外节点发送的数据。

进行数据预处理后结束后通知主控模块来进行下一步处理。

其中，对于视频流还可以采用如下规则进行处理：

1.直接转发：数据采集预处理模块将接收到的源视频每一帧发送至目标设备；即发送到物联网的应用处理层；

2.过滤转发：数据采集预处理模块将接收到的源视频帧与前一帧比较，若不同则进行转发，若相同则直接舍弃不再进行转发；

3.本地处理：数据采集预处理模块将接收到的源视频不转发，通知主控模块来进行下一步处理；

其中，视频流处理工作的指令由主控模块来下达，主控模块记录每一路视频流的开始、结束、周期等信息。

场景应用模块调用相关的业务应用子模块，系统维护子模块是内置于场景应用模块中的一个场景子模块，以程序映像文件形式储存，通过基于HTTPS的web界面访问，可以交互完成系统配置管理、系统更新升级等功能。系统维护子模块完成：系统参数配置、应用数据配置、数据备份/恢复、模型库配置、数据预处理规则定义等工作。

其中业务应用子模块包括普通业务应用子模块和AI业务应用子模块。边缘计算系统还包括一AI模型库，基于AI应用的业务应用子模块加载AI模型库中相应AI计算模型和算法加以处理，如：采用基于haar-adaboost模型的算法获取人脸图像，基于主成分分析(PCA)的人脸图像特征提取，通过比对人脸找出目标。基于DNN-HMM混合声学模型，并结合词典、语言模型，对输入的语音帧序列识别解码实现语音识别。其中，AI计算结果可以本地展示也可以发送给后端处理应用的计算系统(物联网的应用处理层)。并且AI模型库包括了多种算法和计算模型，如：人脸识别模型、语音识别模型、文字识别模型、人体姿态识别模型等。

而其他普通场景业务应用子模块则被场景应用模块所调用，完成各自的功能。

应用场景模块调用多个不同业务应用子模块，每一个业务应用子模块以独立的映像文件存在于系统中，可以被单独调用、单独更新。场景应用模块读取场“场景应用表”(见表2)，对照该表调用各业务应用子模块进程，描述如下：

1.start(“系统维护子模块进程”，“内置”)

2.Start(“业务应用子模块进程1”，“普通”)

3.Start(“业务应用子模块进程2”，“普通”)

4....

5.Start(“业务应用子模块进程3”，“AI”)

6.Start(“业务应用子模块进程4”，“AI”)

7....

其中1.“内置”、2.“普通”、3.“AI”表示对资源占用的优先度，被附加后按照序号顺序获取占用时间片，按照序号反序占用外存储空间。场景应用表为系统配置的一部分，已不在该表中的应用场景子程序映像文件将被应用场景模块删除，以释放储存空间。

表2场景应用表

序号	业务应用名称	类型)	AI模型列表(AImodel)	版本
					1	系统维护子模块	内置	/	1.0
2	大气监测应用系统	普通	/	1.0
					3	大棚环境监测应用系统	普通	/	2.0
4	车辆管理应用系统	AI	文字识别模型、车辆识别模型	1.0
					5	人员管理应用系统	AI	人脸识别模型、人体姿态模型	2.0
6	会议记录应用系统	AI	文字识别模型、语音识别模型	3.0

系统更新模块连接有数据集，主控模块调用系统更新模块读取数据集中更新策略并据此信息接收更新通知，根据通知决定是否更新相关内容，其中，系统更新模块读取的数据集中的数据会发送回主控模块，若更新则下载系统新版软件，包括主控模块、应用场景模块、AI模型库等。如果程序有更新，则等待更新条件满足时重启动载入主控模块。如果只是AI模型库更新则通知主控模块使用新版AI模型库即可。应用场景程序是一组应用场景子程序的集合，这些子程序以映像文件的形式单独储存在系统中，可以被单独调用、单独更新。其中，数据集包括配置参数文件，感知数据缓存、结果数据文件等，数据集的内容包括系统自动更新策略及下载地址列表、合法接入节点设备列表、AI模型计算结果数据等。

本实施例提供的基于边缘计算的移动物联接入方法，在使用过程中可以自动发现WIFI、4G/5G、UWB信号，动态选择可用无线信道，也可针对不同的应用需求选择无线传输方式：

1.采用WIFI技术实现中低速近距离上下行传输，如：解决前端原始数据与后台结果数据的传输；

2.采用UWB技术实现高速近距离下行传输，如：采集前端原始高清视频图像；

3.采用4G/5G技术实现中高速远距离上行传输，如：向后台用4G信道结传输结果数据、用5G信道传输高清视频图像；

上述方式解决了物联网移动应用传输问题，方便移动应用系统的实施。

并且本发明可在一定程度上实现AI应用，在边缘计算系统上、前端的摄像机设备、定位设备以及其他感知设备(物联网的感知节点)来采集视频图像、定位信息等，边缘计算系统经过人工智能(AI)模型，如：人脸与声音检测与识别、人体肢体动作检测和识别、道路周边物体检测和识别，以实现对不同的场景的AI应用。本方法中的移动边缘计算可以理解为是超出数据的范畴的信息控制，能对前端采集或接收的数据进行实时地计算，提高了实时性、有效性。因此，边缘计算+移动传输这一模式将进一步推进物联网应用的发展。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于边缘计算的移动物联接入方法，其特征在于，将边缘计算系统作为物联网感知层传感网络的智能网关节点接入物联网中，所述边缘计算系统对从物联网感知节点获取的数据进行处理和计算后，再将数据传送到物联网的应用处理层，其中，边缘计算系统在对数据进行处理和计算前，先进行数据清洗预处理，数据清洗预处理方式如下：

根据时间戳进行判断，舍弃超出接收时间的数据；

若计数器无效则不接收超出合法范围的数据；

检查接入节点列表，对比设备标识，拒绝接收列表之外物联网感知节点发送的数据；

其中，所述边缘计算系统包括加载模块、主控模块、传输信道模块、数据采集预处理模块、场景应用模块及系统更新模块；

所述加载模块用于检测主控程序运行状态及版本；

所述主控模块用于调度控制各模块的运行；

所述场景应用模块包括系统维护子模块及多个业务应用子模块，所述系统维护子模块以程序映像文件形式存储，通过基于HTTPS的web的界面访问，完成系统参数配置、应用数据配置、数据备份/恢复、模型库配置、数据预处理规则定义；所述业务应用子模块以独立的映像文件存在于系统中；场景应用模块读取“场景应用表”，对照该表调用各业务应用子模块进程，场景应用表为系统配置的一部分，已不在该表中的应用场景子程序映像文件将被场景应用模块删除，以释放储存空间；

所述边缘计算系统还包括有一数据集，所述系统更新模块读取数据集中更新策略并据此信息接收更新通知，决定是否更新主控模块、应用场景模块；

对于视频流数据清洗预处理时，包括如下几种方式：

本地处理：数据采集预处理模块将接收到的源视频不转发，通知主控模块来进行下一步处理。

2.根据权利要求1所述的基于边缘计算的移动物联接入方法，其特征在于，所述边缘计算系统在进行工作前先进行检测更新，加载程序检测主控模块的运行状态及版本，若主控程序未运行，则加载最新版本的主控模块映像文件，若主控程序已运行，但版本低于系统最新主控模块映像文件，等待重启条件满足时重新加载主控模块。

3.根据权利要求1所述的基于边缘计算的移动物联接入方法，其特征在于，所述传输信道模块定义了以太网络接口、WIFI接口、4G接口、5G接口、UWB接口，包括WIFI驱动、4G驱动、5G驱动、Bluetooth驱动、UWB驱动，所述传输信道模块测试各个无线传输信道的可达性、带宽指标，在无线上行传输时自动选择合适的无线传输信道，所有无线传输信道状况数据传送到主控模块。

4.根据权利要求3所述的基于边缘计算的移动物联接入方法，其特征在于，传输信道模块进行使用前，先装载驱动，若装载驱动成功，则测试相应传输信道并记录结果，若装置驱动失败，则标记该接口不可用，并根据上述测试数据生成传输信道列表。

5.根据权利要求1所述的基于边缘计算的移动物联接入方法，其特征在于，所述边缘计算系统还包括一AI模型库，所述AI模型库中包括多种AI计算模型和算法，所述业务应用子模块中含有基于AI应用的AI业务应用子模块，所述AI业务应用子模块加载AI模型库中相应的AI计算模型和算法加以处理。

6.根据权利要求5所述的基于边缘计算的移动物联接入方法，其特征在于，所述AI模型包括人脸识别模型、语音识别模型、文字识别模型、人体姿态识别模型。