CN110650084B - 一种工业物联网智能网关、联网系统及数据处理方法 - Google Patents

Abstract

本公开提出了一种工业物联网智能网关、联网系统及数据处理方法，采用边缘计算和云技术相结合，设置一种接口丰富、支持MQTT等工业控制协议、具有本地实时数据分析和基于规则的决策处理能力的工业物联网智能网关，实现边缘设备采集数据的本地智能处理与原始数据传输到云服务器相结合的解决方案，既能快速响应现场发生的事件，又能在云端宏观地获得和了解系统的运行情况。

Description

一种工业物联网智能网关、联网系统及数据处理方法

技术领域

本公开涉及物联网相关技术领域，具体的说，是涉及一种工业物联网智能网关、联网系统及数据处理方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，并不必然构成在先技术。

工业物联网(IIoT)是物联网(IoT)在工业领域的应用，随着工业4.0、两化融合战略和新旧动能转换的提出和实施，新一代信息技术与制造业深度融合，正在引发影响深远的产业变革，越来越多的制造业工厂企业持续开发和部署IIoT应用。传统架构的设备层由于底层设备种类多、接口类型多、网络拓扑种类多等特点，以及原有设备的自动化、智能化程度及企业用户所掌握的技术手段等均限制了IIoT应用效能的发挥。网关及其性能是制约工业物联网(IIoT)在传统工业控制系统中应用的重要因素，随着工业企业部署和应用物联网、以及不同类型IoT节点的持续增加，IIoT网关数量和性能需求迅速增长。

工业物联网研究与开发重点针对应用层，必须与具体的行业应用内容和应用需求紧密结合，目前市场上已有IIoT网关共同特点是将现场设备的数据先收集到网关节点，利用内嵌协议分析转换器，将处理完毕的数据通过MQTT(消息队列遥测传输)物联网协议传送到客户自定义的云平台或百度天工、阿里云等通用物联网平台，该类技术方案过度依赖遥远云端的分析和处理能力，对时间敏感的应用实时响应慢，缺乏本地的预处理和决策能力，另外系统内的网关数据关联度小，整合性弱、节点扩展增容困难，系统开放性不够，这些缺陷与不足导致无法完全发挥物联网应有的功效。

基于以上原因，为确保IIoT应用简易、通用、易扩展，系统具有整合性好，灵活度高，开放度大，实时性强和稳定性好等特点，急需寻求能够综合提高工业物联网网关性能与效能的新方法和解决方案。

发明内容

本公开为了解决上述问题，提出了一种工业物联网智能网关、联网系统及数据处理方法，采用边缘计算和云技术相结合，设置一种接口丰富、支持MQTT等工业控制协议、具有本地实时数据分析和基于规则的决策处理能力的工业物联网智能网关，实现边缘设备采集数据的本地智能处理与原始数据传输到云服务器相结合的解决方案，既能快速响应现场发生的事件，又能在云端宏观地获得和了解系统的运行情况。

为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：

一个或多个实施例提供了一种工业物联网智能网关，包括数据采集模块、解析模块、云端对接模块、基于边缘计算的本地智能模块；

数据采集模块：用于采集边缘设备中的信息数据；

解析模块：用于对采集的信息数据进行解析处理，获得解析后的信息数据；还用于对基于边缘计算的本地智能模块输出数据进行解析并传输；

云端对接模块：用于实现网关与云平台之间的数据和控制策略的传输,包括接收对控制类数据进行处理的本地控制策略；

基于边缘计算的本地智能模块包括信息分类模块和用户自定义API模块：

信息分类模块：用于对解析后的数据进行分类，至少分为本地处理数据和上传参数数据；所述本地处理数据包括控制类数据、报警类数据；

用户自定义API模块：用于根据接收的本地控制策略和本地处理数据中的控制类数据生成控制指令信息，并将控制指令信息传输至协议解析与转换模块。

一种物联网联网系统，包括上述的一种工业物联网智能网关、云平台及至少一个边缘设备，所述边缘设备、智能网关和云平台依次连接，所述智能网关采集边缘设备的信息数据和接收云平台的控制策略，将采集的信息数据进行分类获得本地处理数据和上传参数数据，根据云平台的控制策略对本地处理数据进行本地处理，上传参数数据上传至云平台。

基于上述述的一种物联网联网系统的数据处理方法，智能网关对数据的处理，包括如下步骤：

采集边缘设备中的信息数据；

对采集的信息数据进行解析处理，获得解析后的信息数据；

对解析后的数据进行分类，分为本地处理数据和上传参数数据；

接收对本地处理数据中的控制类数据进行处理的本地控制策略；

根据接收的本地控制策略和本地处理数据中的控制类数据生成控制指令信息；

将控制指令信息解析并传输至边缘设备。

与现有技术相比，本公开的有益效果为：

本公开的物联网智能网关与直接从边缘设备采集数据并将原始数据传输到云服务器的网关不同，本地智能在初始数据处理阶段，能更快地响应远距离现场发生的事件并实现快速决策，通过对从边缘设备中采集的原始数据进行筛选、判断、计算和优化，缩短传输时间，便于更准确地进行数据分析，进而优化现场运营，提升IIoT应用功效，适用于各类工业自动化领域的IIoT应用与部署，该网关即可应用于自动化传统架构升级为物联网架构，同时也适合企业全新的工业物联网布局与应用，产业化前景广阔。

(2)本公开大大减少了传输的数据还能最大程度地缩短边缘设备与云服务器之间的延迟完成数据信息准确、及时、安全地上行下达。只将本地智能与边缘计算的结果、状态和日志传送到云端，这样既能快速响应现场发生的事件，又能在云端宏观地获得和了解系统的运行情况，最大限度发挥物联网应有的功效。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的限定。

图1是本公开实施例1的物联网联网系统的总体框图；

图2是本公开实施例1的基于边缘计算的本地智能模块112的结构框图；

图3是本公开实施例1的智能网关本地处理的流程示意图；

图4是现有供水系统物联网系统部署实例；

图5是基于本公开实施例1对现有有供水系统物联网系统部署改进实例；

其中：100、边缘设备、102、PLC，104、RTU，106、第三方网关，

110、智能网关，118、数据采集模块，116、解析模块，114、云端对接模块，112、基于边缘计算的本地智能模块，120、云平台，122、百度云，124、阿里云，126、自建云平台，130、移动终端，132、PC机客户端、134、手机；

202、用户自定义API模块，204、上传/本地存储处理模块，206、信息分类模块；

212、MQTT服务器，214、MQTT发布模块，216、MQTT订阅模块；

402、普通物联网网关，404、供水系统PLC，406、水泵，408、水塔。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的各个实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合附图对实施例进行详细描述。

实施例1

在一个或多个实施方式中公开的技术方案中，如图1所示，一种物联网联网系统，工业物联网智能网关110、云平台120及至少一个边缘设备100，所述边缘设备100、智能网关110和云平台120依次连接，所述智能网关110采集边缘设备的信息数据和接收云平台120的控制策略，将采集的信息数据进行分类获得本地处理数据和上传参数数据，根据云平台120的控制策略对本地处理数据进行本地处理，并将设置为要上传的上传参数数据上传至云平台120。

还包括移动终端130，所述移动终端130与云平台120连接，移动终端130通过云平台120将控制策略传输至智能网关110；

或者是还可以将所述移动终端130与智能网关110连接，移动终端130将控制策略传输至智能网关110。

边缘设备100可以为工业自动化系统中的任意边缘设备，可以包括PLC(Programmable Logic Controller,可编程逻辑控制器)102、RTU(Remote Terminal Unit，远程终端单元)104、第三方网关106等。边缘设备100负责工业现场的数据采集与控制，其中PLC 102与RTU 104通讯硬件接口可以采用RS232/485串口方式，通讯协议可以为Modbus、PPI、OPC等多种工业协议，第三方网关106可以采用RJ-45以太网接口方式，通讯协议为MQTT与OPC UA工业控制协议，工业现场中具有底层设备种类多、接口类型多、网络拓扑种类多等特点。

云平台120为智能网关110可对接的云端系统，可以为百度云122、阿里云124、企业或用户自建云平台126，云端系统完成数据呈现、历史数据存储、移动端推送、消息同步、网关策略规则制定与下发等功能。

移动终端130，可以为PC机客户端132、手机134，移动终端130可以通过内部设置的应用程序操作云端，也可以对智能网关110的内部参数进行监控与设置。移动终端130对云端数据的操作可包括添加/删除云端发布消息的主题、修改信息推送频率等参数，设置和修改推送消息参数，如报警参数阀值，可以针对不同的订阅者设置不同的报警阀值。

如图2和3所示，一种物联网联网系统中的智能网关可以为一种工业物联网智能网关110，包括数据采集模块118、解析模块116、云端对接模块114、基于边缘计算的本地智能模块112；

基于边缘计算的本地智能模块112实现边缘计算和本地智能。基于边缘计算的本地智能模块112通过对从边缘设备100中采集的原始数据进行筛选、判断，按控制类别、参数重要等级以及实时性要求等，进行不同的分类，对网关之间需要关联的数据与信息进行相应的处理，实现边缘计算和本地智能，不需到云端进行分析、判断和处理，可快速响应现场发生的事件，完成部分原来云端的任务，缩短传输时间，便于更准确地进行数据分析，进而优化现场运营。

数据采集模块118：用于采集边缘设备中的信息数据；

解析模块116：用于对采集的信息数据进行解析处理，获得解析后的信息数据；还用于对基于边缘计算的本地智能模块112输出数据进行解析并传输；协议解析模块116负责协议解析或转换，根据Modbus、PPI等通讯协议的构成，生成与MQTT和OPC UA对接的协议驱动库。

云端对接模块：用于实现网关与云平台之间的数据和控制策略的传输,包括接收对控制类数据进行处理的本地控制策略；云端对接模块114完成百度天工、阿里云通用物联网MQTT平台或自建的MQTT云平台的对接，内嵌相应的驱动程序，可适应不同的应用平台。云端对接模块114可以包括MQTT服务器212、MQTT发布214模块和MQTT订阅模块216，根据不同的应用对象与应用场合、不同的实时性与可靠性要求，采用不同的MQTT协议发布/订阅消息模式，加快通讯吞吐率，减少网络带宽，完成数据信息准确、及时、安全地上行下达。

基于边缘计算的本地智能模块112包括信息分类模块206和用户自定义API模块202：

信息分类模块206：用于对解析后的数据进行分类，实现对数据的筛选至少分为本地处理数据和上传参数数据；所述本地处理数据包括控制类数据、报警类数据；不同类的信息数据采用不同的处理方式。

用户自定义API模块202：用于根据接收的本地控制策略和本地处理数据中的控制类数据生成控制指令信息，并将控制指令信息传输至协议解析与转换模块。所述用户自定义API模块202将接收的本地控制策略和控制类信息数据生成控制指令信息，具体的用户自定义API模块202将本地控制策略生成相应的应用程序，执行应用程序根据网关内部的时钟或/和控制类信息生成相应的控制指令信息。

控制类信息进入用户自定义API模块202进行处理，该模块接受本地控制策略的规则约束，本地控制策略可以来自MQTT订阅模块216，是云端对接模块210中MQTT服务器212订阅云端或云端自动推送的信息。用户自定义API模块202具备一定能力的编程功能，可使用C或Python API等灵活的应用程序编程解决方案，能方便用户简易地进行本地智能数据处理。用户自定义API模块202的输出通过解析模块116与边缘设备100通讯，从而构成一个闭环控制系统。规则或者控制策略在云平台可以通过移动终端进行设置，通过网关内的MQTT订阅模块自动取得这些控制策略，在网关内部的用户自定义API模块202形成与这些控制策略相关的C或Python API程序，这些程序的输出结果通过解析模块116传输至边缘设备100，进而实现不同的控制方案，而不需改变现场控制设备中的控制程序。

作为进一步的改进，对于只需要上传的数据可以直接上传。对于采集数据中的非控制信息，如报警设置的检测参数，可以按照参数重要等级以及实时性要求高的参数进行划分，通过重要等级和实时性要求划分处理优先级，对于重要度参数和实时性要求较高的参数优先处理。

所述云端对接模块114，还用于接收上传/本地存储处理策略；上传/本地存储处理策略可以通过云端下载或者直接通过移动终端设置，其中包括设置参数的重要等级、实时性要求等级和设置参数数据是否为上传数据、本地处理数据或者本地存储数据。本地存储参数和信息，使得网关具备一定的本地数据的历史趋势功能，也为网关本地进行数据分析、数据挖掘和机器学习提供有效数据准备。

基于边缘计算的本地智能模块还包括上传/本地存储处理模块204，所述上传/本地存储处理模块用于根据上传/本地存储处理策略将本地处理数据中的报警类数据进行处理，并生成报警信息；上传/本地存储处理模块204还用于控制本地存储的数据进行存储。

或/和

所述上传/本地存储处理模块还用于控制上传数据进行上传，所述上传类数据包括上传参数数据与基于边缘计算的本地智能模块的处理结果、状态和日志。上传参数数据是根据上传/本地存储处理策略中设置的参数的数据。

作为进一步的改进，所述云端对接模块114，还用于接收信息分类策略；所述信息分类策略包括按控制类别、参数重要等级以及实时性要求进行分类；

所述信息分类模块，根据接收的信息分类策略对解析后的数据进行分类。

下面以一个具体的示例说明本实施例控制类信息的处理过程：

如图4所示，为现有技术和产品部署应用实例，一个水塔自动供水系统，用液位传感器测量水塔的液位，当液位低于阀值L时，开水泵，当液位高于阀值H时，关水泵，将水塔液位维持在一定范围内。另外除了水塔液位，还有几个参数需要监控，比如电机电流、电机故障、水塔液位低报警、水塔液位高报警等。系统包括供水系统PLC404、水泵406、水塔408、普通物联网网关402和云平台120也称作云端。物联网网关402通过内嵌协议分析转换器，将来自PLC404的数据通过MQTT物联网协议传送到云平台，云端完成数据呈现、历史趋势和移动端推送等基本功能。由于物联网网关402只起到协议转换和云端对接作用，本身不具备本地智能功能，在不改变PLC控制程序的情况下，无法灵活改变系统的控制策略，不能完全发挥物联网应有的功效。

如图5所示是本实施例针对图4中系统的改进应用实例，采用边缘计算和云技术相结合的设计方法，系统包括供水系统PLC404、水泵406、水塔408、智能网关110和云平台120。智能网关110完成如下功能：协议转换和解析、本地智能处理、本地历史数据信息存储、云端多平台对接、消息的订阅与发布等。例如，如果用户需要修改控制策略，比如需要按不同的时段保持水塔的不同液位，这个控制策略用户可以在云平台120中设置，下发到智能网关110，在智能网关110内部进行本地判断和计算，结果下发到供水系统PLC404，控制水泵406的开停，进而达到保持水塔液位的控制要求，而不需要更改供水系统PLC404的控制代码或程序，使用户能方便简易地满足不同的监控需求。具体的，不改变供水系统PLC404的现场程序就能够实现现场水位控制如下：当液位低于阀值L时，开水泵，当液位高于阀值H时，关水泵，供水系统PLC404内部的程序就是按这个逻辑进行控制的。单独拿开泵动作来说，供水系统PLC404内部的阀值L是固定的，是内部的某个存储单元的数值。如果用户需要修改控制策略，比如需要按不同的时段保持水塔的不同液位，现场用户用水在不同的时段，用水量不同，既要保证水塔及时供水，又不致使水泵频繁启停，应该制定不同时段的液位阀值L，用水量大的时段，L值大些，用水量小的时段，L值小些，例如每天的9:00-17:00是企业用水高峰，L值设为2米，其他时段用水量小些，L值设为1米，在云端设置这个控制策略，网关内的MQTT订阅模块自动取得该控制策略，根据此控制策略形成相应的程序如形成C语音类似switch-case语句，根据网关内部的时钟和和设置的时段，将不同的阀值L传送给PLC，PLC按照程序控制水泵。

云平台120除了完成基本的数据呈现、历史趋势和移动端推送等功能外，还可以实现历史数据同步、消息同步和网关规则制定等功能。通过网关的边缘计算和本地智能，不需到云端进行分析、判断和处理，只将本地智能与边缘计算的结果、状态和日志传送到云端，这样既能快速响应现场发生的事件，又能在云端宏观地获得和了解系统的运行情况，最大限度发挥物联网应有的功效。

实施例2

本实施例提供一种基于实施例1所述的一种物联网联网系统的数据处理方法，其中智能网关对数据的处理，包括如下步骤：

采集边缘设备中的信息数据；

对采集的信息数据进行解析处理，获得解析后的信息数据；

对解析后的数据进行分类，分为本地处理数据和上传参数数据；

接收对本地处理数据中的控制类数据进行处理的本地控制策略；

根据接收的本地控制策略和本地处理数据中的控制类数据生成控制指令信息；

将控制指令信息解析并传输至边缘设备。

进一步地，所述根据接收的本地控制策略和本地处理数据中的控制类数据生成控制指令信息的方法，具体为：

根据本地控制策略生成相应的应用程序；

执行应用程序根据网关内部的时钟或/和控制类数据生成相应的控制指令信息。

进一步地，所述本地处理数据处理还包括报警类数据的处理步骤，具体包括：

接收云平台传输的上传/本地存储处理策略；

基于边缘计算的本地智能模块还包括上传/本地存储处理模块，所述上传/本地存储处理模块根据上传/本地存储处理策略将本地处理数据中的报警类数据进行处理，并生成报警信息。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种工业物联网智能网关，其特征是：包括数据采集模块、解析模块、云端对接模块、基于边缘计算的本地智能模块；

数据采集模块：用于采集边缘设备中的信息数据；

解析模块：用于对采集的信息数据进行解析处理，获得解析后的信息数据；还用于对基于边缘计算的本地智能模块输出数据进行解析并传输；

云端对接模块：用于实现网关与云平台之间的数据和控制策略的传输,包括接收对控制类数据进行处理的本地控制策略；

基于边缘计算的本地智能模块包括信息分类模块和用户自定义API模块：

信息分类模块：用于对解析后的数据进行分类，至少分为本地处理数据和上传参数数据；所述本地处理数据包括控制类数据、报警类数据；

用户自定义API模块：用于根据接收的本地控制策略和本地处理数据中的控制类数据生成控制指令信息，并将控制指令信息传输至协议解析与转换模块;

所述用户自定义API模块将接收的本地控制策略和控制类数据生成控制指令信息，具体的用户自定义API模块将本地控制策略生成相应的应用程序，执行应用程序根据网关内部的时钟或/和控制类信息生成相应的控制指令信息；

所述云端对接模块，还用于接收信息分类策略；所述信息分类策略包括按控制类别、参数重要等级以及实时性要求进行分类；

所述信息分类模块，根据接收的信息分类策略对解析后的数据进行分类；

对于采集数据中的非控制信息，按照参数重要等级以及实时性要求高的参数进行划分，通过重要等级和实时性要求划分处理优先级，对于重要度参数和实时性要求较高的参数优先处理；

所述云端对接模块，还用于接收上传/本地存储处理策略；上传/本地存储处理策略通过云端下载或者直接通过移动终端设置，其中包括设置参数的重要等级、实时性要求等级和设置参数数据是否为上传数据、本地处理数据或者本地存储数据；

所述云端对接模块，还用于接收上传/本地存储处理策略；

基于边缘计算的本地智能模块还包括上传/本地存储处理模块，所述上传/本地存储处理模块用于根据上传/本地存储处理策略将本地处理数据中的报警类数据进行处理，并生成报警信息。

2.如权利要求1所述的一种工业物联网智能网关，其特征是：

所述上传/本地存储处理模块还用于控制上传数据进行上传，所述上传类数据包括上传参数数据与基于边缘计算的本地智能模块的处理结果、状态和日志。

3.一种物联网联网系统，其特征是：包括权利要求1-2任一项所述的一种工业物联网智能网关、云平台及至少一个边缘设备，所述边缘设备、智能网关和云平台依次连接，所述智能网关采集边缘设备的信息数据和接收云平台的控制策略，将采集的信息数据进行分类获得本地处理数据和上传参数数据，根据云平台的控制策略对本地处理数据进行本地处理，上传参数数据上传至云平台。

4.如权利要求3所述的一种物联网联网系统，其特征是：还包括移动终端，所述移动终端与云平台连接，移动终端通过云平台将控制策略传输至智能网关；

或/和

所述移动终端与智能网关连接，移动终端将控制策略传输至智能网关。

5.如权利要求3所述的一种物联网联网系统，其特征是：所述控制策略包括本地控制策略、信息分类策略和上传/本地存储处理策略。

6.基于权利要求3-5任一项所述的一种物联网联网系统的数据处理方法，其特征是，智能网关对数据的处理，包括如下步骤：

采集边缘设备中的信息数据；

对采集的信息数据进行解析处理，获得解析后的信息数据；

对解析后的数据进行分类，分为本地处理数据和上传参数数据；

接收对本地处理数据中的控制类数据进行处理的本地控制策略；

根据接收的本地控制策略和本地处理数据中的控制类数据生成控制指令信息；

将控制指令信息解析并传输至边缘设备。

7.如权利要求6所述的数据处理方法，其特征是：所述根据接收的本地控制策略和本地处理数据中的控制类数据生成控制指令信息的方法，具体为：

根据本地控制策略生成相应的应用程序；

执行应用程序根据网关内部的时钟或/和控制类数据生成相应的控制指令信息。

8.如权利要求6所述的数据处理方法，其特征是：所述本地处理数据处理还包括报警类数据的处理步骤，具体包括：

接收云平台传输的上传/本地存储处理策略；

基于边缘计算的本地智能模块还包括上传/本地存储处理模块，所述上传/本地存储处理模块根据上传/本地存储处理策略将本地处理数据中的报警类数据进行处理，并生成报警信息。

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