CN111585875B - 消防和安防一体化边缘计算网关及其应用 - Google Patents

Abstract

消防和安防一体化的边缘计算网关及其应用涉及计算机领域，它包括电源系统、通信控制板、协议转换板和人机交互显示单元。它以通信控制板为中心，在协议转换板和显示单元之间转发数据，协议转换板包括消防二线制通信板、485总线通信板、CAN总线通信板、开关输入输出板和4～20mA信号量转换板采集有线传感器数据；LoRa、ZigBee和NB‑IoT网关连接板接收无线传感器数据；以太网、WIFI和4G/5G网络连接板向云端交互数据。本专利采用全互联背板结构，任意组合的协议转换板均可连接到通信控制主板、通信控制备板。系统使用硬件逻辑分区技术和微分区技术，划分成若干个虚拟或逻辑主机，通信控制板的基础软件实现逻辑主机的建立、使用和维护。

Description

消防和安防一体化边缘计算网关及其应用

技术领域

本发明涉及计算机领域，具体涉及边缘计算网关。

背景技术

在传统园区消防、安防是分离的，各类接入主机各自为政，种类繁多，比如消防系统：消防火灾报警主机、智能疏散主机、防火门状态主机、消防用电监控主机、消防用水监控主机、消防主机对接终端(用于消防联网)等等；安防系统:电子围栏报警主机、红外幕帘报警主机、门禁管理主机、通道闸控制主机和安全用电主机等等。主机种类多，重复功能多，比如大部分系统都有备用电系统，独立的多网络冗余系统，占空间大、耗电多、管理难，并且各种主机接入容量有限，比如大型电子围栏报警主机接入不大于256防区；消防单主机单回路接入不大于250点,不大于十六回路。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种消防和安防一体化的边缘计算网关，从而解决上述技术问题。统一硬件，软件分离，简化开发难度，使开发人员专注于业务流程的软件开发。具有开放的软硬件结构，更多团队协同开发成为可能。

本发明的目的还在于提供一种采用一体化边缘计算网关的消防安防系统。

消防和安防一体化的边缘计算网关，包括电源系统、通信控制板、协议转换板和人机交互显示单元，其特征在于，所述电源系统连接各子系统，通信控制板是通信中心，在多种类协议转换板和显示单元之间转发数据。协议转换板包括多种类型，如8回路的消防二线制通信板、4路的485总线通信板、2路的CAN总线通信板、16路开关输出板、16路开关输入板和16路4～20mA模拟量输入板等负责采集传输各类有线安防消防传感器数据(本文传感器包括输出控制设备，如门禁开关量信号、防排风信号、应急灯开关信号等)；LoRa网关连接板、ZigBee网关连接板和NB-IoT网关连接板传输无线传感器数据；有线网络连接板、WIFI网络连接板和4G/5G网络连接板等负责向雾端、云端交互传输数据。这些不同类型有线传感器接收板、无线网关连接板和网络连接板，实现不同物理连接协议和数据转换，下文统称协议转换板。协议转换板可以热插拔，根据实际情况灵活配置，比如同时使用多种网络类型向云端传输，相互备份，保证传输可靠性；根据实际的传感器类型选择合适的传感器协议转换板。

所述消防和安防一体化的边缘计算网关，以通信控制板为互联中心，负责数据传输转发和控制系统运行，采用网络交换机类似的全互联背板结构，整个系统包括一块通信控制主板、一块通信控制备板；多种组合的传感器协议转换板、网络协议转换板和显示单元，均物理连接到所述通信控制主板、所述通信控制备板，形成物理连接结构。

协议转换板实现多种物理协议互联互通，完成多种协议的接口与数据转换，每个协议转换板均优选MCU，能够独立运行，协议转换过程不需要通信控制板参与，仅和通信控制板交换数据。根据接口板协议转换的特点，使用小体积、低功耗嵌入式MCU就可以实现功能，不需要高性能的MCU。协议转换板还具有数据缓冲功能，保证数据传送可靠到达通信控制板。

通信控制板实现数据统一转换、数据转发传输、云端交互、配置数据下发到协议转换板、升级协议转换板firmware等功能，这里的“数据统一转换”功能，是为了适应多种厂家的传感器混用，通信控制板根据传感器型号，转换传感器数据到统一标准。

消防和安防一体化的边缘计算网关运行后，通过通信控制板的配置功能，选择合适的数据采集协议转换板接口、网络协议转换板接口和显示单元形成逻辑主机。数据采集接口可以跨板槽任意选择，通信协议转换板的资源可以多台逻辑主机共享。

每台消防和安防一体化的边缘计算网关，可以配置成为多台逻辑主机，每台逻辑主机的采集总线性能和选择的协议转换板采集总线性能相同，计算和通信性能由通信控制板的性能保证，并按报警优先级、事件优先级等调度逻辑主机的任务。

配置好的逻辑主机，是一台独立的消防安防虚拟主机，和物理主机一样有关机、启动、运行等状态。多个逻辑主机在通信控制主板上有独立的执行空间，各个虚拟系统运行有独有的实时操作系统，独立运行，互不影响，互不干扰。

显示单元可以是一个显示设备，也可以多个显示设备，逻辑主机可以选择多台共用，或者独立使用单台显示设备。多个逻辑主机可以在显示设备上同屏综合显示。显示收集各个系统发送的信息，信息分类的，采样数据、报警、运维和故障信息等，由显示设备统一显示，报警数据带有传感器标识和位置信息，显示设备根据这些信息，通过云端交互，丰富显示，比如报警显示相对应的摄像机图像，相关联设备传感器的实时或者历史数据(可以不同类型)，3D/2D方式显示位置信息，丰富报警数据，方便决策。

所述显示设备可以是带触摸输入功能的显示设备。从而允许使用虚拟按键实现操作，尽量减少物理按键。物理按键，占用空间大，灵活性不够，寿命有限。必要的物理按键通过开关量输入协议转换板实现。

通信控制主板和通信控制备板，互为冗余，各接口板到通信控制主板和通信控制备板都有通信通道，根据逻辑主机操作系统运行在哪个主板，选择数据传递通道。逻辑主机操作系统可以自由选择运行在通信控制主板，还是通信控制备板上，在运行过程中，逻辑主机操作系统可以动态在通信控制主板和通信控制备板之间迁移。

本系统外部扩展性。传感器通过协议转换板连接本系统，或者通过CAN总线扩展接口箱连接本系统。根据部署的方便，减少布线，可以在适当楼层设置扩展接口箱，扩展箱带有本系统相同的协议转换板、局部显示设备，通过CAN总线连接到本系统的CAN协议转换板。扩展箱和本系统结构类似，是本系统的简化版，扩展箱和本系统的关系，和网络二层接入交换机和三层汇聚交换机的关系类似，扩展箱只接入传感器，本系统可以接入传感器,也向云端传输数据。本专利还通过有线、无线网络，向雾端、云端透传数据，信息交互，实现多层次的物联网。

所述电源系统包括一个主电系统、一个备电系统，主电系统使用市电或者消防专用电源供电；备电是电池储电，保证在外部供电异常断开时独立供电，供电达到消防标准时长，电池容量根据设备实际容量，动态扩展，如有集中应急照明系统，则照明系统设置独立电池扩展柜。

采用一体化边缘计算网关的消防安防系统应用实例，包括如上所述的消防和安防一体化的边缘计算网关。图1实例所述消防和安防一体化的边缘计算网关的1号插槽的消防二线制通信板的1/1回路、1/2回路均连接火灾烟感模块；8号插槽NB-IoT网关板连接无线火灾烟感模块，用于输入火灾报警信号；4号插槽的开关输出板的1号口连接防排风系统，用于控制防排风系统；2号插槽的485总线通信板连接打印机；3号插槽的CAN总线通信板连接远程扩展板，用于扩展接口资源。

有益效果：本发明应用边缘计算网关的概念，实现一台网关，可以灵活的设置为不同类型的安防报警主机或者消防主机，也可以多台多种安防报警主机、消防主机共用一台网关设备，增加接入密度，减少空间占用，增加可管理性。

本发明硬件利用计算性能强的主板，保证可靠性、实时的、大密度的传感器接入；使用逻辑分区技术，实现多种功能逻辑主机并存，操作系统软件使用虚拟化的结构，同时实现现有多台多种安防主机、消防主机的功能。

附图说明

图1为消防和安防一体化边缘计算网关物理硬件结构示意图；

图2为消防和安防一体化边缘计算网关逻辑主机结构示意图；

图3为消防和安防一体化边缘计算网关硬件电路板安装布局图；

图4为火灾烟感探测传感器触发后显示单元显示的综合报警界面图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示进一步阐述本发明。

参照图1、2，消防和安防一体化的边缘计算网关，包括电源系统、通信控制板、协议转换板和人机交互显示单元，所述电源系统连接各子系统，通信控制板是通信中心，在多种类协议转换板和显示单元之间转发数据。协议转换板包括多种类型，如8回路的消防二线制通信板、4路的485总线通信板、2路的CAN总线通信板、16路开关输出板、16路开关输入板和16路4～20mA模拟量输入板等负责采集传输各类安防消防传感器数据(本文传感器包括输出控制设备，如门禁开关量信号、防排风信号、应急灯开关信号等)；LoRa网关连接板、ZigBee网关连接板和NB-IoT网关连接板传输无线传感器数据；有线网络连接板、WIFI网络连接板和4G/5G网络连接板等负责向雾端、云端交互传输数据。所述消防和安防一体化的边缘计算网关采用网络交换机的全互联背板结构，所述通信控制板负责数据转发和控制系统运行，所述通信控制板包括一块通信控制主板、一块通信控制备板，任意组合的协议转换板均可连接到所述通信控制主板、所述通信控制备板。

图1实例所述消防一体化的边缘计算网关硬件结构，包括电源系统、通信控制板、协议转换板、人机交互显示单元。1号插槽的消防二线制通信板的1/1回路、1/2回路均连接有线火灾烟感模块；8号插槽NB-IoT网关板连接无线火灾信号采集模块，用于输入火灾信号；4号插槽的开关输出板的1号口连接防排风系统，用于控制防排风系统；2号插槽的485总线通信板连接打印机；3号插槽的CAN总线通信板连接远程扩展板，用于扩展接口资源。

协议转换板实现多种功能的接口板，完成多种协议的接口与数据转换，每个协议转换板均优选MCU，能够独立运行，协议转换过程不需要通信控制板参与，仅和通信控制板交换数据。根据接口协议板转换的特点，使用小体积、低功耗嵌入式MCU就可以实现功能，不需要高性能的MCU。协议转换板还具有数据缓冲功能，保证数据传送可靠到达通信控制板。

通信控制主板、协议转换板连接布局如图3所示，安装在同一水平面，通信控制主板水平安装，协议转换板中的各板水平插入控制主板的插槽内，并设有金属托架，和统一的接口保护盖。协议转换板尺寸统一(45x120mm)，接线位置统一在插槽的相对边上，使用紧凑结构接头。本网关设计外壳可以安装在19英寸机柜里。

协议转换板到通信控制主板的每通道通信带宽保证在150Mbps，可以保证实际带宽使用，使用低压差差分信号传输(LVDS)，布线数量少，实现简单，抗干扰能力强，带宽扩展余量足。

通信控制板实现数据统一转换、数据转发传递、云端上送、配置数据下发到协议转换板、升级协议转换板firmware等功能，通信控制板专注于业务数据处理、数据通信的功能，功能单一，保证系统低延迟，并使用备板实现高可靠性。本系统是多种概念的主机并存的系统，为了满足不同概念主机的通信需求，又能简化程序开发，结合硬件逻辑分区(LPAR)技术和微分区技术，在通信主板划分成若干个虚拟的或逻辑主机。每个虚拟的或逻辑的主机，运行自己独立的通信操作系统，有自己独占的协议转换板接口、处理器、内存和I/O资源(显示单元)。其中共用的协议转换板如有线网络连接板、WIFI网络连接板、4G/5G网络连接板，通过微分区技术划分共享给逻辑主机，逻辑主机使用虚拟的网络通信连接板提供支持。

通信控制板的基础软件实现逻辑主机的建立、使用和维护。在系统初始化阶段，通过通信主板的基础软件的配置功能，为逻辑主机选择独占的接口板接口资源、共享的接口板资源、处理器资源、合理的内存和I/O资源(人机交互操作显示资源)。协议转换板资源选择粒度到接口，不同的接口板的接口可以组合选择，实现跨板槽组合。逻辑主机通信系统软件运行在通信主板上，占用独立的地址空间，就像在物理主机一样，互相没有交叉干扰。逻辑主机通信系统的软件除了通信任务外，还设计有流量统计、报文侦测抓取分析、远程诊断管理等维护功能。所有这些功能建立在通信主板的基础软件上，基础软件提供管理这些逻辑主机的功能，包括建立、运行和停止逻辑主机、运行状态控制、运行日志收集和诊断功能；还包括为逻辑主机通信软件支撑的系统基础，并能按报警优先级、事件优先级等调度逻辑主机的任务。图2是消防逻辑主机的组成，这个消防逻辑主机的虚拟操作系统仅能操作选择的组件。

人机交互操作显示单元，是具有独立计算单元(处理器)的显示设备(工业显示平板)。可以是一个显示设备，也可以多个显示设备，显示设备和通信主板通过数据线连接，数据线传输显示设备需要传感器测量数据、系统配置等数据，由于不占用通信控制板计算资源，显示的界面可以任意设置，不影响通信控制板性能。通信控制板上运行的逻辑主机软件，负责向建立时选择的显示单元传输必要的传感器数据，以便显示设备显示。显示单元的人机交互形成的控制命令，传给逻辑主机。显示单元还保存预设时间段的采集数据备份，方便现场维护人员了解历史采集数据和运行情况。显示单元根据采集端的故障和监测情况，形成维护工单流程，实现运维自动化。

逻辑主机独立使用单台显示设备，或者选择多台共用。多个逻辑主机选择同一个显示屏，实现多个逻辑主机共用显示设备，实现同屏显示，使来自不同逻辑主机的，但有相关性的数据综合显示，比如收到火灾烟感报警信号时，显示来自水压监测主机的消防水压情况，方便消防指挥。显示单元显示收集各个系统发送的信息，综合分类显示，根据数据类型、报警、运维、故障信息等，由显示设备统一显示，报警数据带有传感器标识和位置信息，显示设备根据这些信息，通过云端交互，丰富显示，比如报警显示相对应的摄像机图像，相关联设备传感器的数据(可以不同类型)，3D/2D方式显示位置信息，丰富报警数据，方便决策。图4是火灾烟感探测传感器触发后，显示单元显示的综合报警界面，显示了相关消防水压系统是否正常、GIS位置和现场实时视频，并显示了警报处理流程预案，一张图显示所有和这个烟感相关决策的数据，方便现场处理。

所述显示设备可以是带触摸功能的显示设备。从而允许使用虚拟按键实现操作，减少甚至不再设置物理按键。由于使用工业平板，每个屏都可以独立运行，独立操作，操作形成的控制流数据传给设定的逻辑主机软件。一般情况下，使用一块较大屏综合显示，多个小屏显示和控制相应的逻辑主机系统。

通信控制主板和通信控制备板，互为冗余，各接口板到通信控制主板和通信控制备板都有通路，根据逻辑主机操作系统运行在哪个主板，选择数据传递通道。逻辑主机操作系统可以自由选择运行在通信控制主板，还是通信控制备板上，在运行过程中，逻辑主机操作系统可以动态在通信控制主板和通信控制备板之间迁移。在主板或者备板出现故障时，出现故障的通信主板上的逻辑主机自动热迁移，保证业务不中断。通信控制主板和通信控制备板可以热插拔，以便在线不中断业务维护系统。

本系统通过有线网络连接板、WIFI网络连接板、4G/5G网络连接板向雾端、云端交互、透传数据等，实现分层次的物联网。

所述电源系统包括一个主电系统、一个备电系统。主电系统使用市电或者消防专用电源供电；备电是电池储电，保证在外部供电异常断开时独立供电，供电达到消防标准时长，电池容量根据设备实际容量，动态扩展，如有集中应急照明系统，则照明系统设置独立电池扩展柜。

采用一体化边缘计算网关的消防安防系统，实例如图1所示，包括如上所述的消防和安防一体化的边缘计算网关。所述消防和安防一体化的边缘计算网关的1号插槽的消防二线制通信板的1/1回路、1/2回路均连接火灾烟感传感器模块；8号插槽NB-IoT网关板连接无线火灾信号采集模块，用于输入火灾信号；4号插槽的开关输出板的1号口连接防排风系统，用于控制防排风系统；2号插槽的485总线通信板连接打印机；3号插槽的CAN总线通信板连接远程扩展箱，用于扩展接口资源。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入本发明要求保护的范围内。本发明要求保护的范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.消防和安防一体化的边缘计算网关，包括电源系统、通信控制板、协议转换板和人机交互显示单元，其特征在于，所述电源系统连接各子系统；通信控制板是通信中心，在协议转换板和人机交互显示单元之间转发数据；协议转换板包括 8 回路的消防二线制通信板、4 路的 485 总线通信板、2 路的 CAN 总线通信板、16 路开关输出板、16 路开关输入板和16 路 4~20mA模拟量输入板；

消防和安防一体化的边缘计算网关利用 LoRa 网关连接板、ZigBee 网关连接板和NB-IoT 网关连接板传输无线传感器数据；利用有线网络连接板、WIFI 网络连接板和 4G/5G 网络连接板向雾端或云端交互传输数据；

通信控制板包括一块通信控制主板、一块通信控制备板，协议转换板和 人机交互显示单元均物理连接到所述通信控制主板、所述通信控制备板；

消防和安防一体化的边缘计算网关运行后，通过通信控制板的配置功能，选择接口，形成逻辑主机；

通信控制主板和通信控制备板，互为冗余，各接口板到通信控制主板和通信控制备板都有通道，根据逻辑主机操作系统运行在哪个主板，选择数据传递通道；

使用者选择逻辑主机操作系统运行在通信控制主板，还是通信控制备板上，在运行过程中，逻辑主机操作系统运行需要的数据跟着使用者的选择在通信控制主板和通信控制备板之间迁移。

2.根据权利要求1所述的消防和安防一体化的边缘计算网关，其特征在于，每台消防和安防一体化的边缘计算网关，配置成为多台逻辑主机，各台逻辑主机的采集总线性能和协议转换板的采集总线性能相同，计算和通信性能由通信控制板的性能保证，并按报警优先级、事件优先级调度逻辑主机的任务。

3.根据权利要求2所述的消防和安防一体化的边缘计算网关，其特征在于，配置好的逻辑主机，是一台独立的采集主机，和物理主机一样有关机、启动、运行状态。

4.根据权利要求2所述的消防和安防一体化的边缘计算网关，其特征在于，多个逻辑主机在通信控制主板上有独立的执行空间，各个虚拟系统独立运行，互不影响，互不干扰，各自运行实时操作系统。

5.根据权利要求1所述的消防和安防一体化的边缘计算网关，其特征在于，显示单元是多个显示设备，逻辑主机选择多台共用，或者独立使用单台显示设备。

6.根据权利要求5所述的消防和安防一体化的边缘计算网关，其特征在于，多个逻辑主机在显示设备上同屏显示。

7.根据权利要求5所述的消防和安防一体化的边缘计算网关，其特征在于，所述显示设备是带触摸输入功能的显示设备。

8.采用一体化边缘计算网关的消防安防系统，其特征在于，包括如权利要求 1-7 中任意一项所述的消防和安防一体化的边缘计算网关；

所述消防和安防一体化的边缘计算网关的 1 号插槽的消防二线制通信板的 1/1 回路、1/2 回路均连接有线火灾烟感传感器模块；8 号插槽 NB-IoT 网关板连接无线火灾烟感传感器模块，用于输入火灾烟感信号；4 号插槽的开关输出板的 1 号口连接防排风系统，用于控制防排风系统；2 号插槽的 485 总线通信板连接打印机；3 号插槽的 CAN 总线通信板连接远程扩展板，用于扩展接口资源。

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