CN111866084A - 基于容器的边缘物联代理装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于容器的边缘物联代理装置，属于物联网领域。所述装置包括：主控模块、通信模块以及电源模块，所述主控模块内置基于容器技术的嵌入式操作系统，所述嵌入式操作系统包括容器引擎和容器调度框架，所述容器引擎包括至少一个容器，每一容器放置至少一种应用程序；所述主控模块通过所述容器调度框架调用所述容器引擎内对应的应用程序对所述通信模块接收到的数据进行分析和决策。本发明采用容器技术支持多容器部署，可在不同容器或同一容器内放置多种应用程序APP，实现同时对海量数据进行解析、计算并决策，减少上传到云平台的数据量，避免网络阻塞，减轻云平台的分析、决策压力，提高系统稳定性和实时性。

Description

基于容器的边缘物联代理装置
技术领域
本发明涉及物联网领域，具体地涉及一种基于容器的边缘物联代理装置。
背景技术
随着泛在电力物联网建设任务的不断推进，终端层作为物联网的“前哨”，主要由具有各种感知能力的智能业务终端组成，是物联网识别物体、采集信息的来源。现阶段电力物联网终端设备数量庞大、形式多样，所涉及的通信技术多样、通信协议复杂，终端设备数据模型、接口协议不统一，数据跨专业协同共享存在壁垒，终端设备之间业务协同能力弱，不利于协同管理。同时，大量的物联网终端设备分布在网络的边缘，并具有实时性的需求。然而，云数据中心是集中化分布的，难以满足四处分布的数量众多的物联网终端设备的数据存储和处理的需求，从而导致物联网终端设备出现网络阻塞、高延时、低服务质量等问题。
由于电力系统终端设备数量日趋增多，类型、物理接口繁杂多样，底层连接协议差异大，在传统电力物联网接入中，业务终端与接入设备紧耦合，接入设备和网络重复建设，终端接入安全防护能力不足。同时，电网业务面临实时性、互联互通以及安全要求的提升，传统方式下终端数据全部上传到业务主站的云平台进行集中式处理，会导致较长传输时延，带来带宽以及能耗的浪费，在造成一些时延敏感型应用性能劣化的同时，也会给骨干通信网络、后台业务系统带来巨大的处理压力。
随着物联网技术的成熟和应用的普及，边缘物联代理可广泛应用于电力行业输电、变电环节及气象、智慧农业等领域。通过部署边缘物联代理，就近提供智能联接和数据处理业务，实时采集现场设备的数据，同时对海量数据进行解析、计算和存储，将计算后的数据上传到云端并与云端交互，减轻云平台的压力。目前的边缘物联代理能够实现现场设备采集数据的汇聚和简单处理，但不能解决对于不同业务系统、不同通信接口的终端异构接入带来的数据共享和业务隔离等问题，无法满足系统的稳定性和实时性需求。
发明内容
本发明实施方式的目的是提供一种基于容器的边缘物联代理装置，以解决对于不同业务系统、不同通信接口的终端异构接入带来的数据共享和业务隔离问题。
为了实现上述目的，本发明提供一种基于容器的边缘物联代理装置，包括主控模块、通信模块以及电源模块，所述主控模块内置基于容器技术的嵌入式操作系统，所述嵌入式操作系统包括容器引擎和容器调度框架，所述容器引擎包括至少一个容器，每一容器放置至少一种应用程序；所述主控模块通过所述容器调度框架调用所述容器引擎内对应的应用程序对所述通信模块接收到的数据进行分析和决策。
进一步地，所述容器引擎为Docker容器引擎，所述Docker容器引擎包括：
Docker镜像仓库，部署于物联网的后台管理系统中；
多个所述容器，用于放置不同的应用程序或驱动程序，通过沙箱方式隔离所述应用程序，或动态更新并加载所述驱动程序；以及
Docker客户端，用于创建所述容器，下拉所述Docker镜像仓库中的镜像到所述容器内，以及运行所述容器内的应用程序。
进一步地，所述容器调度框架包括容器管理单元和容器编排单元，通过所述容器管理单元进行调度策略开发，通过所述容器编排单元制定各容器内应用程序的运行路线。
进一步地，所述通信模块包括本地通信单元和远程通信单元；
所述本地通信单元用于接收物联网感知层的不同的终端设备发送的信息采集源数据，实现终端侧数据的统一汇聚接入；
所述远程通信单元用于将所述主控模块的决策数据传送至物联管理平台。
进一步地，所述本地通信单元包括：CAN通信接口、RS232/485通信接口、载波通信接口、蓝牙通信接口、Zigbee通信接口以及微功率无线通信接口。
进一步地，所述应用程序包括：通信协议规约解析程序、电能质量分析程序、交通流量预测程序以及数据库配置管理程序。
进一步地，所述电源模块包括：AC-DC开关电源、备用电源以及低压差线性稳压器；所述AC-DC开关电源或所述备用电源通过所述低压差线性稳压器为所述主控模块和通信模块提供相适配的电压。
进一步地，所述装置还包括：
安全加密模块，用于对需要传送至所述物联管理平台的决策数据进行加密。
进一步地，所述装置还包括：
卫星定位模块，用于对所述边缘物联代理装置的位置进行定位。
进一步地，所述装置还包括存储模块，所述存储模块与所述主控模块连接，用于存储需所述主控模块处理的数据或所述主控模块处理后的数据。
本发明提供的基于容器的边缘物联代理装置采用Docker容器技术，支持多容器部署，可在不同容器或同一容器内放置多种应用程序APP，实现不同应用业务的横向隔离，从而实现业务灵活部署，有利于定制化应用程序的二次开发。另一方面，Docker容器技术的运行环境可移植，资源使用率和业务部署效率高，容器之间的业务进程相互隔离，安全程度高。本发明的基于容器的边缘物联代理装置可解决物联网中对于不同业务系统、不同通信接口的终端异构接入带来的数据共享和业务隔离问题，可实现同时对海量数据进行解析、计算并决策，将计算后的数据或决策数据上传到物联管理平台或业务主站云平台，减少上传到云平台的数据量，避免网络阻塞，减轻云平台的分析、决策压力，提高系统稳定性和实时性。
本发明实施方式的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明实施方式的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施方式，但并不构成对本发明实施方式的限制。在附图中：
图1是本发明一种实施方式提供的基于容器的边缘物联代理装置的结构框图；
图2是本发明一种实施方式提供的基于容器的边缘物联代理装置的嵌入式操作系统的架构图；
图3是本发明一种实施方式提供的基于容器的边缘物联代理装置的电源模块的结构框图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
本发明实施方式提供的基于容器的边缘物联代理装置，应用于边缘计算架构的电力物联网中。本实施方式中，电力物联网的网络连接关系为：感知层终端设备连接到物联代理装置，物联代理装置连接到物联管理平台，物联管理平台连接到业务主站(即物联网应用行业、领域建设的云端主站)。感知层终端设备位于物联网感知现场，是具备感知、交采、计量等数据采集功能的组件，或者是单独的功能组件，或者是物联网现场执行数据感知采集功能的传感器、终端等。物联代理装置位于物联网现场，通过本地通信方式与感知层终端设备连接，通过远程通信方式与物联管理平台连接，收集来自感知层终端设备的所有数据并进行协议转换，实现本地感知数据的统一汇聚接入，并实现边缘侧物联接入数据的本地分析和决策，以统一的物联规约将决策信息上传到物联管理平台。
图1是本发明一种实施方式提供的基于容器的边缘物联代理装置的结构框图；图2是本发明一种实施方式提供的基于容器的边缘物联代理装置的嵌入式操作系统的架构图。如图1所示，本发明实施方式提供一种基于容器的边缘物联代理装置，包括主控模块、通信模块以及电源模块，所述主控模块内置基于容器技术的嵌入式操作系统。所述主控模块采用主控芯片，该主控芯片采用Cortex-A7架构，内嵌Mali400MP2 GPU，通过具有并行运算能力的GPU增强芯片进行数据处理和智能分析，对各外围组件进行统一控制。如图2所示，所述嵌入式操作系统包括容器引擎和容器调度框架，所述容器引擎包括至少一个容器，每一容器放置至少一种应用程序。所述主控模块通过所述容器调度框架调用所述容器引擎内对应的应用程序对所述通信模块接收到的数据进行分析和决策。
在本实施方式中，所述容器引擎采用Docker容器引擎。如图2所示，所述Docker容器引擎包括Docker镜像仓库、Docker客户端以及多个容器(容器1、容器2至容器N)。所述容器用于放置不同的应用程序或驱动程序，通过沙箱方式隔离所述应用程序，或动态更新并加载所述驱动程序。所述应用程序(APP)例如通信协议规约解析程序APP、电能质量分析程序APP、交通流量预测程序APP以及数据库配置管理程序APP等。所述Docker镜像仓库部署于物联网的后台管理系统中。所述Docker客户端用于创建所述容器，下拉所述Docker镜像仓库中的镜像到所述容器内，以及运行所述容器内的应用程序。所述容器调度框架包括容器管理单元和容器编排单元，通过所述容器管理单元进行调度策略开发，通过所述容器编排单元制定各容器内应用程序的运行路线。本实施方式中，所述容器调度框架采用kubernetes，简称K8s，基于Kubernetes框架进行调度策略开发，根据指令制定各容器内应用程序的运行路线，可管理和调度多个容器内具体的应用程序。所述嵌入式操作系统包括文件系统、驱动程序、内核及启动程序。Docker容器引擎与容器调度框架作为嵌入式操作系统的进程，操作系统启动后，即启动。Docker客户端负责下拉Docker镜像仓储的镜像到容器，容器编排算法(容器编排单元)具体执行容器内的应用程序及驱动。Docker容器引擎和容器调度框架协同运行，实现嵌入式操作系统的虚拟化。
Docker容器虚拟技术主要针对网络操作系统开发，要在嵌入式平台上应用实现软硬件分离及APP化，首先要解决的就是Docker容器在嵌入式异构平台的移植应用。Docker容器移植到嵌入式平台主要包括四方面：操作系统的引导Uboot的制作、系统内核的编译、根文件系统的准备、Docker容器的运行。操作系统的引导Uboot的制作具体为：操作系统的引导分为两个阶段，第一阶段硬件本身的引导加载程序就被载入内存并执行，准备加载第二阶段的引导。第二阶段的引导加载程序会将加载系统内核映像，解压和初始化内核，这阶段会检测系统硬件设备、挂载根文件系统，然后加载必要的内核驱动模块。由于ARM嵌入式开发板自带的BIOS(U-Boot)通常只能在标准的内核模式启动Linux Kernel，并且这部分BIOS引导程序是被固化在嵌入式开发板的特定存储器上，并被标识为只读模式。如果要定制设计操作系统，需要利用级联U-Boot的方法来启动Linux Kernel。通过编译原生的uboot.kpart压缩包，结合工程板的硬件参数和固定的BIOS引导编译生成uboot引导，识别开发板的硬件资源，为读入Linux内核、让内核在Hyp模式下运行并获得ARM处理器硬件的控制做好准备。系统内核的编译具体为：进行Docker容器镜像文件系统管理的配置，在内核中添加AUFS支持(CONFIG_AUFS_FS)。Docker镜像文件的层次与Linux系统相同，分为bootfs和rootfs。在AUFS架构下，Docker镜像在其bootfs自检完毕之后不会直接把rootfs由只读模式改为可读写模式，而是继续将一个或多个只读模式的rootfs加载到第一层的只读的rootfs层之上。在Docker镜像进行实例化，系统在之前准备好的一层或是多层只读的rootfs之上分配一层空的可读写的rootfs，作为容器内部相关程序运行的操作空间，这样的结构保证了容器内部文件系统的绝对隔离和安全。根文件系统的准备具体包括：为容器引擎准备一个完整的Linux根文件系统。选用Linux操作系统版本，例如Ubuntu14.04版本。为通用的Ubuntu-trusty的文件系统添加特权管理，添加账户和网络配置文件，为嵌入式平台定制一套专属的Ubuntu系统，并将内核部分的模块(module)驱动的文件写入到制定的文件目录下。Docker容器的运行具体为：编译适合armv7架构的容器镜像。通过编写DockerFile的方式，将后续所需要的软件环境与armhf架构基础的Ubuntu的文件系统集成，制作成需要的Docker镜像，此镜像可以在搭建好的系统中运行。通过上述四方面的工作实现Docker容器在嵌入式异构平台的移植应用，即实现在多种运行环境下的移植。
所述边缘物联代理装置的通信模块包括本地通信单元和远程通信单元。所述本地通信单元包括CAN通信接口、RS232/485通信接口、载波通信接口、蓝牙通信接口、Zigbee通信接口以及微功率无线通信接口。所述本地通信单元用于接收物联网感知层的不同的终端设备发送的信息采集源数据，实现终端侧数据的统一汇聚接入。所述远程通信单元用于将所述主控模块的决策数据传送至物联管理平台，例如，通过光纤、以太网、4G/5G、NB-IoT等远程通信方式传送数据。
本实施方式的基于容器的边缘物联代理装置所述装置还包括：安全加密模块、卫星定位模块以及存储模块。所述安全加密模块用于对需要传送至所述物联管理平台的决策数据进行加密，保障数据通信安全。所述卫星定位模块用于对所述边缘物联代理装置的位置进行定位，便于分布式管理物联网中各个边缘物联代理装置。所述存储模块与所述主控模块连接，配置DDR内存和eMMC数据存储，用于存储需主控模块处理的数据或主控模块处理后的数据，处理后的数据例如主控模块产生的决策数据。
图3是本发明一种实施方式提供的基于容器的边缘物联代理装置的电源模块的结构框图。如图3所示，本装置采用主、备用双电源供电模式，其电源模块包括AC-DC开关电源、备用电源以及低压差线性稳压器(LDO)。主电源采用AC-DC开关电源，将220V交流电转化为12V直流电进行供电。备用电源采用铅酸蓄电池，铅酸电池充电选用太阳能电池板和AC-DC开关电源双充电模式，太阳能电池板与铅酸电池之间以及AC-DC开关电源与铅酸电池之间均设置充电管理模块，防止当一端充电电压高于另一端时整个备用电源充电系统形成低阻抗回路造成充电电路烧毁，以及控制电流防止充电电流过高造成铅酸电池使用寿命降低。AC-DC开关电源或备用电源通过低压差线性稳压器(LDO)为主控模块、通信模块及安全加密模块提供相适配的电压。低压差线性稳压器(LDO)将24V或48V直流电转化为1.0V、3.3V、5V电源，1.0V电源为安全加密模块供电，输出电流7A；3.3V电源为主控模块的CPU、Flash存储、通信模块数字端供电，输出电流10A；5V电源为各模块的模拟端、射频端和天线馈电供电，输出电流4A。低压差线性稳压器(LDO)具备TVS抗过压保护、抑制尖峰、浪涌的功能，使得整个电源模块具备高可靠性、高电磁兼容性、高环境适应性的功能。
本发明实施方式提供的基于容器的边缘物联代理装置采用Docker容器技术，支持多容器部署，可在不同容器或同一容器内放置多种应用程序APP，实现不同应用业务的横向隔离，从而实现业务灵活部署，有利于定制化应用程序的二次开发。另一方面，Docker容器技术的运行环境可移植，资源使用率和业务部署效率高，容器之间的业务进程相互隔离，安全程度高。本发明的基于容器的边缘物联代理装置可解决物联网中对于不同业务系统、不同通信接口的终端异构接入带来的数据共享和业务隔离问题，可实现同时对海量数据进行解析、计算并决策，将计算后的数据或决策数据上传到物联管理平台或业务主站云平台，减少上传到云平台的数据量，避免网络阻塞，减轻云平台的分析、决策压力，提高系统稳定性和实时性。
以上结合附图详细描述了本发明的可选实施方式，但是，本发明实施方式并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施方式的技术构思范围内，可以对本发明实施方式的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施方式的保护范围。另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明实施方式对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明实施方式的思想，其同样应当视为本发明实施方式所公开的内容。

Claims (10)

1.一种基于容器的边缘物联代理装置，包括主控模块、通信模块以及电源模块，其特征在于，所述主控模块内置基于容器技术的嵌入式操作系统，所述嵌入式操作系统包括容器引擎和容器调度框架，所述容器引擎包括至少一个容器，每一容器放置至少一种应用程序；
所述主控模块通过所述容器调度框架调用所述容器引擎内对应的应用程序对所述通信模块接收到的数据进行分析和决策。
2.根据权利要求1所述的基于容器的边缘物联代理装置，其特征在于，所述容器引擎为Docker容器引擎，所述Docker容器引擎包括：
Docker镜像仓库，部署于物联网的后台管理系统中；
多个所述容器，用于放置不同的应用程序或驱动程序，通过沙箱方式隔离所述应用程序，或动态更新并加载所述驱动程序；以及
Docker客户端，用于创建所述容器，下拉所述Docker镜像仓库中的镜像到所述容器内，以及运行所述容器内的应用程序。
3.根据权利要求1所述的基于容器的边缘物联代理装置，其特征在于，所述容器调度框架包括容器管理单元和容器编排单元，通过所述容器管理单元进行调度策略开发，通过所述容器编排单元制定各容器内应用程序的运行路线。
4.根据权利要求1所述的基于容器的边缘物联代理装置，其特征在于，所述通信模块包括本地通信单元和远程通信单元；
所述本地通信单元用于接收物联网感知层的不同的终端设备发送的信息采集源数据，实现终端侧数据的统一汇聚接入；
所述远程通信单元用于将所述主控模块的决策数据传送至物联管理平台。
5.根据权利要求4所述的基于容器的边缘物联代理装置，其特征在于，所述本地通信单元包括：CAN通信接口、RS232/485通信接口、载波通信接口、蓝牙通信接口、Zigbee通信接口以及微功率无线通信接口。
6.根据权利要求4所述的基于容器的边缘物联代理装置，其特征在于，所述应用程序包括：通信协议规约解析程序、电能质量分析程序、交通流量预测程序以及数据库配置管理程序。
7.根据权利要求4所述的基于容器的边缘物联代理装置，其特征在于，所述电源模块包括：AC-DC开关电源、备用电源以及低压差线性稳压器；
所述AC-DC开关电源或所述备用电源通过所述低压差线性稳压器为所述主控模块和通信模块提供相适配的电压。
8.根据权利要求4所述的基于容器的边缘物联代理装置，其特征在于，所述装置还包括：
安全加密模块，用于对需要传送至所述物联管理平台的决策数据进行加密。
9.根据权利要求4所述的基于容器的边缘物联代理装置，其特征在于，所述装置还包括：
卫星定位模块，用于对所述边缘物联代理装置的位置进行定位。
10.根据权利要求4所述的基于容器的边缘物联代理装置，其特征在于，所述装置还包括存储模块，所述存储模块与所述主控模块连接，用于存储需所述主控模块处理的数据或所述主控模块处理后的数据。
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