CN112118303A - 一种面向多种通信协议的边缘计算物联网中间件 - Google Patents

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Abstract

一种面向多种通信协议的边缘计算物联网中间件，包括七大功能模块，具体如下：中间件管理模块、安全防护模块、数据采集模块、信息转译模块、边缘计算模块、数据库模块、信息转发模块。利用本发明能解决物联网行业异构网络之间互联互通资源共享的技术难题，提高物联网安全性，同时提高设备侧的预判能力和实时响应能力，分担云端计算和网络带宽压力，弥补云端计算和网络传输延时的先天不足。

Description

一种面向多种通信协议的边缘计算物联网中间件
技术领域
本发明涉及物联网行业异构网络的互通融合技术、物联网安全、边缘计算领域，具体涉及面向多种通信协议的边缘计算物联网中间件。
背景技术
随着城市化进程的推进，大量的人口向城市聚集。城市楼宇中密布着成千上万的机电设备，而这些机电设备的运行状态直接影响楼宇、园区甚至整个城市的安全有效运转。利用物联网技术将楼宇、园区、城市的机电设备设施进行联网实现互联互通，借助云端服务器的存储、运算分析能力与边缘计算协同交互形成具有分析预判、实时预警、应急处置的数字化智慧管理平台是替代传统的管理方式的最佳选择。然而，使用不同的通信协议、有着不同的网络结构、来自不同品牌、不同厂商的各色设备构成的是一张庞大的异构网络，如何打通这张网的数据链路使其深度融合是亟待解决的关键技术问题。数据链路通畅后，大量的设备接入使庞大的碎片化数据流涌入云端数据中心，云端服务器进行实时的海量数据接收、存储、计算、返回，这无疑对云端计算能力和网络带宽承载能力是一个巨大的挑战。边缘计算协同云端处理是应对上述挑战的有效方法，边缘计算的实时数据分析处理和速算能力一方面可以支持设备侧的隐患及异常预判、实时预警和应急处置，另一方面对数据进行处理和清洗后将有效数据转发给云端数据中心进行深层次的边云协同。
目前市面上的主流的物联网网关具备数据上云的功能，但缺乏对设备侧数据的实时分析、逻辑预判及快速处置功能，因而目前急需一种在优化数据上云功能的同时，增加网关对设备侧数据的实时数据分析、逻辑预判及快速处置功能的部件。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种能解决物联网行业异构网络之间互联互通资源共享的技术难题，提高物联网安全性，同时提高设备侧的预判能力和实时响应能力，弥补云端计算和网络传输延时的先天不足的面向多种通信协议的边缘计算物联网中间件。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：面向多种通信协议的边缘计算物联网中间件，包括七大功能模块，具体如下：
中间件管理模块，其功能是用户管理、密码和证书管理、软件升级维护故障管理、运行状态监测；
安全防护模块，其功能是接入鉴权管理、预警防御、事件追溯；
数据采集模块，其功能是提供通讯协议集、连接设置配置、设备属性配置、监控项属性配置、报文监视；
信息转译模块，其功能是数据包解析、值取位、值位序调整、值进制转换；
边缘计算模块，其功能是预置逻辑、信息比对、预判预警、应急处置；
数据库模块，其功能是数据库配置、数据写入、记录导出；
信息转发模块，其功能是转发规则配置、数据加密、转发状态监听、断点续传规则设置。
进一步，所述中间件管理模块包括：
用户管理子模块，其功能是提供用户登录、修改密码的人机界面；
升级维护子模块，其功能是提供版本查询、程序升级、通信协议集扩展的人机界面；
故障管理子模块，其功能是负责故障恢复自启动、记录故障日志；
运行监测子模块，其功能是负责监测通信状态、监测吞吐量。
进一步，所述安全防护模块包括：
接入鉴权子模块，其功能是比对设备白名单、判断接入设备合法性；
预警防御子模块，其功能是负责预警防护、生成预警事件日志；
事件追溯子模块，其功能是负责生成设备黑名单、查询和导出事件日志。
进一步，所述数据采集模块包括：
通信协议集，包含BACnet MSTP协议驱动、BACnet IP协议驱动、Mondbus RTU协议驱动、Modbus TCP/IP协议驱动、M Bus协议驱动、KNX协议驱动、LonTalk协议驱动、DALI协议驱动、OPC DA协议驱动、OPC UA协议驱动、OPC HAD协议驱动；
连接设置子模块，其功能是提供连接设置的人机界面，负责配置通信协议类型、IP地址、端口号、轮询时间、超时时间，保存后生成连接配置文件供调用；
设备属性配置子模块，其功能是负责提供设备属性配置的人机界面，配置设备站号、功能码、扫描周期，保存后生成设备属性配置文件供调用；
监控项属性配置子模块，其功能是负责提供监控项属性配置的人机界面，配置监控项名称、数据类型、寄存器类型、寄存器地址，保存后生成监控项属性配置文件供调用；
报文监视子模块，其功能是负责实时监测连接状态和来往报文。
进一步，所述信息转译模块包括：
数据包解析子模块，其功能是负责对数据组包解析；
值取位子模块，其功能是实现对报文的取位；
值位序调整子模块，其功能是负责调整报文排列顺序；
值进制转换子模块，其功能是负责值的进制转换，在二进制、十六进制、十进制之间的转换。
进一步，所述边缘计算模块包括：
预置逻辑子模块，其功能是提供判定逻辑值的设置人机界面，负责设置判定逻辑值；
信息比对子模块，其功能是比对重点数据与判定逻辑值；
预判预警子模块，其功能是提供含预警声音、预警图片的API接口；
应急处置子模块，其功能是负责对设备执行停机、关阀的应急操作。
进一步，所述数据库模块包括：
库配置子模块，其功能是提供数据库记录格式的配置人机界面；
数据写入子模块，其功能是负责数据写入、设置数据写入规则；
记录导出子模块，其功能是负责记录查询和导出。
进一步，所述信息转发模块包括：
转发配置子模块，其功能是配置转发协议、配置转发接口；
状态监听子模块，其功能是监听和反馈转发通信状态；
数据加密子模块，其功能是负责转发数据加密；
断点续传子模块，其功能是负责数据断点续传，设置时间间隔，建立转发数据暂存机制、建立唤醒续传机制。
本发明的有益效果：
1.广泛的协议兼容性。通信协议集内包含BACnet MSTP、BACnet IP、Modbus RTU、Modbus TCP/IP、M Bus、KNX、LonTalk、DALI、OPC DA、OPC UA、OPC HAD协议驱动和动态连接库文件，囊括智能建筑、工业控制领域的常见通信协议。
2.预测性边缘计算能力。通过边缘计算模块中信息比对子模块实现对转译后的重点数据与判定逻辑值的比对，比对结果超限时预判预警子模块提供含预警声音、预警图片的API接口给应用层；当预判结果属于需要应急处置的，应急处置子模块实现对设备执行停机、关阀应急处置的操作。边缘计算聚焦实时、短周期数据的分析，能更好地支撑故障的实时告警，快速识别异常，快速响应。
3.安全性高。安全防护模块中的设备白名单、设备黑名单、预警防御、事件日志查询导出机制建立了物联网的第一道安全屏障，非法的物联网设备被拒绝接入，黑名单上传云端后基于大数据分析可形成企业级的黑名单预警机制，有效降低物联网安全风险。
附图说明
图1为本发明面向多种通信协议的边缘计算物联网中间件的架构框图。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
实施例
参照图1，一种面向多种通信协议的边缘计算物联网中间件，包括七大功能模块，具体如下：
中间件管理模块，包括用户管理子模块、升级维护子模块、故障管理子模块、运行监测子模块；
安全防护模块，包括接入鉴权子模块、预警防御子模块、事件追溯子模块；
数据采集模块，包括通信协议集、连接设置子模块、设备属性配置子模块、监控项属性配置子模块、报文监视子模块；
信息转译模块，包括数据包解析子模块、值取位子模块、值位序调整子模块、值进制转换子模块；
边缘计算模块，包括预置逻辑子模块、信息比对子模块、预判预警子模块、应急处置子模块；
数据库模块，包括库配置子模块、数据写入子模块、记录导出子模块；
信息转发模块，包括转发配置子模块、数据加密子模块、状态监听子模块、断点续传子模块。
下面对各个子模块的功能进行说明。
中间件管理模块中用户管理子模块负责用户登录、修改密码；升级维护子模块负责版本查询、程序升级、通信协议集扩展；故障管理子模块负责故障恢复自启动、记录故障记录；运行监测子模块负责监测通信状态、监测吞吐量。
安全防护模块的接入鉴权模块可配置设备白名单、判断接入设备合法性；预警防御子模块负责预警防护、生成事件日志；事件追溯子模块负责生成设备黑名单、查询和导出事件日志。
数据采集模块中连接设置子模块提供连接设置的人机界面，负责配置通信协议类型、IP地址、端口号、轮询时间、超时时间，保存后生成连接配置文件供调用；设备属性配置子模块负责提供设备属性配置的人机界面，配置设备站号、功能码、扫描周期，保存后生成设备属性配置文件供调用；监控项属性配置子模块负责提供监控项属性配置的人机界面，配置监控项名称、数据类型、寄存器类型、寄存器地址，保存后生成监控项属性配置文件供调用；数据采集模块负责调用配置文件和通信协议集文件；报文监视子模块负责实时监测连接状态和来往报文。
信息转译模块中数据包解析子模块负责对数据组包解析；值取位子模块实现对报文的取位；值位序调整子模块负责调整报文排列顺序；值进制转换子模块负责值的进制转换。
边缘计算模块中预置逻辑子模块负责设置判定逻辑值；信息比对子模块比对重点数据与判定逻辑值；预判预警子模块提供含预警声音、预警图片的API接口；应急处置子模块负责对设备执行停机、关阀的应急操作。
数据库模块中库配置子模块配置数据库记录格式；数据写入子模块负责数据写入、设置数据写入规则；记录导出子模块负责记录查询和导出。
信息转发模块中转发配置子模块配置转发协议、配置转发接口；数据加密子模块负责转发数据加密；状态监听子模块监听和反馈转发通信状态；断点续传子模块负责数据断点续传。
实施过程的具体步骤如下：
步骤1，中间件软件成功安装后，使用软件提供的原始用户名和密码登入软件，使用中间件管理模块的用户管理子模块修改登录密码，使用升级维护子模块的版本查询功能确认软件版本号和通信协议集是否需要升级维护；
步骤2，在安全防护模块的接入鉴权子模块提供设备白名单的人机界面录入待接入的设备ID号；设备接入后接入鉴权子模块调用设备白名单与请求接入设备唯一ID进行比对，比对成功即允许接入，比对失败则拒绝接入；对比对失败3次以上的ID进行预警并形成事件日志；事件日志保存3年，可对事件日志进行查询和导出报表；对高频试图接入而屡次失败的ID列入设备黑名单；
步骤3，在数据采集模块中的连接设置子模块提供的连接设置的人机界面配置步骤1接入设备的通信协议类型、IP地址、端口号、轮询时间、超时时间，保存后生成连接配置文件供调用；在设备属性配置子模块提供的设备属性配置的人机界面中，配置设备站号、功能码、扫描周期，保存后生成设备属性配置文件供调用；在监控项属性配置子模块提供的监控项属性配置的人机界面中，配置监控项名称、数据类型、寄存器类型、寄存器地址，保存后生成监控项属性配置文件供调用；数据采集模块比对上述3个配置文件详情与通信协议集内的BACnet MSTP、BACnet IP、Modbus RTU、Modbus TCP/IP、M Bus、KNX、LonTalk、DALI、OPC DA、OPC UA、OPC HAD协议驱动和协议动态连接库文件，匹配成功后调用相应的协议驱动和库文件，若不成功则返回步骤1对协议集进行升级；数据采集模块进入工程流程与设备成功建立通信；在报文监视子模块提供的监视窗口中监测连接状态和往来报文；
步骤4，信息转译模块中的数据包解析子模块对组包进行解析，值进制转换子模块把解析后的十六进制代码转换成十进值，供应用层调用；当应用层仅需要本文中的特定位时，在值取位子模块提供的设置窗体中设置取位参数，实现对报文的取位；当应用层需对本文中的特定代码进行排列顺序的调整时，值位序调整子模块实现对报文的排列顺序进行调整；
步骤5，在边缘计算模块的预置逻辑子模块提供的判定逻辑值的设置人机界面中设置预判值；信息比对子模块对转译后的重点数据与判定逻辑值的比对，比对结果超限时预判预警子模块提供含预警声音、预警图片的API接口给应用层；当预判结果属于需要应急处置的类型，应急处置子模块实现对设备执行停机、关阀应急处置的操作；
步骤6，在数据库模块中库配置子模块提供的数据库记录格式的配置人机界面中配置数据记录的格式，如记录的字段名，数据库层级关系为“数据库”包含“记录”，“记录”包含“端口”，“端口”包含“设备”，“设备”包含“监控项”；数据写入子模块将转译后数据的按规则写入库中；记录导出子模块对指定记录的查询和导出，确认数据库记录的正确与完整；
步骤7，在信息转发模块的转发配置子模块中配置转发协议、接口和加密算法选择，生成转发配置文件供调用；数据加密子模块对待转发数据进行加密；状态监听子模块监听和反馈转发通信状态的，若通信中断则在提示栏中文字提示“通信中断”；断点续传子模块实现中间件故障导致的转发失败数据断点时的续传，包括转发失败时间间隔的设置、转发数据暂存机制、唤醒续传机制。

Claims (8)

1.一种面向多种通信协议的边缘计算物联网中间件，其特征是，包括七大功能模块，具体如下：
中间件管理模块，其功能是用户管理、密码和证书管理、软件升级维护故障管理、运行状态监测；
安全防护模块，其功能是接入鉴权管理、预警防御、事件追溯；
数据采集模块，其功能是提供通讯协议集、连接设置配置、设备属性配置、监控项属性配置、报文监视；
信息转译模块，其功能是数据包解析、值取位、值位序调整、值进制转换；
边缘计算模块，其功能是预置逻辑、信息比对、预判预警、应急处置；
数据库模块，其功能是数据库配置、数据写入、记录导出；
信息转发模块，其功能是转发规则配置、数据加密、转发状态监听、断点续传规则设置。
2.根据权利要求1所述的面向多种通信协议的边缘计算物联网中间件，其特征是，所述的中间件管理模块包括：
用户管理子模块，其功能是提供用户登录、修改密码的人机界面；
升级维护子模块，其功能是提供版本查询、程序升级、通信协议集扩展的人机界面；
故障管理子模块，其功能是负责故障恢复自启动、日志记录；
运行监测子模块，其功能是负责监测通信状态、吞吐量。
3.根据权利要求1所述的面向多种通信协议的边缘计算物联网中间件，其特征是，所述安全防护模块包括：
接入鉴权子模块，其功能是比对设备白名单、判断接入设备合法性；
预警防御子模块，其功能是负责预警防护、生成预警事件日志；
事件追溯子模块，其功能是负责生成设备黑名单、查询和导出事件日志。
4.根据权利要求1所述的面向多种通信协议的边缘计算物联网中间件，其特征是，所述数据采集模块包括：
通信协议集，包含BACnet MSTP协议驱动、BACnet IP协议驱动、Mondbus RTU协议驱动、Modbus TCP/IP协议驱动、M Bus协议驱动、KNX协议驱动、LonTalk协议驱动、DALI协议驱动、OPC DA协议驱动、OPC UA协议驱动、OPC HAD协议驱动；
连接设置子模块，其功能是提供连接设置的人机界面，负责配置通信协议类型、IP地址、端口号、轮询时间、超时时间，保存后生成连接配置文件供调用；
设备属性配置子模块，其功能是负责提供设备属性配置的人机界面，配置设备站号、功能码、扫描周期，保存后生成设备属性配置文件供调用；
监控项属性配置子模块，其功能是负责提供监控项属性配置的人机界面，配置监控项名称、数据类型、寄存器类型、寄存器地址，保存后生成监控项属性配置文件供调用；
报文监视子模块，其功能是负责实时监测连接状态和来往报文。
5.根据权利要求1所述的面向多种通信协议的边缘计算物联网中间件，其特征是，所述信息转译模块包括：
数据包解析子模块，其功能是负责对数据组包解析；
值取位子模块，其功能是实现对报文的取位；
值位序调整子模块，其功能是负责调整报文排列顺序；
值进制转换子模块，其功能是负责值的进制转换。
6.根据权利要求1所述的面向多种通信协议的边缘计算物联网中间件，其特征是，所述边缘计算模块包括：
预置逻辑子模块，其功能是提供判定逻辑值的设置人机界面；
信息比对子模块，其功能是比对重点数据与判定逻辑值；
预判预警子模块，其功能是提供含预警声音、预警图片的API接口；
应急处置子模块，其功能是负责对设备执行停机、关阀的应急操作。
7.根据权利要求1所述的面向多种通信协议的边缘计算物联网中间件，其特征是，所述数据库模块包括：
库配置子模块，其功能是提供数据库记录格式的配置人机界面；
数据写入子模块，其功能是负责数据写入、设置数据写入规则；
记录导出子模块，其功能是负责记录查询和导出。
8.根据权利要求1所述的面向多种通信协议的边缘计算物联网中间件，其特征是，所述信息转发模块包括：
转发配置子模块，其功能是配置转发协议、配置转发接口；
状态监听子模块，其功能是监听和反馈转发通信状态；
数据加密子模块，其功能是负责转发数据加密；
断点续传子模块，其功能是负责数据断点续传，设置时间间隔，建立转发数据暂存机制、建立唤醒续传机制。
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