CN112532745A - 针对云-边混合物联网的数据传输与信息控制装置 - Google Patents

针对云-边混合物联网的数据传输与信息控制装置 Download PDF

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Abstract

针对云‑边混合物联网的数据传输与信息控制装置，涉及一种针对云‑边混合物联网的数据传输与信息控制技术，为了解决现有的物联网系统仍然存在供电难、信号覆盖差和测量采集设备多的问题。本发明的设备接入层用于数据接入，通过不同种类的硬件通讯接口接入各类传感器设备；设备控制模块用于提供界面和API，对边缘物联代理设备进行系统配置管理；应用升级模块用于软件升级；数据缓存模块用于对采集数据进行分析处理；数据存储模块用于数据存储；支持服务层用于提供视频AI服务、AI模型管理服务、数据解析服务和数据计算服务；边缘应用层用于部署各类业务应用；对外交互层用于对外对接。具有集成化、智能化、低功耗、稳定性高、易安装和易扩展的特点。

Description

针对云-边混合物联网的数据传输与信息控制装置
技术领域
本发明涉及一种针对云-边混合物联网的数据传输与信息控制技术。
背景技术
近年来，随着物联网技术的不断进步，物联网的典型应用已经逐步展开；然而，物联网下硬件设备的异构性问题愈显突出，迫切需要实现接口标准化和数据模型标准化，尽快统一技术标准，形成一个统一管理机制，针对云-边混合物联网系统的数据传输与信息控制装置的必要性日显突出。一方面，传感器的种类和数量越来越多，这些数据如何在前端进行收集和处理是物联网普及和推广的基础；另一方面，新兴的云系统更期望巨大的、智能的、灵活的、可扩展的服务渗透到电力业务的各个方面，尤其当云系统与物联网或者传感网相结合，设备处理能力有很大区别，不同处理能力的设备需要采取不同的措施来驱动其正常运行，受限于带宽等实际工作环境的制约，急需将人工智能、边缘计算、物联代理这些功能进行整合。
鉴于人工智能、边缘计算与物联代理研究的重要意义，许多科研机构都在对其进行着深入的研究。近几年来，随着计算机、智能终端、移动互联网、物联网、大数据等技术的飞速发展，制约人工智能发展的外部技术瓶颈得以突破，专用人工智能发展步入快车道；边缘计算硬件的进化速度很快，处理器和图像采集设备性能提升和成本日渐降低，前端边缘端计算设备的更小体积、更低功耗等，都意味着几乎所有的智能设备原则上都已具备安装和部署人工智能算法的技术基础和可能性。基于大量各类型特征数据的学习和技术更迭，一些针对行业的应用相比以前早已脱胎换骨。
但是现有的物联网系统仍然存在供电难、信号覆盖差、测量采集设备多的问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的物联网系统仍然存在供电难、信号覆盖差和测量采集设备多的问题，提出了针对云-边混合物联网的数据传输与信息控制装置。
本发明所述的针对云-边混合物联网的数据传输与信息控制装置包括设备接入层、基础服务层、支持服务层、边缘应用层和对外交互层；
所述设备接入层，用于数据接入，通过不同种类的硬件通讯接口接入各类传感器设备，进行采集数据；
所述基础服务层包括设备控制模块、应用升级模块、数据缓存模块和数据存储模块；
设备控制模块，用于提供界面和API，对边缘物联代理设备进行系统配置管理；
应用升级模块，用于软件在线升级；
数据缓存模块，用于对采集数据进行分析处理，并缓存到本地，生成本地数据；
数据存储模块，用于对本地数据存储；
所述支持服务层，用于提供视频AI服务、AI模型管理服务、数据解析服务和数据计算服务；
所述边缘应用层，用于部署各类业务应用；
所述对外交互层，用于对外对接。
本发明的有益效果是：本发明采用低功耗技术解决供电难的问题，物联网内传感器多以NB-IoT或LoRa为传输方式进行，由于环境特殊性，故采用电池作为供电模块，同时采用小型化、便携式结构设计；该控制装置支持Lora、NB-IOT、RS485、WIFI、ZigBee、以太网和4G/5G等通信方式，对物联网中的多种传感器实现全连接以及数据融合；同时实现边缘人工智能，实时分析若干路视频，对物联网现场情况进行即时响应；实现了集成化、智能化、低功耗、高稳定性、易安装和便携带的特点，适用于各种复杂多变的恶劣环境；本控制装置设有对外交互层，具备易扩展性，实现多场景融合，该装置的易用性很好。
附图说明
图1为具体实施方式一所述的针对云-边混合物联网的数据传输与信息控制装置的架构图；
图2为具体实施方式一中针对云-边混合物联网的数据传输与信息控制装置的通讯原理图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述的针对云-边混合物联网的数据传输与信息控制装置基于智慧物联网整体框架的基础上，用于实现传感器数据接入、分析、传输以及若干路视频的智能分析；
该控制装置包括设备接入层、基础服务层、支持服务层、边缘应用层和对外交互层；
所述设备接入层，用于数据接入，通过不同种类的硬件通讯接口接入各类传感器设备，进行采集数据；
所述基础服务层包括设备控制模块、应用升级模块、数据缓存模块和数据存储模块；
设备控制模块，用于提供界面和API，对边缘物联代理设备进行系统配置管理；支持参数设置功能，平台可通过该功能改变边缘物联代理工作状态，如设置IP地址等；用户可通过访问边缘物联代理的界面，查询状态，更改配置；
应用升级模块，用于软件在线升级；
数据缓存模块，用于对采集数据进行分析处理，并缓存到本地，生成本地数据；最多支持3天存储；根据网络环境决定是否启用该功能，如果网络环境较差，数据无法上传平台，启用该功能，网络环境恢复后，关闭该功能，数据直接上传；
数据存储模块，用于对本地数据存储；可用于存储软件参数、配置参数等信息，或者存储数据解析结果；
所述支持服务层，用于提供视频AI服务、AI模型管理服务、数据解析服务和数据计算服务；
所述边缘应用层，用于部署各类业务应用；
所述对外交互层，用于对外对接。
在本实施方式中，边缘应用层默认自带应用是山火和工程车辆检测应用；边缘业务层基于设备接入层、基础服务层、支持服务层提供的核心功能，开发业务应用；比如基于山火检测等AI服务，开发警报上传、告警记录等业务应用，基于温度传感器接入服务，开发高温告警、温度预测等业务应用；边缘应用层支持第三方应用部署，不同应用可以各自业务功能，极大提升边缘物联代理设备的功能可扩展性。同时可配合上层平台，提供Docker应用下载、部署、管理等功能。
在本实施方式中，该控制装置必须灵活多变以适应各种复杂的现场环境；该控制装置的处理板包括CPU-RK399{双核Cortex-A72@1.8GHz+四核Cortex-A53@1.4GHz+Mali-T864 GPU}、AI加速模块、存储模块和通信接口模块；AI加速模块(≮6TOPs)—用于视频数据和传感器数据人工智能算法加速；存储模块分为两种，一种为DDR3L(≮4GB)—存储软件系统运行时数据；另一种为Flash(≮32GB)—存储嵌入式操作系统镜像和APP以及相关数据；通信接口模块(支持USB2.0、SPI、Uart、I2C、GPIO)—用于处理板与通信板通信；
通信板包括MCU—{Cortex-M0@50MHz,2-Uart}、无线通信模块、有线通信模块、系统电源供电模块和安全认证模块；
无线通信模块用于构建多网络拓扑结构、多通信频段、多传输数据类数据通信；具体的无线通信模块分为：LoRa通信基站模块、ZigBee通信协调者模块、WiFi通信模块和4G通信模块；LoRa通信基站模块—用于构建边缘物联代理装置中短距离(市区：2-5公里，郊区最大15公里)星型网络拓扑传感器数据采集；ZigBee通信协调者模块用于构建边缘物联代理装置短距离(郊区小于1KM)星型或树形网络拓扑传感器数据采集；WiFi通信模块用于构建边缘物联代理装置近距离大数据通信传输；4G通信模块用于构建边缘物联代理装置远程北向大数据通信传输，4G模块支持双卡分别满足APN专网和通用外网；
有线通信模块用于构建多种数据类型有线数据通信；具体包括：3路1000M以太网，RJ45-1路用于北向数据远程通信，其余RJ45-2,RJ45-3路用于南向本地数据通信；PLC(Power Line Carrier)集中器—用于接收电力线上各个终端数据传感器数据传输；RS232、RS485用于南向通信各个终端数据节点数据传输；数字IO输入输出用于南向通信各个终端节点开关量数据传输；声光报警输出—用于提示现场工作人员。
系统电源供电模块分为3种方式：第一种为220VAC市电输入为系统供电；第二种为220VAC市电输入(可用于系统供电同时可用于电池充电供电电源)+内置Li电池供电(可拆卸替换)；第三种为220VAC市电输入(可用于系统供电同时可用于电池充电供电电源)+内置Li电池供电(可拆卸替换)+外置Li电池供电。
安全认证模块有2种安全认证方式，第一种是硬件加密芯片-ESAM；第二种是TF卡加密芯片的硬件加密芯片；
同时，该通信板具有能源分配功能和按键LED，能源分配功能由MCU控制各个子系统的电源供电、低功耗模式选择(与处理板CPU通信协调整机系统工作模式)、按键输入、LED输出、内置Li电池快充等；按键LED输入按键为用户提供开机按键、屏幕开关按键等输入，LED用于显示：系统供电状态、系统运行状态、电池运行状态。
具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的针对云-边混合物联网的数据传输与信息控制装置进一步限定，在本实施方式中，所述设备接入层包括RS485通讯模块、NB-IOT通讯模块、LORA通讯模块、ZigBee通讯模块、网络通讯模块、模拟量输入模块和视频接入模块；
RS485通讯模块，支持Modbus等协议，用于接入各类RS485协议设备数据；
NB-IOT通讯模块，支持NB-IOT通讯协议，用于接入各类NB-IOT协议设备数据；
LORA通讯模块，支持LORA通讯协议，用于接入各类LORA协议设备数据；
ZigBee通讯模块，支持ZigBee通讯协议，用于接入各类ZigBee协议设备数据；
网络通讯模块，基于以太网、Wifi或4G/5G网络硬件接口，用于接入各类TCP/IP协议网络设备数据；
模拟量输入模块，用于读取硬件IO模拟量输入数据；
视频接入模块，支持2路1080P视频接入，支持h.264/h.265解码，支持RTSP、国标28181协议，用于接入视频接入数据。
在本实施方式中，每种通讯模块针对该协议类型实现一个通用通讯协议框架，用于采集不同种类设备的数据；比如RS485实现一个基于RS485接口的通用通讯协议，例如MODBUS协议，要求接入的设备必须符合该协议，否则属于定制性开发；设备接入层支持第三方应用部署，不同应用可以实现不同数据接入协议，极大提升边缘物联代理设备的可扩展性；同时可配合上层平台，提供Docker应用下载、部署、管理的功能。
具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述的针对云-边混合物联网的数据传输与信息控制装置进一步限定，在本实施方式中，所述视频AI服务用于对视频数据进行AI智能解析，将视频数据转化为结构化数据；默认搭载的AI智能解析算法为山火检测或工程作业车辆检测。
具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一所述的针对云-边混合物联网的数据传输与信息控制装置进一步限定，在本实施方式中，所述AI模型管理服务用于管理AI算法模型和NPU加速硬件，初始化NPU硬件，对NPU硬件负载做均衡，载入、调度AI算法。
在本实施方式中，AI模型管理服务用于实现算法可替换性。
具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式一所述的针对云-边混合物联网的数据传输与信息控制装置进一步限定，在本实施方式中，所述数据解析服务，用于将传感器设备的原始数据解析成数值数据，将视频流解析成图像帧；还用于利用边缘物联代理网关自带的硬件加速数据解析速度。
在本实施方式中，加速数据解析速度可极大降低CPU的占用率，比如利用硬件解码芯片对视频H.264解码。
具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式一所述的针对云-边混合物联网的数据传输与信息控制装置进一步限定，在本实施方式中，所述数据计算服务用于对数值数据进行分析计算。
在本实施方式中，数值数据进行分析包括传感器数据分析、过滤和滤波。
具体实施方式七：本实施方式是对具体实施方式一所述的针对云-边混合物联网的数据传输与信息控制装置进一步限定，在本实施方式中，所述对外交互层包括MQTT通讯协议模块、多端发送模块、数据同步模块和数据安全加密模块；
MQTT通讯协议模块，在图像数据较少的情况下，MQTT通讯协议模块将图像数据转换为Base64编码格式，通过Json格式进行发送；在图片量较大情况下，或者需要传输视频文件的情况下，可使用MQTT通讯协议模块推送少量关键信息进行发送；例如检测结果，对应的大量图片和视频文件，采用HTTP传输，用multi-part/form-data格式来发送这些图片和视频文件，降低带宽占用；
多端发送模块，用于支持通过MQTT通讯协议模块给多个平台发送数据，发送数据频率为多种；
数据同步模块，将本地缓存数据同步到平台，网络环境正常情况下，本地如果包含缓存数据，启用该功能同步，完毕后清除本地缓存数据；
数据安全加密模块，采用硬件加解密或软件加解密两种方式；硬件加解密依赖硬件加密芯片设计的要求，软件加解密依赖上层平台安全机制；使用硬件加密方式时，主控从加密芯片获取秘钥文件，用于数据加解密，对端采用同样方式进行解密，实现数据保护。

Claims (7)

1.针对云-边混合物联网的数据传输与信息控制装置，其特征在于，该控制装置包括设备接入层、基础服务层、支持服务层、边缘应用层和对外交互层；
所述设备接入层，用于数据接入，通过不同种类的硬件通讯接口接入各类传感器设备，进行采集数据；
所述基础服务层包括设备控制模块、应用升级模块、数据缓存模块和数据存储模块；
设备控制模块，用于提供界面和API，对边缘物联代理设备进行系统配置管理；
应用升级模块，用于软件在线升级；
数据缓存模块，用于对采集数据进行分析处理，并缓存到本地，生成本地数据；
数据存储模块，用于对本地数据存储；
所述支持服务层，用于提供视频AI服务、AI模型管理服务、数据解析服务和数据计算服务；
所述边缘应用层，用于部署各类业务应用；
所述对外交互层，用于对外对接。
2.根据权利要求1所述的针对云-边混合物联网的数据传输与信息控制装置，其特征在于，所述设备接入层包括RS485通讯模块、NB-IOT通讯模块、LORA通讯模块、ZigBee通讯模块、网络通讯模块、模拟量输入模块和视频接入模块；
RS485通讯模块，支持Modbus等协议，用于接入各类RS485协议设备数据；
NB-IOT通讯模块，支持NB-IOT通讯协议，用于接入各类NB-IOT协议设备数据；
LORA通讯模块，支持LORA通讯协议，用于接入各类LORA协议设备数据；
ZigBee通讯模块，支持ZigBee通讯协议，用于接入各类ZigBee协议设备数据；
网络通讯模块，基于以太网、Wifi或4G/5G网络硬件接口，用于接入各类TCP/IP协议网络设备数据；
模拟量输入模块，用于读取硬件IO模拟量输入数据；
视频接入模块，支持2路1080P视频接入，支持h.264/h.265解码，支持RTSP、国标28181协议，用于接入视频接入数据。
3.根据权利要求1所述的针对云-边混合物联网的数据传输与信息控制装置，其特征在于，所述视频AI服务用于对视频数据进行AI智能解析，将视频数据转化为结构化数据；默认搭载的AI智能解析算法为山火检测或工程作业车辆检测。
4.根据权利要求1所述的针对云-边混合物联网的数据传输与信息控制装置，其特征在于，所述AI模型管理服务用于管理AI算法模型和NPU加速硬件，初始化NPU硬件，对NPU硬件负载做均衡，载入、调度AI算法。
5.根据权利要求1所述的针对云-边混合物联网的数据传输与信息控制装置，其特征在于，所述数据解析服务，用于将传感器设备的原始数据解析成数值数据，将视频流解析成图像帧；还用于利用边缘物联代理网关自带的硬件加速数据解析速度。
6.根据权利要求1所述的针对云-边混合物联网的数据传输与信息控制装置，其特征在于，所述数据计算服务用于对数值数据进行分析计算。
7.根据权利要求1所述的针对云-边混合物联网的数据传输与信息控制装置，其特征在于，所述对外交互层包括MQTT通讯协议模块、多端发送模块、数据同步模块和数据安全加密模块；
MQTT通讯协议模块，在图像数据较少的情况下，MQTT通讯协议模块将图像数据转换为Base64编码格式，通过Json格式进行发送；在图片量较大情况下，或者需要传输视频文件的情况下，可使用MQTT通讯协议模块推送少量关键信息进行发送；
多端发送模块，用于支持通过MQTT通讯协议模块给多个平台发送数据，发送数据频率为多种；
数据同步模块，将本地缓存数据同步到平台，同步完毕后清除本地缓存数据；
数据安全加密模块，采用硬件加解密或软件加解密两种方式；硬件加解密依赖硬件加密芯片设计的要求，软件加解密依赖上层平台安全机制；使用硬件加密方式时，主控从加密芯片获取秘钥文件，用于数据加解密，对端采用同样方式进行解密，实现数据保护。
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