CN113542365B - 基于多场景应用的端边物联网平台架构 - Google Patents

Abstract

本发明提供基于多场景应用的端边物联网平台架构，包括物联网平台与物联网边缘网关系统，物联网平台包括核心服务处理单元与外部系统，核心服务处理单元包括传输微服务模块与JavaScript执行器微服务模块；物联网边缘网关系统包括：设备服务模块用于接入外部设备、采集设备数据并将获取的数据传输至核心数据微服务单元、加载并管理对应设备；核心服务模块为数据采集单元采集的数据提供集中存储、通过元数据微服务单元获取设备的配置信息、由设备微服务向设备转发命令、管理与物联网边缘网关系统连接并由其操作的设备的信息；应用服务模块，对感知数据进行提取、处理或转换并将它们从物联网边缘网关系统发送至用户指定的位置。

Description

基于多场景应用的端边物联网平台架构

技术领域

本发明涉及物联网平台架构技术领域，具体涉及基于多场景应用的端边物联网平台架构。

背景技术

智能终端和云的完美结合，是人工智能未来的方向，在智能互联网的时代，设备、人工智能与服务一体化是大势所趋。随着智能设备越来越多，它们之间的互联互通、协同应用就变得越来越迫切，越来越重要。

然而，随着物联网接入设备的多样化，设备差异性问题日益突出，导致每一个应用场景定制服务耗时、耗力；物联网平台提供的PaaS服务一般由公有云供应商提供，并且只能依附其IaaS提供，导致不能灵活部署应用场景的物联网服务；一些物联网设备厂商构建自己的生态，将用户的数据通过自己的平台提供给用户使用，导致用户数据严重泄漏。

申请号为CN108270855A的发明提供了一种物联网平台接入设备的方法，其：接入设备须为可运行MQTT客户端的设备且具有完整的TCP/IP协议栈，平台设备为支持MQTT协议的服务器，负责整个MQTT协议的接收和发送，平台系统提供设备接入服务、数据网关服务、自动化服务、数据报表服务和应用服务，设备接入服务、数据网关服务、自动化服务、数据报表服务和应用服务之间的通讯通过远程过程调用实现，平台系统采用微服务架构，通过Docker以虚拟容器化的方式运行，每个服务都是一个Docker容器，平台系统具有Web页面端和移动APP客户端，对接入设备、服务器均有对应的要求与限制，适用范围比较窄，不能灵活部署应用场景的物联网服务。

发明内容

本发明的目的是提供基于多场景应用的端边物联网平台架构，快速、便捷的实现不同应用场景的物联网定制服务需求。

本发明提供了如下的技术方案：

基于多场景应用的端边物联网平台架构，包括物联网平台与物联网边缘网关系统，所述物联网平台包括核心服务处理单元与外部系统，所述核心服务处理单元包括传输微服务模块与JavaScript执行器微服务模块；

所述物联网边缘网关系统包括：

设备服务模块，包括设备管理单元、数据采集单元与设备服务单元，所述设备管理单元用于接入外部设备，所述数据采集单元通过传感器和执行器采集设备数据并将获取的数据传输至核心数据微服务单元，所述设备服务单元能够同时服务一个或多个设备，加载并管理对应设备；

核心服务模块包括核心数据微服务单元、命令微服务单元与元数据微服务单元，所述核心数据微服务单元为所述数据采集单元采集的数据提供集中存储，其他系统与服务只能通过所述核心数据微服务单元访问采集数据；所述命令微服务单元通过所述元数据微服务单元获取设备的配置信息，在通过GET或PUT由设备微服务向设备转发命令；所述元数据微服务单元管理与所述物联网边缘网关系统连接并由其操作的设备的信息；

应用服务模块，对感知数据进行提取、处理或转换并将它们从所述物联网边缘网关系统发送至用户指定的位置。

优选的，在所述外部系统里，能够通过规则引擎将消息或数据从所述物联网平台推送到所述外部系统，所述外部系统处理数据并将处理结果报告回所述物联网平台进行可视化。

优选的，所述设备管理单元通过SDK工具包以及硬件接口实现数据的接入，所述硬件接口包括有线接口与无线接口。

优选的，所述有线接口包括RS-485、RS-232、Ethernet和USB接口，所述无线接口包括蓝牙、LoRaWAN与CAN接口。

优选的，所述外部设备的接入方法包括以下步骤：

S1、设备发送接入请求，判断所述物联网边缘网关系统上是否已有对应接口，若确认存在对应接口，进行步骤S2，若未有接口，通过适配器转换完成后再进行步骤S2；

S2、判断所述物联网边缘网关系统上是否有相应协议的设备服务，若存在，则进入步骤S3，若未有协议服务，则根据协议应用SDK工具快速生成协议的设备服务并添加，添加完成后进行步骤S3；

S3、判断是所述物联网边缘网关系统上是否已有设备描述文件，若存在，则通过API接口添加设备，若未有设备描述文件，则根据要添加设备的手册生成设备描述文件，并添加到设备库中，再通过API接口添加设备，实现设备的接入。

优选的，所述数据采集单元通过RSET接口将数据传输至所述核心数据微服务单元。

优选的，所述核心数据微服务单元还能够在数据处于边缘时，对数据进行保护性采集。

优选的，所述命令微服务单元还可以对设备上的请求数量进行调节，还可以在必要情况下缓存响应。

优选的，所述元数据微服务单元采集的设备信息包括获取设备上报数据的类型和组成、获取设备的命令方式。

本发明的有益效果是：本发明关于设备的接入，统一接口，实现上层应用与传感设备厂商系统及设备的解耦；本发明是实现了对下层全网监测感知设备多协议、多方式广泛接入，网存量和新建传感设备的统一管理和数据汇聚；支持CoAP、MQTT、Modbus、OPC、LoRa等多协议的接入；本发明对接现网已建的数据采集系统，实现存量传感设备的管理和数据采集，使数据服务标准化，利用物联网边缘网关系统和物联网平台组成的端边物联网系统架构，快速、便捷的实现不同应用场景的物联网定制服务需求。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明系统架构框图；

图2是本发明物联网平台整体架构图；

图3是本发明物联网边缘网关系统架构图；

图4是本发明物联网边缘网关系统松散耦合服务框架图；

图5是本发明的设备管理单元的设备管理接入流程图；

图6是本发明的设备服务模块程序逻辑图；

图7是本发明的应用服务模块程序逻辑图。

具体实施方式

实施例一

如图1所示，基于多场景应用的端边物联网平台架构，包括物联网平台与物联网边缘网关系统。

如图2所示，物联网平台包括核心服务处理单元与外部系统，核心服务处理单元包括传输微服务模块与JavaScript执行器微服务模块，其中在外部系统里，能够通过规则引擎将消息或数据从物联网平台推送到外部系统，外部系统处理数据并将处理结果报告回物联网平台进行可视化。

如图3所示，物联网边缘网关系统是一个跨平台的、可交互操作的网络边缘系统。它可与物理世界的设备、传感器、执行器以及其它IoT对象进行交互，在传感器及执行器与IT系统之间提供服务，它是连接物联网中的“物”与“云”的桥梁。

如图1-图6所示，物联网边缘网关系统包括：

设备服务模块，包括设备管理单元、数据采集单元与设备服务单元。

设备管理单元用于接入外部设备；

数据采集单元通过传感器和执行器采集设备数据并将获取的数据传输至核心数据微服务单元，其中，设备服务使用传感器的通信协议进行数据采集，核心数据微服务单元将传感器数据保存在本地边缘数据库中，缺省使用Redis作为数据库，也可以选择其它数据库，实际使用中如果不需要保存数据则可以关闭该功能；

设备服务单元能够同时服务一个或多个设备，加载并管理对应设备，其中，设备服务所管理的设备，可以不是简单的、单一的物理设备，该设备可能是一个边缘/物联网网关(和连接在该网关上的所有设备)，一个设备管理器，一个传感器集中器，一个通过HTTP提供的网络服务，或一个软件传感器，作为一个设备，或设备的集合到边缘网关上。

综上，设备服务提供了所有设备服务所需要的通用脚手架代码和便捷的方法，使创建设备服务变得更加容易，使用SDK还有助于确保设备服务遵守设备服务所需的规则。

进一步的，所有的设备服务模块均完成以下任务：

(1)向核心元数据服务注册：让边缘网关知道它正在运行并随时可以管理设备，迅速获取所有新信息；

(2)从边缘网关的配置服务获取其配置信息，如果配置服务没有被使用，可从本地获取配置文件；

(3)用注册表服务(运行时)注册自己的边缘网关运行微服务，从而允许其他网关服务与之通信；

(4)加载并管理其知道如何通信的物理设备,此过程称为设备配置，在某些情况下，设备服务可能具有自动检测和配置设备的方式；

(5)监视配置更改，并在适当的情况下应用新配置，但是在某些情况下，不能动态应用配置更改(例如：更改设备服务的操作端口)；

(6)获取传感器数据(即采集传感器数据)，并通过REST接口将数据传递给核心数据微服务。

如图1-图4、图7所示，核心服务模块包括核心数据微服务单元、命令微服务单元与元数据微服务单元。

核心数据微服务单元为数据采集单元采集的数据提供集中存储，其他系统与服务只能通过核心数据微服务单元访问采集数据，核心数据微服务单元还能够在数据处于边缘时，对数据进行保护性采集；

命令微服务单元通过元数据微服务单元获取设备的配置信息，在通过GET或PUT由设备微服务向设备转发命令，它是物联网边缘网关系统北侧的命令或动作请求到特定协议的设备服务和相关设备的代理服务，不直接与设备通信；命令微服务可以在设备周围提供一层保护，可以增加额外的安全性，不允许与设备进行不必要的交互(通过设备服务)；命令服务还可以调节设备上的请求数量，以免使设备过载，甚至在必要的情况下可以缓存响应，以避免唤醒设备；

元数据微服务单元管理与物联网边缘网关系统连接并由其操作的设备的信息，设备信息包括获取设备上报数据的类型和组成、获取设备的命令方式。

综上，核心服务模块在几个物联网边缘网关系统的实例边缘数据同时被发送到一个中心位置时，将数据与其来源联系起来是至关重要的，该来源可以由传感器的GPS位置、传感器的名称或标识(ID)、最初收集数据的一些边缘网关的名称或标识来指定，也可以由许多其他方式来指定；

物联网边缘网关系统可以为事件数据打标签“tag”，贯穿在组成系统的所有微服务中，事件对象有一个Tags属性，它是一个键/值对映射，允许任何创建或以其他方式处理事件的服务向事件添加自定义标签信息，以帮助识别它的来源或在它被发送到北侧之前以其他方式标识它。

如图1-图7所示，应用服务模块，对感知数据进行提取、处理或转换并将它们从物联网边缘网关系统发送至用户指定的位置，同时，应用服务可以处理物联网边缘网关系统的事件(及其包含的传感器数据，并将其传输到数据分析包)。缺省情况下，数据分析包可以替换或增强本地规则引擎。

实施例二

如图5所示，相比于实施例一，本实施例的设备管理单元通过SDK工具包以及硬件接口实现数据的接入，采用了灵活的接入方式，便于快速的接入设备。

硬件接口包括有线接口与无线接口，其中，有线接口包括RS-485、RS-232、Ethernet和USB接口，无线接口包括蓝牙、LoRaWAN与CAN接口。

其中，外部设备的接入方法包括以下步骤：

S1、设备发送接入请求，判断物联网边缘网关系统上是否已有对应接口，若确认存在对应接口，进行步骤S2，若未有接口，通过适配器转换完成后再进行步骤S2；

S2、判断物联网边缘网关系统上是否有相应协议的设备服务，若存在，则进入步骤S3，若未有协议服务，则根据协议应用SDK工具快速生成协议的设备服务并添加，添加完成后进行步骤S3；

S3、判断是物联网边缘网关系统上是否已有设备描述文件，若存在，则通过API接口添加设备，若未有设备描述文件，则根据要添加设备的手册生成设备描述文件，并添加到设备库中，再通过API接口添加设备，实现设备的接入。

本实施例的其他部件及原理与实施例一相同。

综上，本发明关于设备的接入，统一接口，实现上层应用与传感设备厂商系统及设备的解耦；本发明是实现了对下层全网监测感知设备多协议、多方式广泛接入，网存量和新建传感设备的统一管理和数据汇聚；支持CoAP、MQTT、Modbus、OPC、LoRa等多协议的接入；本发明对接现网已建的数据采集系统，实现存量传感设备的管理和数据采集，使数据服务标准化，利用物联网边缘网关系统和物联网平台组成的端边物联网系统架构，快速、便捷的实现不同应用场景的物联网定制服务需求，本系统架构能够在工业互联网、能源、智能家庭、智慧交通、安防监控、农业生产、智慧水利、医疗保健、云游戏等场景中应用。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.基于多场景应用的端边物联网平台架构，其特征在于，包括物联网平台与物联网边缘网关系统，所述物联网平台包括核心服务处理单元与外部系统，所述核心服务处理单元包括传输微服务模块与JavaScript执行器微服务模块；

所述物联网边缘网关系统包括：

设备服务模块，包括设备管理单元、数据采集单元与设备服务单元，所述设备管理单元用于接入外部设备，所述数据采集单元通过传感器和执行器采集设备数据并将获取的数据传输至核心数据微服务单元，所述设备服务单元能够同时服务一个或多个设备，加载并管理对应设备；

核心服务模块包括核心数据微服务单元、命令微服务单元与元数据微服务单元，所述核心数据微服务单元为所述数据采集单元采集的数据提供集中存储，其他系统与服务只能通过所述核心数据微服务单元访问采集数据；所述命令微服务单元通过所述元数据微服务单元获取设备的配置信息，在通过GET或PUT由设备微服务向设备转发命令；所述元数据微服务单元管理与所述物联网边缘网关系统连接并由其操作的设备的信息；

应用服务模块，对感知数据进行提取、处理或转换并将它们从所述物联网边缘网关系统发送至用户指定的位置。

2.根据权利要求1所述的基于多场景应用的端边物联网平台架构，其特征在于，在所述外部系统里，能够通过规则引擎将消息或数据从所述物联网平台推送到所述外部系统，所述外部系统处理数据并将处理结果报告回所述物联网平台进行可视化。

3.根据权利要求1所述的基于多场景应用的端边物联网平台架构，其特征在于，所述设备管理单元通过SDK工具包以及硬件接口实现数据的接入，所述硬件接口包括有线接口与无线接口。

4.根据权利要求3所述的基于多场景应用的端边物联网平台架构，其特征在于，所述有线接口包括RS-485、RS-232、Ethernet和USB接口，所述无线接口包括蓝牙、LoRaWAN与CAN接口。

5.根据权利要求3所述的基于多场景应用的端边物联网平台架构，其特征在于，所述外部设备的接入方法包括以下步骤：

S1、设备发送接入请求，判断所述物联网边缘网关系统上是否已有对应接口，若确认存在对应接口，进行步骤S2，若未有接口，通过适配器转换完成后再进行步骤S2；

S2、判断所述物联网边缘网关系统上是否有相应协议的设备服务，若存在，则进入步骤S3，若未有协议服务，则根据协议应用SDK工具快速生成协议的设备服务并添加，添加完成后进行步骤S3；

S3、判断是所述物联网边缘网关系统上是否已有设备描述文件，若存在，则通过API接口添加设备，若未有设备描述文件，则根据要添加设备的手册生成设备描述文件，并添加到设备库中，再通过API接口添加设备，实现设备的接入。

6.根据权利要求1所述的基于多场景应用的端边物联网平台架构，其特征在于，所述数据采集单元通过RSET接口将数据传输至所述核心数据微服务单元。

7.根据权利要求1所述的基于多场景应用的端边物联网平台架构，其特征在于，所述核心数据微服务单元还能够在数据处于边缘时，对数据进行保护性采集。

8.根据权利要求1所述的基于多场景应用的端边物联网平台架构，其特征在于，所述命令微服务单元还可以对设备上的请求数量进行调节，还可以在必要情况下缓存响应。

9.根据权利要求1所述的基于多场景应用的端边物联网平台架构，其特征在于，所述元数据微服务单元采集的设备信息包括获取设备上报数据的类型和组成、获取设备的命令方式。