CN113691497A - 一种基于KubeEdge和EdgeOS的物联网设备控制架构和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于KubeEdge和EdgeOS的物联网设备控制架构和方法,该架构具体为:所述KubeEdge包含云侧模块和边缘侧模块,所述云侧模块部署有云端节点,边缘侧模块部署有边缘节点,所述云侧模块管理边缘节点和发布边缘端应用,边缘侧模块执行边缘端应用部署和数据同步至云侧模块,所述边缘节点部署Device Mapper和MQTT Broker,所述EdgeOS配置有Gateway网关并通过该网关与端侧设备进行数据通信,所述Device Mapper以HTTP消息形式与Gateway网关交互,发布、订阅MQTT消息至MQTT Broker。本发明降低了KubeEdge侧设备管理开发的复杂度。
Description
技术领域
本发明涉及边缘计算领域,尤其涉及一种基于KubeEdge和EdgeOS的物联网设备控制架构和方法。
背景技术
随着物联网和5G技术的不断推进和发展,云计算应用的逐渐增加以及智能设备数据的急剧增加,对设备的接入和数据采集需求必然空前高涨。2010-2018年全球物联网设备数量高速增长,复合增长率达20.9%,2018年,全球物联网设备连接数量将高达91亿个。预测2025年全球物联网设备(包括蜂窝及非蜂窝)联网设备将达到252亿个。传统的设备实时监控、数据采集使用技术不能满足低延时和高带宽的要求。另一方面设备终端、底层系统、设备接入协议转换等功能模块都以单体模式开发,实现数据收集、处理、导出、设备控制等功能。这种系统设计和实现方式存在运维困难、功能模块不可重用。在后期的开发当中,系统适应性非常差,系统数据共享不方便。
KubeEdge是一个开源系统,设计之初,不仅聚焦于云边协同、边缘自治,也充分考虑了对端侧设备的管理能力。其具备的设备管理能力,能够通过边侧模块直达端侧设备,贯通云-边-端。但是由于端侧设备支持的协议类型众多,难以做到统一,KubeEdge仅仅提供了规范框架,需要开发人员根据不同的协议自行开发,这对于对那些对协议不了解的开发人员来说,十分困难。
EdgeOS是一个基于OpenWrt开发的物联网操作系统,具备工业协议解析、数据过滤和分发等核心功能,具有跨平台、易使用和二次开发等优点。具备可扩展的南北向接入能力,但是其能力主要聚焦于南向设备的接入管理,缺乏类似KubeEdge这类基于云原生架构的云边协同能力。
综上所述,亟需一种既能简化KubeEdge设备管理开发复杂度,有效屏蔽端侧设备差异性,又能在端侧接入丰富协议类型设备的方法。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述技术问题,本发明提出了一种基于KubeEdge和EdgeOS的物联网设备控制架构和方法,符合云边端架构,同时能有效屏蔽底层设备差异性,聚合不同系统的优势,提高了物联网平台的可扩展性以及提高边缘设备管理能力,其具体技术方案如下:
一种基于KubeEdge和EdgeOS的物联网设备控制架构,所述KubeEdge包含云侧模块和边缘侧模块,即云端和边缘端,所述云侧模块部署有云端节点,边缘侧模块部署有边缘节点,所述云侧模块管理边缘节点和发布边缘端应用,边缘侧模块执行边缘端应用部署和数据同步至云侧模块,所述边缘节点部署Device Mapper和MQTT Broker,所述EdgeOS配置有Gateway网关并通过该网关与端侧设备进行数据通信,所述Device Mapper以HTTP消息形式与Gateway网关交互,发布、订阅MQTT消息至MQTT Broker。
进一步的,所述云端节点包括:原生Kubernetes组件和CloudCore组件,所述原生Kubernetes组件包括:kube-apiserver,用于接收客户端请求;kube-scheduler,调度云端应用部署;kube-controller-manager,管理系统各种的微控制器。
进一步的,所述CloudCore组件包括:EdgeController,用于同步边缘侧模块和API-server信息,管理边缘节点和Pods的元数据;DeviceController,用于同步边缘侧模块的设备CRD信息与API-Server信息;CloudHub,基于websocket或者quic协议连接与边缘端通信,监听云端的变化,缓存并发送消息到边缘侧模块,实现云边通信。
进一步的,所述边缘节点还部署有Edgecore组件,所述Edgecore组件包括:
EdgeHub:负责与边缘计算的云服务交互,从云端的CloudHub接收信息转发到边缘侧模块,同时将边缘侧模块消息通过隧道发送到云侧模块,具体包括同步云端资源更新、报告边缘主机和设备状态变化到云端;
Edged:用于管理容器化的应用程序,保障云端下发pod以及对于各种配置、存储能够在边缘节点运行,并在异常之后进行自动检测、故障恢复;
EventBus:是与MQTT服务器mosquitto交互的MQTT客户端,为其他组件提供订阅和发布功能,作为用于发送/接收有关MQTT主题的消息接口;
ServiceBus:是运行在边缘端的HTTP客户端,接受来自云端的请求,与运行在边缘端的HTTP服务器交互;
DeviceTwin:负责存储物联网设备状态并将设备状态同步到云端,还为应用程序提供查询接口;
MetaManager:是消息处理器,位于Edged和Edgehub之间,后端对应一个本地的轻量级数据库SQLite,它负责向所述轻量级数据库SQLite存储/检索元数据。
进一步的,所述Gateway网关设有设备采集服务和设备数据导出服务,所述采集服务负责网关与端侧设备进行数据通信,采集设备数据,将采集的设备数据统一处理;所述数据导出服务负责网关跟云端进行数据通信。
一种基于KubeEdge和EdgeOS的物联网设备控制方法,包括如下步骤:
步骤一:预搭建Kubernetes集群,在云端节点部署云端核心模块Cloudcore,在边缘节点部署边缘核心模块EdgeCore和设备数据通信模块MQTT Broker;
步骤二:在云端创建device model/device instance,该CRD资源包括对设备功能的描述及设备属性的描述;
步骤三:开发Device Mapper,并部署运行在边缘节点,使之与EdgeOS的HekrGateway204网关通过http通信。
进一步的,所述Device Mapper用于http消息和MQTT消息的转换,具体为:发布、订阅MQTT消息到MQTT Broker和以http消息与Hekr Gateway204网关交互。
本发明的有益效果:
本发明集成了KubeEdge和EdgeOS的优势,打通云边端,简化了KubeEdge侧对于设备管理开发的复杂性,有效的屏蔽了开发不同协议类型的Device Mapper,同时发挥了EdgeOS的工业协议解析、数据过滤和分发等核心能力,解决工业互联网、智能交通、新零售等场景中物联网设备的高效管理和智能分析,实现设备管理在云端和边缘端的协同。
附图说明
图1是本发明的基于KubeEdge和EdgeOS的设备管理交互图;
图2是KubeEdge框架图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和技术效果更加清楚明白,以下结合说明书附图,对本发明作进一步详细说明。
如图1所示,本发明的一种基于KubeEdge和EdgeOS的物联网设备控制架构,具体包括以下内容:
基于KubeEdge实现云边协同、边缘自治、设备管理,KubeEdge是一个开源系统,用于将容器化应用程序编排功能扩展到Edge的主机,可以实现端侧设备的控制管理。
如图2所示,所述KubeEdge基于kubernetes构建,并为网络应用程序提供基础架构支持、云侧和边缘侧之间的部署和元数据同步,KubeEdge包含云侧模块和边缘侧模块,即云端和边缘端,所述云侧模块部署有云端节点,边缘侧模块部署有边缘节点,云侧模块管理边缘节点和发布边缘端应用,边缘侧模块执行边缘端应用部署和数据同步到云端,其提供两方面的能力:一方面管理边缘端负载应用,即以pod形式运行的服务,另一方面通过DeviceController/Device twin/Device mapper对端侧设备控制及其数据同步。
所述云侧模块部署有云端节点,即kubernetes主控节点,所述kubernetes主控节点包括:原生Kubernetes组件和CloudCore组件。所述原生Kubernetes组件包括:kube-apiserver,用于接收客户端请求;kube-scheduler,调度云端应用部署;kube-controller-manager,管理系统各种的微控制器。
所述CloudCore组件包括:
EdgeController,是一个扩展的Kubernetes控制器,用于同步边缘侧模块和API-server信息,管理边缘节点和Pods的元数据,确保数据能够传递到指定的边缘节点;
DeviceController,是一个扩展的Kubernetes控制器,用于同步边缘侧设备CRD信息与API-Server信息,管理边缘设备,确保设备信息、设备状态的云边同步。
CloudHub,是一个Web Socket服务端,基于websocket或者quic协议连接与边缘端通信,负责监听云端的变化,缓存并发送消息到边缘侧模块的EdgeHub,实现云边通信。
所述边缘侧模块部署有边缘节点,借助Kubernetes CRDs和与所使用设备相对应的Device mapper对设备进行控制,所述边缘节点包括:Edgecore组件和MQTT Broker组件。
所述Edgecore组件包括:
EdgeHub:是一个Web Socket客户端,负责与边缘计算的云服务交互,从云端接收信息转发到边缘侧模块,同时将边缘侧模块消息通过隧道发送到云端,具体包括同步云端资源更新、报告边缘主机和设备状态变化到云端等功能;
Edged:是运行在边缘节点的代理,用于管理容器化的应用程序,保障云端下发pod以及对于各种配置、存储能够在边缘节点运行,并在异常之后提供自动检测、故障恢复等能力;
EventBus:是一个与MQTT服务器mosquitto交互的MQTT客户端,为其他组件提供订阅和发布功能,充当用于发送/接收有关MQTT主题的消息接口;
ServiceBus:是一个运行在边缘的HTTP客户端,接受来自云上服务的请求,与运行在边缘端的HTTP服务器交互,提供了云上服务通过HTTP协议访问边缘端HTTP服务器的能力;
DeviceTwin:负责存储物联网设备状态并将设备状态同步到云端,还为应用程序提供查询接口;
MetaManager:是消息处理器,位于Edged和Edgehub之间,其后端对应一个本地的轻量级数据库SQLite,所有其他模块需要与云端通信的内容都会被保存到本地DB中,当需要查询数据时,如果本地DB中存在该数据,就会从本地获取,这样就避免了与云端之间频繁的网络交互。同时,在网络中断的情况下,本地的缓存的数据也能够保障其稳定运行,比如智能汽车进入到没有无线信号的隧道中,在通信恢复之后,重新同步数据,它负责向所述轻量级数据库SQLite存储/检索元数据。
通过Device controller和Device twin,管理云端的设备,并在边缘节点和云端之间同步设备更新。在MQTT Broker和Device mapper的协助下,实现边缘节点和端侧设备控制及数据交换,从而使得云-边-端能力贯通。
所述EdgeOS物联网边缘网关系统通过配置其工业网关Hekr Gateway204,实现网关对物联网子设备的采集数据、协议解析、分发数据等功能,所述工业网关HekrGateway204设有设备采集服务和设备数据导出服务,所述采集服务负责网关与子设备进行数据通信,采集子设备数据,将采集的子设备数据统一处理;所述数据导出服务负责网关跟北向的云服务平台进行数据通信。
其中,所述物联网子设备支持多种通信协议类型设备,如ModBus、Zigbee、BlueTooth等。
所述Hekr Gateway204网关是EdgeOS系统的核心部分,主要功能包括:
协议解析,支持多种通信协议,与子设备进行数据通信,采集子设备数据;
数据过滤,将采集的子设备数据统一处理;
数据分发,根据需要,与云服务平台数据通信,分发设备数据至不同平台。
所述EdgeOS物联网边缘网关系统是基于OpenWrt开发的专为适配边缘侧资源受限设备配置的轻量级物联网操作系统,具备工业协议解析、数据过滤和分发等核心功能,具有跨平台、易使用和二次开发等优点,具体包括:
可扩展的南向接入能力,支持多种数据接口:以太网、RS232、RS485、CAN,支持多种工业协议解析,协议包括:KNX、BACnet、ModBus TCP、ModBus RTU、DL/T645、OPC等;
可扩展的北向接入能力,支持多种云服务平台,包括EdgeX、Http、IoTOS等;
数据自动化,根据条件和表达式等进行数据过滤、计算、转发等操作;
数据可视化,将采集的数据进行可视化展示;
丰富的网络接入能力,支持GPRS、4G(LTE)、Wi-Fi、以太网接入方式;
跨多种硬件平台,支持不同体系结构:ARM、x86、x86-64、MIPS等,不同成本,不同性能的多种硬件网关设备;
后台管理界面,可以使用浏览器作为客户端连接到管理后台进行功能配置,配置支持导入导出、可在现场快速部署;
低内存资源占用,EdgeOS程序本身只占用不到128MB的运行内存,运行不同协议的采集和云服务交互任务也有极低的内存占用表现;
EdgeOS系统被设计为可扩展的结构,通过编写成为模块的程序,可以让EdgeOS支持更多的数据采集协议或更多类型的子设备,也可以将数据以自定义的格式发送到自己的服务端。
基于上述架构,本发明的一种基于KubeEdge和EdgeOS的物联网设备控制方法,包括如下步骤:
步骤一:预搭建Kubernetes集群,在云端节点部署云端核心模块Cloudcore,在边缘节点部署边缘核心模块EdgeCore和设备数据通信模块MQTT Broker;
步骤二:在云端创建device model/device instance,该CRD资源包括对设备功能的描述及设备属性的描述;
步骤三:开发Device Mapper,并部署运行在边缘节点,使之与EdgeOS的HekrGateway204网关通过http通信。
所述Device Mapper用于http消息和MQTT消息的转换,向上发布、订阅MQTT消息到MQTT Broker,向下以http消息与Hekr Gateway204网关交互。
以上所述,仅为本发明的优选实施案例,并非对本发明做任何形式上的限制。虽然前文对本发明的实施过程进行了详细说明,对于熟悉本领域的人员来说,其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行同等替换。凡在本发明精神和原则之内所做修改、同等替换等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于KubeEdge和EdgeOS的物联网设备控制架构,其特征在于,所述KubeEdge包含云侧模块和边缘侧模块,即云端和边缘端,所述云侧模块部署有云端节点,边缘侧模块部署有边缘节点,所述云侧模块管理边缘节点和发布边缘端应用,边缘侧模块执行边缘端应用部署和数据同步至云侧模块,所述边缘节点部署Device Mapper和MQTT Broker,所述EdgeOS配置有Gateway网关并通过该网关与端侧设备进行数据通信,所述Device Mapper以HTTP消息形式与Gateway网关交互,发布、订阅MQTT消息至MQTT Broker。
2.如权利要求1所述的一种基于KubeEdge和EdgeOS的物联网设备控制架构,其特征在于,所述云端节点包括:原生Kubernetes组件和CloudCore组件,所述原生Kubernetes组件包括:kube-apiserver,用于接收客户端请求;kube-scheduler,调度云端应用部署;kube-controller-manager,管理系统各种的微控制器。
3.如权利要求2所述的一种基于KubeEdge和EdgeOS的物联网设备控制架构,其特征在于,所述CloudCore组件包括:EdgeController,用于同步边缘侧模块和API-server信息,管理边缘节点和Pods的元数据;DeviceController,用于同步边缘侧模块的设备CRD信息与API-Server信息;CloudHub,基于websocket或者quic协议连接与边缘端通信,监听云端的变化,缓存并发送消息到边缘侧模块,实现云边通信。
4.如权利要求1所述的一种基于KubeEdge和EdgeOS的物联网设备控制架构,其特征在于,所述边缘节点还部署有Edgecore组件,所述Edgecore组件包括:
EdgeHub:负责与边缘计算的云服务交互,从云端的CloudHub接收信息转发到边缘侧模块,同时将边缘侧模块消息通过隧道发送到云侧模块,具体包括同步云端资源更新、报告边缘主机和设备状态变化到云端;
Edged:用于管理容器化的应用程序,保障云端下发pod以及对于各种配置、存储能够在边缘节点运行,并在异常之后进行自动检测、故障恢复;
EventBus:是与MQTT服务器mosquitto交互的MQTT客户端,为其他组件提供订阅和发布功能,作为用于发送/接收有关MQTT主题的消息接口;
ServiceBus:是运行在边缘端的HTTP客户端,接受来自云端的请求,与运行在边缘端的HTTP服务器交互;
DeviceTwin:负责存储物联网设备状态并将设备状态同步到云端,还为应用程序提供查询接口;
MetaManager:是消息处理器,位于Edged和Edgehub之间,后端对应一个本地的轻量级数据库SQLite,它负责向所述轻量级数据库SQLite存储/检索元数据。
5.如权利要求1所述的一种基于KubeEdge和EdgeOS的物联网设备控制架构,其特征在于,所述Gateway网关设有设备采集服务和设备数据导出服务,所述采集服务负责网关与端侧设备进行数据通信,采集设备数据,将采集的设备数据统一处理;所述数据导出服务负责网关跟云端进行数据通信。
6.一种基于KubeEdge和EdgeOS的物联网设备控制方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤一:预搭建Kubernetes集群,在云端节点部署云端核心模块Cloudcore,在边缘节点部署边缘核心模块EdgeCore和设备数据通信模块MQTT Broker;
步骤二:在云端创建device model/device instance,该CRD资源包括对设备功能的描述及设备属性的描述;
步骤三:开发Device Mapper,并部署运行在边缘节点,使之与EdgeOS的Gateway网关通过http通信。
7.如权利要求6所述的一种基于KubeEdge和EdgeOS的物联网设备控制方法,其特征在于,所述Device Mapper用于http消息和MQTT消息的转换,具体为:发布、订阅MQTT消息到MQTT Broker和以http消息与Gateway网关交互。
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