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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2021
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