CN113783870A - 一种基于智慧路杆的远程多回路网关及其使用方法 - Google Patents

一种基于智慧路杆的远程多回路网关及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于网关设备技术领域，尤其是涉及一种基于智慧路杆的远程多回路网关，包括：物联网系统架构，物联网系统架构包括设备层、MQTT边缘网关层、物联网云平台层以及应用层；设备层包括微型电脑、传感模块和通信模块，微型电脑内还包括网络接口模块和控制器模块，网络接口模块负责接收和发送网关与MQTT服务器通信的数据。本发明采用的MQTT边缘通信网关被设计部署在网络侧边缘，装置安放于多业务智能灯杆“体”内。这种架构的好处是采用低成本的无线窄带低功耗技术，以灯杆位置为参照点，便捷实现传感器终端的数据采集和汇聚，也便于城市数据采集平台的灵活扩展和快速实施。

Description

一种基于智慧路杆的远程多回路网关及其使用方法
技术领域
本发明涉及网关设备技术领域，尤其涉及一种基于智慧路杆的远程多回路网关及其使用方法。
背景技术
在智慧城市领域建设中，路灯灯杆作为城市照明载体，是城市建设设施中数量最多、密度最大的基础设施。如果通过对路灯灯杆进行升级改造，升级成为一种集灯控、网络、服务于一体的智慧灯杆，使路灯在完成基本照明功能的同时承担其他公共服务功能，为城市管理、公共安全、信息采集、无线城市等诸多领域提供新型设施和便利条件。
当前物联网中数据的增长大大超过了网络带宽的增速，这对物联网通信提出了巨大挑战，在通信中，根据定义，通信协议就是双方实体为完成通信或服务而必须遵循的规则和约定，是实现通信的基础。因此，如果要解决物联网中的通信问题，就必须从通信协议入手而通信协议又是通信中的关键问题。
为此，我们提出一种基于智慧路杆的远程多回路网关及其使用方法来解决上述问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种基于智慧路杆的远程多回路网关及其使用方法。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种基于智慧路杆的远程多回路网关，包括：物联网系统架构，所述物联网系统架构包括设备层、MQTT边缘网关层、物联网云平台层以及应用层；所述设备层包括微型电脑、传感模块和通信模块，所述微型电脑内还包括网络接口模块和控制器模块，所述网络接口模块负责接收和发送网关与MQTT服务器通信的数据，所述控制器模块用于实现MQTT协议；所述MQTT边缘网关层由客户端和代理服务器两部分组成，所述代理服务器用于消息路由并且连接有多个客户端，所述客户端是作为消息的发布者和接收者；所述MQTT边缘网关层汇聚采集设备的数据，实现不同设备不同协议的适配，统一转换为MQTT协议，再通过内置的MQTT客户端与物联网云平台以及应用层通信；所述物联网云平台层和应用层均支持MQTT协议。
在上述的基于智慧路杆的远程多回路网关中，所述设备层上连接有可配置、可插拔的OSGi插件，所述OSGi插件可实现多个串口设备的数据采集和通信功能，所述OSGi插件用于与串口设备的连接和与云端服务器的通信，且与串口设备的连接和与云端服务器的通信功能分别由串口bundle和通信bundle实现。
在上述的基于智慧路杆的远程多回路网关中，所述串口bundle与多路串口设备连接并根据串口设备的不同动态配置串口通信数据格式和波特率参数；所述通信bundle可根据数据来源不同将数据以消息的形式发送到MQTT代理服务器；所述串口bundle与通信bundle之间的通信采用基于事件的实时通信，且串口bundle将实时获取的数据以事件的方式发送给通信bundle。
在上述的基于智慧路杆的远程多回路网关中，所述MQTT协议包括MQTT消息代理和MQTT客户端，所述MQTT客户端直接通过MQTT协议与消息代理连接并通过消息代理进行消息过滤，所述MQTT边缘网关层内置有小型数据库和边缘计算操作系统用于实现边缘存储功能和开发边缘应用。
一种基于智慧路杆的远程多回路网关的使用方法，包括以下步骤：
S1、在灯杆节点处部署MQTT边缘通信网关，实现节点周围的物联设备的接入和数据的采集收集；
S2、采用MQTT协议与服务器进行实时通信，MQTT协议不仅网络流量开销小，而且提供三种不同消息传递等级，让消息能按需到达目的地，适应在不稳定工作的网络传输需求；
S3、设备层的控制器模块接收到服务器下发指令并分析处理后，可以对外部连接设备的交换机芯片和继电器开关进行控制，并且可实现对任意回路网络通断及电压输出控制的功能。
在上述的基于智慧路杆的远程多回路网关的使用方法中，所述MQTT的工作原理包括以下步骤：
(1)使用发布/订阅消息的模式，提供一对多的消息发布，并实现应用程序的解耦合；
(2)实现对负载内容进行屏蔽的消息传输；
(3)提供三种消息发布的服务，用户能够针对网络的实际情况以及服务要求选择三种不同的通信质量等级；
(4)支持遗嘱机制，根据用户设置的遗嘱机制，当由于网络因素等非正常原因导致终端连接断开时，将以发布话题的方式通知可能对该终端感兴趣的其他终端。
在上述的基于智慧路杆的远程多回路网关的使用方法中，三种所述不同的通信质量等级分别为：
1、“至多一次”，消息发布完全依赖底层网络的TCP/IP，可能发生消息丢失，这一等级适用于环境数据采集等应用场景，丢失一次数据影响不大，因为不久后还会有第二次的数据发送；
2、“至少一次”，能够确保消息到达，但消息可能会重复发送；
3、“只有一次”，确保消息到达一次，这一等级适用于可靠的消息送达的应用场景。
在上述的基于智慧路杆的远程多回路网关的使用方法中，所述MQTT边缘网关层内置有小型数据库和边缘计算操作系统，根据不同的用户的需要可以灵活地定义物联网的边缘计算的功能，可以采用两条路径，一是微服务的升级模式，允许用户把部分云平台上的功能放在边缘计算平台运行；二是边缘层向云平台层的渗透，利用边缘层的能力实现云平台的部分核心产品及服务，在边缘层实现部分的数据库、存储、安全等功能或服务。
与现有技术相比，本一种基于智慧路杆的远程多回路网关及其使用方法的优点在于：
1、本发明具有可扩展性强、开发快捷、使用灵活等特点，解决了网关与设备的联网问题，在快速网关原型设计中具有一定的实用价值，同时系统的插件设计方法，也为未来网关兼容更多的底层设备和通信协议提供了一种有效的方法。
2、本发明中采用的MQTT边缘通信网关被设计部署在网络侧边缘，装置安放于多业务智能灯杆“体”内。这种架构的好处是采用低成本的无线窄带低功耗技术，以灯杆位置为参照点，便捷实现传感器终端的数据采集和汇聚，也便于城市数据采集平台的灵活扩展和快速实施。
附图说明
图1为本发明提出的一种基于智慧路杆的远程多回路网关及其使用方法的物联网系统架构与MQTT协议的对应关系图；
图2为本发明提出的一种基于智慧路杆的远程多回路网关及其使用方法的系统硬件架构图；
图3为本发明提出的一种基于智慧路杆的远程多回路网关及其使用方法的方法步骤图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例
参照图1-2，一种基于智慧路杆的远程多回路网关，包括：物联网系统架构，物联网系统架构包括设备层、MQTT边缘网关层、物联网云平台层以及应用层。
其中，设备层包括微型电脑、传感模块和通信模块，微型电脑内还包括网络接口模块和控制器模块，网络接口模块负责接收和发送网关与MQTT服务器通信的数据，控制器模块用于实现MQTT协议。
具体的，设备层上连接有可配置、可插拔的OSGi插件，OSGi插件可实现多个串口设备的数据采集和通信功能，OSGi插件用于与串口设备的连接和与云端服务器的通信，且与串口设备的连接和与云端服务器的通信功能分别由串口bundle和通信bundle实现，进一步的，串口bundle与多路串口设备连接并根据串口设备的不同动态配置串口通信数据格式和波特率参数；通信bundle可根据数据来源不同将数据以消息的形式发送到MQTT代理服务器；串口bundle与通信bundle之间的通信采用基于事件的实时通信，且串口bundle将实时获取的数据以事件的方式发送给通信bundle，网关连接的串口可动态设置，网关支持多串口设备同时连接到一个网关，每一个串口的参数信息可以动态改变，包括串口名称、波特率且要求在串口设备工作时动态完成不同设备之间的切换。
其中，MQTT边缘网关层由客户端和代理服务器两部分组成，代理服务器用于消息路由并且连接有多个客户端，客户端是作为消息的发布者和接收者；MQTT边缘网关层汇聚采集设备的数据，实现不同设备不同协议的适配，统一转换为MQTT协议，再通过内置的MQTT客户端与物联网云平台以及应用层通信；物联网云平台层和应用层均支持MQTT协议。
具体的，MQTT协议包括MQTT消息代理和MQTT客户端，MQTT客户端直接通过MQTT协议与消息代理连接并通过消息代理进行消息过滤，MQTT边缘网关层内置有小型数据库和边缘计算操作系统用于实现边缘存储功能和开发边缘应用，所提MQTT边缘通信网关被设计部署在网络侧边缘，这种架构的好处是:采用低成本的无线窄带低功耗技术，以灯杆位置为参照点，便捷实现传感器终端的数据采集和汇聚；分布式边缘计算的架构，大大减少占用云计算中心的宝贵计算资源和带宽，也便于城市数据采集平台的灵活扩展和快速实施。
一种基于智慧路杆的远程多回路网关的使用方法，包括以下步骤：
S1、在灯杆节点处部署MQTT边缘通信网关，实现节点周围的物联设备的接入和数据的采集收集；
S2、采用MQTT协议与服务器进行实时通信，MQTT协议不仅网络流量开销小，而且提供三种不同消息传递等级，让消息能按需到达目的地，适应在不稳定工作的网络传输需求；
S3、设备层的控制器模块接收到服务器下发指令并分析处理后，可以对外部连接设备的交换机芯片和继电器开关进行控制，并且可实现对任意回路网络通断及电压输出控制的功能。
其中，MQTT的工作原理包括以下步骤：
(1)使用发布/订阅消息的模式，提供一对多的消息发布，并实现应用程序的解耦合；
(2)实现对负载内容进行屏蔽的消息传输；
(3)提供三种消息发布的服务，用户能够针对网络的实际情况以及服务要求选择三种不同的通信质量等级；
(4)支持遗嘱机制，根据用户设置的遗嘱机制，当由于网络因素等非正常原因导致终端连接断开时，将以发布话题的方式通知可能对该终端感兴趣的其他终端。
具体的，三种不同的通信质量等级分别为：
1、“至多一次”，消息发布完全依赖底层网络的TCP/IP，可能发生消息丢失，这一等级适用于环境数据采集等应用场景，丢失一次数据影响不大，因为不久后还会有第二次的数据发送；
2、“至少一次”，能够确保消息到达，但消息可能会重复发送；
3、“只有一次”，确保消息到达一次，这一等级适用于可靠的消息送达的应用场景。
其中，MQTT边缘网关层内置有小型数据库和边缘计算操作系统，根据不同的用户的需要可以灵活地定义物联网的边缘计算的功能，可以采用两条路径，一是微服务的升级模式，允许用户把部分云平台上的功能放在边缘计算平台运行；二是边缘层向云平台层的渗透，利用边缘层的能力实现云平台的部分核心产品及服务，在边缘层实现部分的数据库、存储、安全等功能或服务。
在具体的运用过程中，在灯杆节点处部署了前述的MQTT边缘通信网关，其主要作用是:汇聚接入节点周围的设备，包括但不仅限于井盖传感器、垃圾桶传感器、智慧灌溉控制器、路灯照明控制器、灯杆信息屏控制器、位于灯杆上的环境监测传感器(空气温度、湿度、PM2.5)；这种架构的好处是采用低成本的无线窄带低功耗技术，以灯杆位置为参照点，便捷实现传感器终端的数据采集和汇聚，也便于城市数据采集平台的灵活扩展和快速实施。
上述设备的接口和采集协议各不相同，需要各自与边缘通信网关做对接适配工作，同时把所有采集到通信网关的数据做协议转换，统一转换为MQTT协议格式，交由通信网关内置的MQTTClient，与云端的MQTT消息代理建立通信，通信网关收集到的数据也可以根据需要转发到其他指定服务器存储或分析处理，通过汇聚采集设备的数据，以实现不同协议的适配，并统一转换为MQTT协议进行通信。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于智慧路杆的远程多回路网关，其特征在于，包括：
物联网系统架构，所述物联网系统架构包括设备层、MQTT边缘网关层、物联网云平台层以及应用层；
所述设备层包括微型电脑、传感模块和通信模块，所述微型电脑内还包括网络接口模块和控制器模块，所述网络接口模块负责接收和发送网关与MQTT服务器通信的数据，所述控制器模块用于实现MQTT协议；
所述MQTT边缘网关层由客户端和代理服务器两部分组成，所述代理服务器用于消息路由并且连接有多个客户端，所述客户端是作为消息的发布者和接收者；所述MQTT边缘网关层汇聚采集设备的数据，实现不同设备不同协议的适配，统一转换为MQTT协议，再通过内置的MQTT客户端与物联网云平台以及应用层通信；
所述物联网云平台层和应用层均支持MQTT协议。
2.根据权利要求1所述的一种基于智慧路杆的远程多回路网关，其特征在于，所述设备层上连接有可配置、可插拔的OSGi插件，所述OSGi插件可实现多个串口设备的数据采集和通信功能，所述OSGi插件用于与串口设备的连接和与云端服务器的通信，且与串口设备的连接和与云端服务器的通信功能分别由串口bundle和通信bundle实现。
3.根据权利要求2所述的一种基于智慧路杆的远程多回路网关，其特征在于，所述串口bundle与多路串口设备连接并根据串口设备的不同动态配置串口通信数据格式和波特率参数；所述通信bundle可根据数据来源不同将数据以消息的形式发送到MQTT代理服务器；所述串口bundle与通信bundle之间的通信采用基于事件的实时通信，且串口bundle将实时获取的数据以事件的方式发送给通信bundle。
4.根据权利要求1所述的一种基于智慧路杆的远程多回路网关，其特征在于，所述MQTT协议包括MQTT消息代理和MQTT客户端，所述MQTT客户端直接通过MQTT协议与消息代理连接并通过消息代理进行消息过滤，所述MQTT边缘网关层内置有小型数据库和边缘计算操作系统用于实现边缘存储功能和开发边缘应用。
5.根据权利要求1所述的一种基于智慧路杆的远程多回路网关的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在灯杆节点处部署MQTT边缘通信网关，实现节点周围的物联设备的接入和数据的采集收集；
S2、采用MQTT协议与服务器进行实时通信，MQTT协议不仅网络流量开销小，而且提供三种不同消息传递等级，让消息能按需到达目的地，适应在不稳定工作的网络传输需求；
S3、设备层的控制器模块接收到服务器下发指令并分析处理后，可以对外部连接设备的交换机芯片和继电器开关进行控制，并且可实现对任意回路网络通断及电压输出控制的功能。
6.根据权利要求5所述的一种基于智慧路杆的远程多回路网关的使用方法，其特征在于，所述MQTT的工作原理包括以下步骤：
(1)使用发布/订阅消息的模式，提供一对多的消息发布，并实现应用程序的解耦合；
(2)实现对负载内容进行屏蔽的消息传输；
(3)提供三种消息发布的服务，用户能够针对网络的实际情况以及服务要求选择三种不同的通信质量等级；
(4)支持遗嘱机制，根据用户设置的遗嘱机制，当由于网络因素等非正常原因导致终端连接断开时，将以发布话题的方式通知可能对该终端感兴趣的其他终端。
7.根据权利要求6所述的一种基于智慧路杆的远程多回路网关的使用方法，其特征在于，三种所述不同的通信质量等级分别为：
1、“至多一次”，消息发布完全依赖底层网络的TCP/IP，可能发生消息丢失，这一等级适用于环境数据采集等应用场景，丢失一次数据影响不大，因为不久后还会有第二次的数据发送；
2、“至少一次”，能够确保消息到达，但消息可能会重复发送；
3、“只有一次”，确保消息到达一次，这一等级适用于可靠的消息送达的应用场景。
8.根据权利要求5所述的一种基于智慧路杆的远程多回路网关的使用方法，其特征在于，所述MQTT边缘网关层内置有小型数据库和边缘计算操作系统，根据不同的用户的需要可以灵活地定义物联网的边缘计算的功能，可以采用两条路径，一是微服务的升级模式，允许用户把部分云平台上的功能放在边缘计算平台运行；二是边缘层向云平台层的渗透，利用边缘层的能力实现云平台的部分核心产品及服务，在边缘层实现部分的数据库、存储、安全等功能或服务。
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