CN113938356A - 一种智能网关 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种智能网关。该智能网关包括智能网关嵌入式系统软件架构、MQTT的数据交互总线架构、智能网关嵌入式系统和边缘智能网关应用系统，容器技术将智能网关嵌入式系统中的各操作系统进行容器化，通过边缘智能网关应用系统采集不同协议的数据经由MQTT的数据交互总线架构进入智能网关嵌入式系统中对应容器中的操作系统获取对应的控制指令，并将控制指令经由边缘智能网关应用系统发送给终端设备以实现对终端设备的控制和满足终端设备的需求。在本发明中，能够适用多种场景下的智能化需求。

Description

一种智能网关

技术领域

本发明属于网关技术领域，具体涉及一种智能网关。

背景技术

网关又称网间连接器、协议转换器。网关在网络层以上实现网络互连，是复杂的网络互连设备，仅用于两个高层协议不同的网络互连。网关既可以用于广域网互连，也可以用于局域网互连。网关是一种充当转换重任的计算机系统或设备。使用在不同的通信协议、数据格式或语言，甚至体系结构完全不同的两种系统之间，网关是一个翻译器。与网桥只是简单地传达信息不同，网关对收到的信息要重新打包，以适应目的系统的需求。电力物联网主要由智能设备、近距离传感网络、智能网关、远距离传输网络及互联网平台等部分组成。

传统的固定功能型网关大多都是为了应用特定场景而单独设计，实现功能提前预设且相对固定，面对电力物联网智能设备种类多、通信网络方式多、通信协议类型多、通信数据增长快等挑战，传统模式网关已经不能满足智能化的要求，因此传统模式网关已经不能满足智能化要求。

发明内容

本发明提供了一种智能网关，用于解决传统模式网关已经不能满足智能化要求的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种智能网关，其包括：

智能网关嵌入式系统软件架构、MQTT的数据交互总线架构、智能网关嵌入式系统和边缘智能网关应用系统；

所述智能网关嵌入式系统软件架构用于利用容器技术对智能网关嵌入式系统的多个操作系统划分到不同的容器中；

所述边缘智能网关应用系统用于采集不同协议下终端设备的数据并对采集的数据进行边缘计算，将边缘计算结果经由MQTT的数据交互总线架构发送至智能网关嵌入式系统对应容器的操作系统；

所述智能网关嵌入式系统包括多个操作系统，各操作系统用于对接收到的边缘计算结果进行处理以获得对应的控制指令，并将控制指令经由边缘智能网关应用系统发送至终端设备。

上述技术方案的有益效果为：利用容器技术将智能网关嵌入式系统中的各操作系统进行容器化，通过边缘智能网关应用系统采集不同协议的数据经由MQTT的数据交互总线架构进入智能网关嵌入式系统中对应容器中的操作系统获取对应的控制指令，并将控制指令经由边缘智能网关应用系统发送给终端设备以实现对终端设备的控制和满足终端设备的需求。由此，能够解决传统的固定功能型网关应用场景单一和特定，实现功能提前预设且相对固定，面对电力物联网智能设备种类多、通信网络方式多、通信协议类型多、通信数据增长快等挑战，传统模式网关不能满足智能化的要求的问题。

进一步地，为了同时满足不同设备的需要，本发明提供了一种智能网关，还包括边缘智能网关应用系统包括输入输出模块和边缘计算模块，输入输出模块用于使用下行Modbus、MQTT、IEC101、IEC104、DL/T645中至少两个规约协议实时采集终端设备的数据信息，并发送给边缘计算模块；所述边缘计算模块用于对采集的数据信息进行边缘计算以获得边缘计算结果，将生成的边缘计算结果输出至智能网关嵌入式系统。

进一步地，为了更好地对采集数据进行存储，本发明提供了一种智能网关，还包括边缘智能网关应用系统还包括云端互动模块，云端互动模块用于获取输入输出模块采集的数据和边缘计算模块输出的边缘计算结果，并将获取的所有数据上传至云端。

进一步地，为了更好地配置智能网关，本发明提供了一种智能网关，还包括边缘智能网关应用系统还包括容器管理模块和系统管理模块；容器管理模块用于管理容器的启动、强杀、重启、挂起、停止、删除功能；系统管理模块用于进行远程安全访问，以及进行远程的配置、升级、管理及状态监视。

进一步地，为了具有高可靠的网络接入能力，本发明提供了一种智能网关，还包括边缘智能网关应用系统还包括多种通讯接口，多种通讯接口包括串口、USB、以太网口、HPLC、WiFi、LoRa，4G和IO接口中的至少两种。

进一步地，为了避免容器间的通信冲突，本发明提供了一种智能网关，还包括每个容器具有独立的API接口。

进一步地，更高可靠的进行通信，本发明提供了一种智能网关，还包括智能网关嵌入式系统包括轻量级物联网操作系统，轻量级物联网操作系统包括多个操作系统，各操作系统对应不同的容器，各操作系统接收来自边缘智能网关应用系统的边缘计算结果，基于对应的边缘计算结果生成对应的控制指令，并将生成的控制指令通过边缘智能网关应用系统的输入输出模块送至终端设备。

进一步地，为了充分利用宿主机的计算资源，本发明提供了一种智能网关，还包括智能网关嵌入式系统包括容器虚拟化和MQTT物联网协议应用，容器虚拟化用于应用容器虚拟化技术使多个独立的容器中的操作系统运行在同一台宿主机上，MQTT物联网协议应用用于存储C-S的消息发布/订阅传输协议。

进一步地，为了更好地实现就地控制，本发明提供了一种智能网关，还包括边缘计算模块通过内置AI芯片实现所述边缘计算的功能。

进一步地，为了更好地进行边缘计算，本发明提供了一种智能网关，还包括AI芯片为Xilinx的FPGA芯片。

附图说明

图1是本发明的智能网关的框图；

其中，1-智能网关嵌入式系统软件架构，2-MQTT的数据交互总线架构，3-智能网关嵌入式系统，4-边缘智能网关应用系统；

图2是本发明的智能网关嵌入式系统的框图；

其中，31-轻量级物联网操作系统，32-容器虚拟化，33-MQTT物联网协议应用；

图3是本发明的边缘智能网关应用系统的框图；

其中，41-输入输出模块，42-云端互动模块，43-边缘计算模块，44-应用APP配置模块，45-容器管理模块，46-系统管理模块，47-多种通讯接口；

图4是本发明的多种通讯接口示意图。

具体实施方式

本发明的基本构思为：本发明利用容器技术将智能网关嵌入式系统中的各操作系统进行容器化，通过边缘智能网关应用系统采集不同协议的数据经由MQTT(MessageQueuing Telemetry Transport)的数据交互总线架构进入智能网关嵌入式系统中对应容器中的操作系统获取对应的控制指令，并将控制指令经由边缘智能网关应用系统发送给终端设备以实现对终端设备的控制进而满足终端设备的需求。因此，本发明的智能网关具有较强劲的边缘计算能力、高可靠的网络接入能力、多标准协议适配转换能力、灵活的配置管理能力和完备的安全特性，由此，能够解决传统的固定功能型网关应用场景单一和特定，实现功能提前预设且相对固定，面对电力物联网智能设备种类多、通信网络方式多、通信协议类型多、通信数据增长快等挑战，传统模式网关不能满足智能化的要求的问题。

为了使本发明的目的、技术方案及技术效果更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例对本发明进行进一步详细说明。

智能网关实施例：

图1是本发明的智能网关的框图。

在本实施例中，如图1所示，智能网关包括智能网关嵌入式系统软件架构1、MQTT的数据交互总线架构2、智能网关嵌入式系统3和边缘智能网关应用系统4。其中，智能网关嵌入式系统软件架构1与MQTT的数据交互总线架构2电性连接，MQTT的数据交互总线架构2与智能网关嵌入式系统3电性连接，智能网关嵌入式系统3与边缘智能网关应用系统4电性连接。智能网关嵌入式系统3经由MQTT的数据交互总线架构实现与边缘智能网关应用系统4的通信。

在本实施例中，智能网关嵌入式系统软件架构1采用容器技术实现了模块应用APP化。具体地，智能网关嵌入式系统软件架构1将智能网关嵌入式系统内的各个操作系统的资源分别划分到孤立的组中，每个组是一个容器，从而将单个操作系统或各个终端设备的数据采集程序进行APP化。由此，能够更好的在孤立的组之间平衡有冲突的资源使用需求，可视化，可查找。容器之间通过MQTT的数据交互总线架构进行通信，以共享数据。每个容器具有独立的API接口，即每一个容器应用独立运行数据库的客户端接口API。不同容器的客户端接口API设置的权限可能相同也可能不同。

在本实施例中，智能网关嵌入式系统3获取边缘智能网关应用系统4的边缘计算结果，基于边缘计算结果生成控制指令，并将生成的控制指令反馈至边缘智能网关应用系统4。图2是本发明的智能网关嵌入式系统的框图。如图2所示，智能网关嵌入式系统3包括轻量级物联网操作系统31、容器虚拟化32和MQTT物联网协议应用33。

本实施例的智能网关采用开源的Mosquitto，Mosquitto服务器端口映射为容器0的IP地址。Mosquitto作为基础部件安装于轻量级物联网操作系统31之上。轻量级物联网操作系统31通过MQTT的数据交互总线架构2与边缘智能网关应用系统4通信连接。本实施例的智能网关采用轻量型关系数据库SQLite。数据库SQLite以文件的形式存在于轻量级物联网操作系统31的目录之下。

轻量级物联网操作系统31包括多个操作系统，各操作系统处于不同的容器中。轻量级物联网操作系统31的各操作系统接收来自边缘智能网关应用系统4的对应协议的边缘计算结果。各操作系统用于对接收到的边缘计算结果进行处理以生成对应的控制指令，并将生成的控制指令反馈至边缘智能网关应用系统4的输入输出模块41。在这种情况下，轻量级物联网操作系统31能够用于软硬件解耦，提高设备开发速度。

轻量级物联网操作系统31通过MQTT的数据交互总线架构2与智能网关嵌入式系统软件架构1通信连接。智能网关嵌入式系统软件架构1的不同容器通过各自的客户端接口API对应的权限读写操作数据库SQLite文件中不同的表，然后基于读写的结果利用轻量级物联网操作系统31对应的操作系统对来自边缘智能网关应用系统4的数据进行处理。

容器虚拟化32用于系统级虚拟化技术。在这种情况下，智能网关嵌入式系统软件架构1以系统为单位，将智能网关嵌入式系统3的轻量级物联网操作系统31内的各个操作系统的资源分别划分到孤立的组中，从而使得容器拥有明显的性能优势和部署应用的便捷性。

另外，容器虚拟化32用于应用容器虚拟化技术使多个独立的容器中的操作系统运行在同一台宿主机上。边缘智能网关应用系统4处理的不同协议的数据对应不同的容器。在这种情况下，容器虚拟化32将边缘智能网关应用系统4处理的不同协议的数据集中在一台宿主机上进行处理，由此，能够通过容器虚拟化32将有限的资源进行高效的利用。

MQTT物联网协议应用33用于存储C-S的消息发布/订阅传输协议。传输协议包括Modbus、MQTT、IEC101、IEC104、DL/T645等规约协议。在这种情况下，便于在终端设备与智能网关进行通信时能够调取该传输协议，以满足物联网的通信需求。

在本实施例中，边缘智能网关应用系统4采集智能终端设备的数据，对采集的数据进行处理后生成边缘计算结果，并将边缘计算结果经由MQTT的数据交互总线架构2发送至智能网关嵌入式系统3。

具体地，图3是本发明的边缘智能网关应用系统的框图。如图3所示，边缘智能网关应用系统4包括输入输出模块41、云端互动模块42、边缘计算模块43、应用APP配置模块44、容器管理模块45、系统管理模块46和多种通讯接口47。

输入输出模块41用于通过多种通道接口使用下行Modbus、MQTT、IEC101、IEC104、DL/T645等规约协议实时采集终端设备的数据信息。其中，规约协议可以从MQTT物联网协议应用33中调取。终端设备可以是智能网关所连接的联动控制外接设备。例如各种网路设备，自动化元器件、各传感器、摄像头以及主机等设备。数据信息包括但不限于模拟量、开关量和文件等信息量。输入输出模块41将实时采集的数据输出至云端互动模块42和边缘计算模块43。

另外，输入输出模块41接收来自智能网关嵌入式系统3的轻量级物联网操作系统31的控制指令，并将控制指令传输至终端设备，以便对终端设备进行远程控制进而满足不同协议的终端设备的智能化需求。

边缘计算模块43用于获取输入输出模块41输出的数据，并对该数据进行边缘计算获得边缘计算结果。边缘计算模块43将生成的边缘计算结果输出至智能网关嵌入式系统3和云端互动模块42。由此，能够实现就地控制。另外，在边缘计算时还包括对获取的数据(即输入输出模块41实时采集的信息)进行有效性检查、工程值转换、信号变化和系数计算等加工处理。

边缘计算模块43内设置有AI芯片，AI芯片选为Xilinx的FPGA芯片。边缘计算模块43通过AI芯片对接收的数据进行边缘计算从而获得边缘计算结果。另外，在边缘计算时还可以对数据进行清洗。

云端互动模块42用于采用上行IEC-104、IEC-101、MQTT规约协议将输入输出模块41输出的数据和边缘计算模块43输出的数据(例如边缘计算结果)上传至云端。

应用APP配置模块44用于配置APP以容器镜像文件的方式实现。另外应用APP配置模块还配置了其他的APP的管理功能。

容器管理模块45用于管理容器的启动、强杀、重启、挂起、停止、删除等。另外，容器管理模块45嵌入到web管理页面。在这种情况下，能够通过管理页面对容器进行管理，由此，能够实现窗口化的操作。

系统管理模块46采用管理网络通道进行远程安全访问，利用web管理页面进行远程的配置、升级、管理及状态监视，并提供其它信息管理系统访问接口，获取智能网关运行状态信息。

输入输出模块41可以通过多种通讯接口47实现与多种协议的通道接口的通信连接。多种通讯接口47采用一个核心板和多路扩展板的设计模式。图4是本发明的多种通讯接口示意图。如图4的芯片采用模块化设计方法，实现串口、USB、以太网口、HPLC、WiFi、LoRa，4G和IO等至少两种接口能力。由此，能够满足低成本、工业级工作温度、国产化等需求。

基于本实施例的智能网关，包括通过智能网关嵌入式系统软件架构、MQTT的数据交互总线架构、智能网关嵌入式系统和边缘智能网关应用系统，智能网关嵌入式系统软件架构利用容器技术将智能网关嵌入式系统中轻量级物联网操作系统的各操作系统进行容器化，通过边缘智能网关应用系统的输入输出模块采集不同协议的数据，经过边缘计算模块对采集的数据进行边缘计算得到边缘计算结果，边缘计算结果经由MQTT的数据交互总线架构进入智能网关嵌入式系统中对应容器中的操作系统获取对应的控制指令，并将控制指令经由边缘智能网关应用系统发送给终端设备以实现对终端设备的控制进而满足终端设备的需求。由此，能够使得智能网关具有强劲的边缘计算能力，基于国产化高端工业级处理器和嵌入式物联网操作系统，为实现边缘网关数据计算、实时响应、智能应用等业务处理提供计算资源，有效分担主站平台负荷，另外多种通讯接口提供232/485、网口、HPLC、DI/DO、4G、LoRa、WiFi多种形式的有线、无线网络接口，使得智能网关具有高可靠的网络接入能力，利用各类介质通信方式实现异构跨域网络互联互通，保障设备处于高可靠、不间断的网络连接中，保证所有终端的信息都能准确地进行交互；MQTT物联网协议应用包括多种协议，使得智能网关具有多标准协议适配转换能力，兼容Modbus、DL/T645、IEC101、IEC104、MQTT等多种主流电力物联网数据传输协议，实现传感网络到传输网络的快速协议适配和转换。应用APP配置模块、容器管理模块和系统管理模块使得智能网关具有灵活的配置管理能力，采用“平台化”硬件装置设计、“APP化”嵌入式软件设计模式，满足现场多样性需求，“Web化”配置管理方便用户进行远程管理和快速部署，不同的容器具有独立的API接口且对应不同的读写权限，使得智能网关具有完备的安全特性，从设备多级用户权限管理、网络安全、数据安全、应用隔离安全等多个层面提供安全防护功能。

Claims (10)

1.一种智能网关，其特征在于，包括：

智能网关嵌入式系统软件架构、MQTT的数据交互总线架构、智能网关嵌入式系统和边缘智能网关应用系统；

所述智能网关嵌入式系统软件架构用于利用容器技术对智能网关嵌入式系统的多个操作系统划分到不同的容器中；

所述边缘智能网关应用系统用于采集不同协议下终端设备的数据并对采集的数据进行边缘计算，将边缘计算结果经由MQTT的数据交互总线架构发送至智能网关嵌入式系统对应容器的操作系统；

所述智能网关嵌入式系统包括多个操作系统，各操作系统用于对接收到的边缘计算结果进行处理以获得对应的控制指令，并将控制指令经由边缘智能网关应用系统发送至终端设备。

2.根据权利要求1所述的智能网关，其特征在于，边缘智能网关应用系统包括输入输出模块和边缘计算模块，输入输出模块用于使用下行Modbus、MQTT、IEC101、IEC104、DL/T645中至少两个规约协议实时采集终端设备的数据信息，并发送给边缘计算模块；所述边缘计算模块用于对采集的数据信息进行边缘计算以获得边缘计算结果，将生成的边缘计算结果输出至智能网关嵌入式系统。

3.根据权利要求2所述的智能网关，其特征在于，边缘智能网关应用系统还包括云端互动模块，云端互动模块用于获取输入输出模块采集的数据和边缘计算模块输出的边缘计算结果，并将获取的所有数据上传至云端。

4.根据权利要求2所述的智能网关，其特征在于，边缘智能网关应用系统还包括容器管理模块和系统管理模块；容器管理模块用于管理容器的启动、强杀、重启、挂起、停止、删除功能；系统管理模块用于进行远程安全访问，以及进行远程的配置、升级、管理及状态监视。

5.根据权利要求2所述的智能网关，其特征在于，边缘智能网关应用系统还包括多种通讯接口，多种通讯接口包括串口、USB、以太网口、HPLC、WiFi、LoRa，4G和IO接口中的至少两种。

6.根据权利要求1所述的智能网关，其特征在于，每个容器具有独立的API接口。

7.根据权利要求2所述的智能网关，其特征在于，智能网关嵌入式系统包括轻量级物联网操作系统，轻量级物联网操作系统包括多个操作系统，各操作系统对应不同的容器，各操作系统接收来自边缘智能网关应用系统的边缘计算结果，基于对应的边缘计算结果生成对应的控制指令，并将生成的控制指令通过边缘智能网关应用系统的输入输出模块送至终端设备。

8.根据权利要求1所述的智能网关，其特征在于，智能网关嵌入式系统包括容器虚拟化和MQTT物联网协议应用，容器虚拟化用于应用容器虚拟化技术使多个独立的容器中的操作系统运行在同一台宿主机上，MQTT物联网协议应用用于存储C-S的消息发布/订阅传输协议。

9.根据权利要求2所述的智能网关，其特征在于，边缘计算模块通过内置AI芯片实现所述边缘计算的功能。

10.根据权利要求9所述的智能网关，其特征在于，AI芯片为Xilinx的FPGA芯片。

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