CN115065645A - 一种物联网终端传感功能控制节点 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种物联网终端传感功能控制节点，属于电通信的技术领域。该节点包括传感器和处理器的接入模块、数据分析和格式整合模块、传输接入连接模块，利用软件定义光接入技术控制物联网终端原始数据接入传感器和处理器的接入模块，通过软件定义统一控制平面实时感知节点中各模块的状态信息调节各模块的上传速率并控制节点与边缘接入节点的连接，物联网终端原始数据经数据分析和格式整合模块预处理后传输至传输接入连接模块，预处理后数据经传输接入连接模块在控制节点与边缘计算节点之间建立的上传通道传输至边缘接入节点。该传感功能控制节点有效缓解上层节点的汇聚和存储压力，快速高效地接入和汇聚物联网终端数据至物联网接入层。

Description

一种物联网终端传感功能控制节点

技术领域

本发明公开一种物联网终端传感功能控制节点，涉及物联网光接入技术，属于电通信的技术领域。

背景技术

随着物联网（Internet of things, IoT）的发展，我们日常生活中所固有的事物将产生大量的数据，许多应用也将部署在边缘来处理这些数据。到2023年，近50%的物联网创建数据将来自家庭互联应用，需要通过边缘计算节点（Edge Compute Node, ECN）在网络附近或边缘对这些数据进行聚合、挖掘、处理和存储。虽然软件定义光接入技术因其具备控制集中化、资源虚拟化、业务服务化等特点为物联网发展提供了诸多助力，然而基于传统组网架构的核心层交换节点面临着物联网接入层汇聚大量多源异构数据产生的巨大数据压力。

缓解数据压力的最有效方案之一是在物联网的物理层终端对传感数据进行预处理，之后再通过接入控制将数据传输给边缘接入节点（Edge Access Node, EAN）。因此，需要在终端感知层设计一种对传感器数据具有控制功能的节点，本申请旨在提出一种物联网终端传感功能控制节点（Sensing Function Node, SFN），在物理层对传感器感知到的原始数据能进行预处理，以期实现物联网接入层更加高效、快速地接入和汇聚物理层数据的效果。从而减轻物联网边缘层聚合、挖掘、处理和存储数据的压力。

发明内容

本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供一种物联网终端传感功能控制节点，在物理层对传感器感知的数据进行预处理，并控制原始数据是否传输给对应的EAN进行边缘计算（Edge Compute, EC），实现有效减轻物联网边缘层聚合、挖掘、处理和存储数据压力的发明目的，解决物联网边缘接入节点数据压力大的技术问题。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

一种物联网终端传感功能控制节点，对物联网终端传感器所搜集的原始数据进行预处理和传输控制。物联网终端传感器和处理器通过有线或无线连接SFN，SFN对物联网终端上传的数据进行预处理后通过有线或无线连接上传至EAN。

物联网终端传感功能控制节点包括：传感器和处理器的接入模块、数据分析和格式整合模块、传输接入连接模块。

传感器和处理器的接入模块用于上传物联网终端传感器和/处理器的数据至数据分析和格式整合模块。当物联网终端传感器和处理器连接SFN时，连接至SFN的传感器和处理器上传数据至传感器和处理器的接入模块，根据接收到的传感器和处理器的接入模块上传速率控制信息增加或减少上传数据至数据分析和格式整合模块的速率。物联网终端传感器和处理器连接SFN的接入功能、传感器和处理器的接入模块上传速率的调节功能由软件定义统一控制平面实现。

数据分析和格式整合模块对传感器和处理器的接入模块上传的数据进行包含数据分析和格式整合的预处理，根据接收到的数据分析和格式整合模块上传速率控制信息增加或减少上传预处理后的数据至传输接入连接模块的速率。数据分析和格式整合模块上传速率的调节功能由软件定义统一控制平面实现。

传输接入连接模块用于在SFN与EAN之间建立上传通道，在接收到增加或减少SFN与EAN之间传输通道的控制信息后，增加或减少上传通道，根据接收的传输接入连接模块的上传速率控制信息上传预处理后的数据至EAN。传输接入连接模块上传速率的调节功能、传输接入连接模块开通上传通道数量的调节功能由软件定义统一控制平面实现。

软件定义统一控制平面包括：传感器和处理器的接入控制模块、传感资源控制模块、传输接入控制模块，传感器和处理器的接入控制模块、传感资源控制模块、传输接入控制模块通过控制信道λ_ctrl与SFN中的传感器和处理器的接入模块、数据分析和格式整合模块、传输接入模块交互各模块的待上传数据量信息、各模块的通道速率信息、各模块上传速率的控制信息、SFN与EAN传输通道的控制信息。

传感器和处理器的接入控制模块向物理层的传感器和处理器发送接入控制指令，并将感知到的传感器和处理器的接入模块的待上传数据量信息及通道速率信息传输至传感资源控制模块，转发传感资源控制模块产生的传感器和处理器的接入模块上传速率控制信息至传感器和处理器的接入模块。接入控制指令用于控制物联网终端中传感器和处理器的数据是否上传至传感器和处理器的接入模块。接入控制指令仅允许传感器接入，则被允许接入的传感器中的原始数据不需要处理就可以上传至SFN进行数据分析和格式整合；接入控制指令同时允许传感器和处理器接入，则接入控制指令需包含被允许接入的传感器的原始数据是否需要经过处理器处理以及具体的处理方式，需要经过处理器处理的传感器原始数据经具体处理方式处理后上传至SFN进行数据分析和格式整合，具体处理方式根据不同接入网需求而定；不需要经过处理器处理的传感器原始数据直接上传至SFN进行数据分和格式整合。

传感资源控制模块用于感知传感器和处理器的接入模块、数据分析和格式整合模块、传输接入连接模块的状态信息，状态信息包括待上传数据量以及通道速率，根据感知的SFN各模块状态信息判断SFN的负载状态，并生成SFN中各模块上传速率的控制信息及SFN与EAN之间传输通道的控制信息。当传感资源控制模块根据SFN各模块状态信息判断SFN负载较少时，传感资源控制模块生成增加SFN各模块上传速率的控制信息，或生成减少SFN与EAN之间传输通道的控制信息；当传感资源控制模块根据SFN各模块状态信息判断SFN满载或过载时，传感资源控制模块生成降低SFN各模块上传速率的控制信息，或生成增加SFN与EAN之间传输通道的控制信息。传感资源控制模块通过控制信道感知数据分析和格式整合模块的待上传数据量及通道速率，并收集传感器和处理器的接入模块的待上传数据量及通道速率、传输接入连接模块的待上传数据量及通道速率，同时将传感器和处理器的接入模块的上传速率控制信息、传输接入连接模块的上传速率控制信息分别传输至传感器和处理器的接入控制模块、传输接入控制模块。根据收集到的上传速率控制信息，传感器和处理器的接入控制模块通过控制信道将传感器和处理器的接入模块的上传速率控制信息传输至传感器和处理器的接入模块，传输接入控制模块通过控制信道将传输接入连接模块的上传速率控制信息、SFN与EAN之间传输通道控制信息传输至传输接入连接模块。判断SFN负载较少的依据是传输接入模块已开通上传通道的传输速率均未达到最大传输速率；SFN满载或过载的判断依据是传输接入模块已开通上传通道都处于最大传输速率，且SFN中的数据分析和整合模块中有大量待上传数据。

传输接入控制模块用于将感知的传输接入连接模块的待上传数据量及通道速率信息传输至传感资源控制模块，并转发传感资源控制模块生成的传输接入连接模块上传速率控制信息、SFN与EAN之间传输通道控制信息至传输接入连接模块。

进一步地，物联网终端的处理器和传感器通过近场通信（Near FieldCommunication，NFC）、蓝牙（Blue Tooth Low Energy，BLE）、无线局域网（WirelessFidelity，Wi-Fi）等无线方式与SFN相连接；物联网终端的处理器和传感器通过串行通用接口（Universal Serial Bus，USB）、以太网（Ethernet）等有线方式与SFN相连接。

进一步地，SFN通过有线或无线连接到EAN防火墙的南墙，南墙用于汇聚接入SFN等底层节点上传的数据，具备边缘计算功能的EAN对SFN上传的数据进行边缘计算后传输至防火墙的北墙，北墙用于将EAN边缘计算后的数据传输至上层节点，北墙与上层节点的主要的连接方式是光纤。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：

（1）本发明提出的物联网终端传感功能控制节点位于物联网传感终端与物联网接入层的边缘接入节点之间，该物联网终端传感功能控制节点在物联网的物理层就开始对原始传感数据进行预处理，减轻物联网接入层中节点挖掘和处理大量多源异构数据的压力。

（2）本发明提出的物联网终端传感功能控制节点，利用软件定义光接入技术实时感知物联网终端上传原始数据的速率以及控制节点中各模块上传数据的速率，进而获取物联网终端传感功能控制节点的负载状态，通过控制原始数据接入速率、预处理数据的上传速率、物联网终端传感功能控制节点与边缘接入节点之间上传通道的数量，缓解上层节点的汇聚和存储压力。

（3）本发明提出的物联网终端传感功能控制节点，在感知物联网终端传感功能控制节点负载较低时增加连接边缘接入节点的上传通道并提升数据上传速率，使得物联网终端数据快速高效地接入和汇聚至物联网接入层，在感知物联网终端传感功能控制节点满载或过载时，则减少连接边缘接入节点的上传通道并降低数据上传速率，降低物联网终端原始数据在传输至物联网接入节点过程中的丢包率，提高汇入物联网接入层数据的准确性和可靠性。

附图说明

图1是本发明中SFN的功能架构图。

图2是本发明中SFN连接EAN的架构图。

图3是本发明的SFN上传物理层感知数据至边缘接入节点的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，本发明提出的物联网终端传输功能控制节点包括：传感器和处理器的接入模块、数据分析和格式整合模块、传输接入连接模块。传感器和处理器的接入模块用于上传物联网终端传感器和/处理器的数据至数据分析和格式整合模块；数据分析和格式整合模块对传感器和处理器的接入模块上传的数据进行包含数据分析和格式整合的预处理；传输接入连接模块用于在SFN与EAN之间建立上传通道，将经预处理后的数据上传至边缘接入节点。物联网终端传感器和处理器连接SFN的接入功能、传感器和处理器的接入模块上传速率的调节功能、数据分析和格式整合模块上传速率的调节功能、传输接入连接模块上传速率的调节功能、传输接入连接模块开通上传通道数量的调节功能由软件定义统一控制平面实现。

软件定义统一控制平面包括：传感器和处理器的接入控制模块、传感资源控制模块、传输接入控制模块。传感器和处理器的接入控制模块用于向物理层的传感器和处理器发送接入控制指令，并将感知到的传感器和处理器的接入模块的待上传数据量信息及通道速率信息传输至传感资源控制模块，转发传感资源控制模块产生的传感器和处理器的接入模块上传速率控制信息至传感器和处理器的接入模块；传感资源控制模块用于感知传感器和处理器的接入模块、数据分析和格式整合模块、传输接入连接模块的状态信息，根据感知的SFN各模块状态信息判断SFN的负载状态，并生成SFN中各模块上传速率的控制信息及SFN与EAN之间传输通道的控制信息；传输接入控制模块用于将感知的传输接入连接模块的待上传数据量及通道速率信息传输至传感资源控制模块，并转发传感资源控制模块生成的传输接入连接模块上传速率控制信息、SFN与EAN之间传输通道控制信息至传输接入连接模块。

本发明的SFN上传物理层感知数据至边缘接入节点的过程如图3所示，包括从物联网终端获取原始数据、对于收集的物联网终端原始数据进行预处理、上传预处理后的数据至EAN。

位于物联网底末端的传感器1~传感器k从物理世界感知获得原始数据，处理器预处理传感器1~传感器k中的原始数据。当仅传感器i（1≤i≤k）获得软件定义统一平面发送的传感器接入许可指令时，传感器i将感知到的原始数据通过无线接口（NFC、BLE、Wi-Fi等）或者有线接口（USB、Ethernet等）向SFN的传感器和处理器的接入模块传送。传感器i和处理器同时获得软件定义统一平面发送的接入许可指令时，传感器i将感知到的数据先传输给处理器，由处理器对原始数据进行预处理后，再由处理器通过无线接口（NFC、BLE、Wi-Fi等）或者有线接口（USB、Ethernet等）向SFN的传感器和处理器的接入模块传送。

当数据到达SFN的数据分析和格式整合模块时，进入数据处理队列进行排队，等待被分析和格式整合，经过处理的原始数据称为上行数据，上行数据在数据分析和格式整合模块中排队等待传输。SFN的传感器和处理器接入模块、数据分析和格式整合模块以及传输接入连接模块将与自身模块相关的待上传数据量、通道速率等状态信息通过控制信道λ_ctrl传输给软件统一控制平面中的传感器和处理器的接入控制模块、传感资源控制模块、传输接入控制模块，传感器和处理器的接入控制模块将收集的传感器和处理器的接入模块待上传数据量及通道速率传输至传感资源控制模块，传输接入控制模块将收集的传输接入连接模块的待上传数据量及通道速率传输至传感资源控制模块。接着传感资源控制模块会根据SFN各个模块的状态信息，向软件统一控制平面中的传感器和处理器接入控制模块以及传输接入控制模块发送不同的指令。当SFN各个模块的状态信息表明传输接入模块已开通上传通道的传输速率均未达到最大传输速率时，SFN模块处于轻载，传感资源控制模块发送增大SFN各模块上传速率或减少SFN与EAN之间传输通道的指令，降低SFN和EAN的功耗；当状态信息表明传输接入模块已开通上传通道都处于最大传输速率且SFN中的数据分析和整合模块中有大量待上传数据时，SFN模块满载或过载，传感资源控制模块发送增加SFN与EAN之间传输通道或降低SFN各模块上传速率的信令，避免SFN与EAN之间传输通道因数据堆积而拥塞。通过SFN控制传感器与EAN之间的通道数量，可以有效控制数据的上行速率，同时降低数据丢包率。

来自物联网终端传感器和处理器的上行数据根据不同要求的传输接入指令，通过不同的传输接口（有线接口或无线接口），以不同的传输速率向EAN进行传输，从而避免上行数据在SFN的数据分析和格式整合模块中堆积，避免传感器和处理器上传原始数据时丢包，以及避免造成传输接入连接通道拥塞。

当经传输接入连接模块传输的上行数据到达EAN后，数据会在EAN中进行挖掘、处理和存储，以便用于不同EAN之间数据交换，以及向上层节点进行传输。如图2所示，SFN可以通过有线或无线与EAN相连接，并连接到EAN防火墙的南墙。具体而言，在EAN的防火墙分为南墙和北墙，其中南墙用于底层数据的汇聚接入，接入通过可以分为有线或者无线两种；北墙主要负责EAN与上层节点的连接，主要的连接方式是光纤。同时边缘接入节点具有一定的边缘计算功能，所以应该设计相应的驱动，处理器和存储器。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (10)

1.一种物联网终端传感功能控制节点，其特征在于，包括：

传感器和处理器的接入模块，接收物联网终端传感器和处理器上传的数据，依据传感器和处理器的接入模块上传速率控制信息，传输所接收的数据至数据分析和整合模块；

数据分析和格式整合模块，接收传感器和处理器的接入模块上传的数据，对接收的数据进行预处理，依据数据分析和格式整合模块的上传速率控制信息，传输预处理后的数据至传输接入连接模块；及，

传输接入连接模块，接收数据分析和整合模块上传的预处理后的数据，依据控制节点与边缘接入节点之间的传输通道控制信息，开通上传预处理后数据的通道；依据传输接入连接模块上传速率控制信息，调节传输预处理后数据至边缘接入节点的传输速率。

2.根据权利要求1所述一种物联网终端传感功能控制节点，其特征在于，所述传感器和处理器的接入模块上传速率控制信息、数据分析和格式整合模块的上传速率控制信息、传输接入连接模块上传速率控制信息、控制节点与边缘接入节点之间的传输通道控制信息由软件定义统一控制平面生成；所述软件定义统一控制平面实时获取传感器和处理器的接入模块的待上传数据量及通道速率、数据分析和格式整合模块的待上传数据量及通道速率、传输接入连接模块的待上传数据量及通道速率，获取所述控制节点的负载状态，根据控制节点的负载状态生成所述控制节点中各模块的上传速率控制信息、控制节点与边缘接入节点之间的传输通道控制信息。

3.根据权利要求2所述一种物联网终端传感功能控制节点，其特征在于，所述软件定义统一控制平面包括：

传感器和处理器的接入控制模块，向物联网终端传感器和处理器发送接入控制指令，接收传感器和处理器的接入模块的待上传数据量及通道速率，转发传感器和处理器的接入模块的待上传数据量及通道速率至传感资源控制模块，接收传感起源控制模块反馈的传感器和处理器的接入模块的上传速率控制信息，转发传感器和处理器的接入模块的上传速率控制信息至传感器和处理器的接入模块；

传感资源控制模块，接收数据分析和格式整合模块的待上传数据量及通道速率，传输数据分析和格式整合模块的上传速率控制信息至数据分析和格式整合模块，根据传感器和处理器的接入模块的待上传数据量及通道速率、数据分析和格式整合模块的待上传数据量及通道速率、传输接入连接模块的待上传数据量及通道速率感知控制节点的负载状态；在控制节点处于轻载时，产生增加传感器和处理器的接入模块上传速率、数据分析和格式整合模块上传速率、传输接入连接模块上传速率的控制信息，或产生减少控制节点与边缘接入节点之间的传输通道的控制信息；在控制节点处于满载或过载时，产生减少传感器和处理器的接入模块上传速率、数据分析和格式整合模块上传速率、传输接入连接模块上传速率的控制信息，或产生增加控制节点与边缘接入节点之间的传输通道的控制信息；及，

传输接入控制模块，接收传输接入连接模块的待上传数据量及通道速率，转发传输接入连接模块的待上传数据量及通道速率至传感资源控制模块，接收传感资源控制模块反馈的传输接入连接模块的上传速率控制信息、控制节点与边缘接入节点之间的传输通道控制信息，转发传输接入连接模块的上传速率控制信息、控制节点与边缘接入节点之间的传输通道控制信息至传输接入连接模块。

4.根据权利要求3所述一种物联网终端传感功能控制节点，其特征在于，所述控制节点处于轻载的判据为传输接入模块已开通上传通道的传输速率均未达到最大传输速率。

5.根据权利要求3所述一种物联网终端传感功能控制节点，其特征在于，所述控制节点处于满载或过载的判据为传输接入模块已开通上传通道都处于最大传输速率，且SFN中的数据分析和整合模块中有大量待上传数据。

6.根据权利要求3所述一种物联网终端传感功能控制节点，其特征在于，所述接入控制指令仅允许传感器接入时，允许接入的传感器中的原始数据上传至传感器和处理器的接入模块。

7.根据权利要求3所述一种物联网终端传感功能控制节点，其特征在于，所述接入控制指令允许传感器和处理器接入时，接入控制指令还包括允许接入的传感器中的原始数据是否需要经过处理器处理的信息，无需处理器处理的传感器原始数据上传至传感器和处理器的接入模块，需要处理器处理的传感器原始数据经处理后上传至传感器和处理器的接入模块。

8.根据权利要求1所述一种物联网终端传感功能控制节点，其特征在于，所述控制节点通过有线或无线的方式连接物联网终端传感器和处理器。

9.根据权利要求1所述一种物联网终端传感功能控制节点，其特征在于，所述控制节点通过有线或无线的方式连接边缘接入节点。

10.根据权利要求8所述一种物联网终端传感功能控制节点，其特征在于，所述有线方式为串行通用接口或以太网；所述无线方式为近场通信或蓝牙或无线局域网。

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