CN115190128B - 基于嵌入式边缘网关的算力感知与计算任务分配系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于嵌入式边缘网关的算力感知与计算任务分配系统，软件系统包括设备服务与协议转换单元、算力感知单元、设备管理与控制单元、数据库存储单元、计算卸载单元和应用服务，设备服务与协议转换单元将终端设备的原始数据解析成能够识别的数据并存储到数据库存储单元中；算力感知单元获取设备服务与协议转换单元中的数据，送到计算卸载单元进行决策，并生成决策信息；应用服务通过决策信息判断将计算任务卸载到云端还是本地并发送相应的数据；设备管理与控制单元接收应用服务传送的数据，通过设备管理与控制单元向相应终端发出指令，执行操作，本发明针的边缘网关通过计算卸载决策，实现向最优的设备分配计算任务。

Description

基于嵌入式边缘网关的算力感知与计算任务分配系统
技术领域
本发明涉及嵌入式网关技术领域，具体涉及基于嵌入式边缘网关的算力感知与计算任务分配系统。
背景技术
边缘计算是指在网络边缘执行计算的一种新型计算模式，核心理念是在靠近数据的源头计算，主要体现在海量异构联接、业务的实时性、数据的优化、应用的智能性、安全与隐私保护等方面，通过边缘计算实现局部设备监控、生成状态监测等实时分析决策，分担云平台计算任务同时降低网络传输压力，提高云制造系统的效能。
伴随着智能传感器科技和智能设备的发展，则会出现愈来愈多借助更多传输手连接的终端设备,将一种传输协议的数据转换成另一种传输协议将利用传统网关实现,而边缘计算框架中，作为边缘端的重要节点，网关设备的功能已经不仅限于传统的单一数据采集，协议解析等功能，更要服务于现场实时的海量数据存储和智能化处理。
在传统的物联网中，诞生了ZigBee家居网关，lorawan网关等将单一传输协议的无线终端设备接入，实现数据转发与互联网进行通信。同时在工业现场由于大量异构设备的存在，也产生的多种数据采集的网关，总结来现有网关就是将设备终端的数据信息与远端网络之间进行中继传输。
因此，不同于传统单一化的网关设备，本申请提出了一种基于嵌入式边缘网关的算力感知与计算任务分配系统，以满足海量数据接入，多种传输协议解析，数据存储与转发，以及现场实时处理的需求。
发明内容
本发明的目的在于提供基于嵌入式边缘网关的算力感知与计算任务分配系统，在边缘计算框架下，边缘网关具有将终端数据与远端网络进行中继传输的功能，并通过感知不同终端的计算资源冗余，将终端的计算任务进行合理卸载分配给网关管理下的设备或者上传到云端处理。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
基于嵌入式边缘网关的算力感知与计算任务分配系统，包括软件系统，所述软件系统包括设备服务与协议转换单元、算力感知单元、设备管理与控制单元、数据库存储单元、计算卸载单元和应用服务；
设备服务与协议转换单元将终端设备的原始数据解析成能够识别的数据并存储到数据库存储单元中；
算力感知单元获取设备服务与协议转换单元中的数据，送到计算卸载单元进行决策，并生成决策信息；
应用服务通过决策信息判断将计算任务卸载到云端还是本地并发送相应的数据；
设备管理与控制单元接收应用服务传送的数据，通过设备管理与控制单元向相应终端发出指令，执行操作。
作为本发明进一步的方案：所述设备服务与协议转换单元基于多种多样异构设备，在网关节点将多种拥有传输协议的海量设备接入。
作为本发明进一步的方案：所述算力感知单元获取的数据包括各节点的资源负载与运行的状态信息。
作为本发明进一步的方案：所述设备服务与协议转换单元将数据各节点的资源负载与运行的状态信息封装，通过消息队列的方式进行传送。
作为本发明进一步的方案：所述设备管理与控制单元接收应用服务传送的数据建立感知层设备列表，配置下位机通信接口与通信点表，控制设备数据采集规则。
作为本发明进一步的方案：所述数据库存储单元为终端设备发送的数据提供存储服务；
数据库存储单元使用Redis保存本地数据库中的数据。
作为本发明进一步的方案：计算卸载单元用于是否将计算任务卸载，及分配到某个设备或云端的决策；
计算卸载单元的计算卸载的决策转化成稳定匹配问题，匹配问题针对每个终端设备按照能执行计算任务的终端w计算建立偏好序列。
作为本发明进一步的方案：计算卸载单元的具体过程为：
S1：该网关管理的所有需要卸载计算任务的终端设备m向其偏好列表中第一个执行计算任务设备w发出请求；
S2：每个能执行计算任务的终端w先拒绝偏好序列中不能接受的终端设备；
S3：获得多个设备m请求的终端w，保留其偏好列表中的一个前面的设备，拒绝其他设备；
S4：如果终端设备m被拒绝,则继续向其偏好序列中的下一位发出请求，若被所有的设备w拒绝，则停止；
继续执行步骤S2和步骤S3；
S5：如果没有终端m被拒绝，则停止；
否则继续执行步骤S4。
本发明的有益效果：
(1)本发明通过容器技术，将不同传输协议的数据采集通过设备服务注册的方式运行；
(2)本发明在对接入设备进行算力感知，构建网关管理下不同设备的算力网络；
(3)本发明针对不同终端提出的计算卸载服务，边缘网关通过计算卸载决策，实现向最优的设备分配计算任务。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是本发明软件系统的流程示意图；
图2是本发明硬件系统的结构示意图；
图3是本发明计算卸载流程图。
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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图2所示，本发明为基于嵌入式边缘网关的算力感知与计算任务分配系统，包括硬件系统和软件系统，以硬件系统提供的计算资源、存储资源和网络资源为基础，提供边缘网关多种传输协议解析，接入设备算力感知和计算卸载服务以实现现场级实时处理与实时传输能力；
具体的：
硬件系统上计算资源、存储资源和网络资源对边缘网关的支撑包括主处理器、数据存储模块、无线收发模块、串口通信模块和以太网通信，数据存储模块、无线收发模块、串口通信模块和以太网通信分别与主处理器连接；
主处理器用于控制整个边缘网关的各模块的数据处理与转发等，是硬件系统的大脑；
数据存储模块与主处理器通过SDIO接口连接，数据存储模块包括DRAM存储单元、FLASH存储单元和外部存储单元，其中，
DRAM存储单元用于临时存储运行程序和临时数据；
FLASH存储单元用于存储永久数据、可存储程序文件和数据文件，且掉电保持存储功能；
外部存储单元为边缘网关提供了可扩展的存储能力，针对不同的场景用户可以自由选择相应容量进行扩容。
串口通信模块与主处理器通过I/O串口连接，可以采集工业现场的低速接口的数据。
以太网通信的以太网口RJ45由硬件控制器及MAC通信协议构成，MAC通信协议位于OSI七层协议中数据链路层的下半部分，负责控制与连接物理层的物理介质。以太网通信向下可以采集PLC等工业设备的数据，将数据传输到边缘网关进行处理。同时向上可以联网后与云端通信，将处理后的数据发送到云服务器。
无线接入模块负责无线通信链路建立和保持，数据传输。
参阅图1，边缘网关中软件系统的各功能模块以微服务的方式，微服务的架构是将单个应用程序作为一组小型服务开发的方法，每个服务程序都在自己的进程中运行，并与轻量级机制(通常是HTTP资源API)进行通信；
具体的:
软件系统包括设备服务与协议转换单元、算力感知单元、设备管理与控制单元、数据库存储单元、计算卸载单元和应用服务；
设备服务与协议转换单元基于多种多样异构设备，在网关节点将多种拥有传输协议的海量设备接入；
其中，边缘网关具有传统网关不同的可扩展性以实现多种传输协议的接入，在设备服务与协议转换单元中，不同的传输协议通过该单元进行注册，注册完成后将实现该传输协议的数据接入。
算力感知单元与设备服务与协议转换单元和计算卸载单元连接，用于获取设备服务与协议转换单元的数据并将计算的数据传送至计算卸载单元；
其中，设备服务与协议转换单元将数据各节点的资源负载与各容器的状态信息封装，通过消息队列发送给算力感知单元，算力感知单元反馈至计算卸载单元的计算卸载模组进行计算卸载决策；
设备管理与控制单元同设备服务与协议转换单元和应用服务连接，设备管理与控制单元用于监控接入设备的运行状态，向接入的终端发送数据传输信息；
设备管理与控制单元建立感知层设备列表，配置下位机通信接口与通信点表，控制设备数据采集规则，提高工程人员维护、调试与设备通信的效率；
其中，设备管理与控制单元的管理功能还包括查看、配置设备基本信息，包括设备证书信息、固件信息、MQTT连接参数、扩展信息和下位机链接状态；
数据库存储单元与设备服务与协议转换单元和应用服务连接；
数据库存储单元为终端发送的数据提供存储服务，为设备收集的数据提供集中的持久性保存，收集终端设备数据的设备服务与协议转换单元调用数据库存储单元，将接入的终端数据存储在边缘网关上，直到数据被“北移”，导出到云系统；
其中，数据库存储单元使用Redis保存本地数据库中的数据；
计算卸载单元还同应用服务连接，计算卸载单元用于是否将计算任务卸载，及分配到某个设备或云端的决策；
计算卸载单元的计算卸载的决策转化成稳定匹配问题，匹配问题针对每个终端设备按照能执行计算任务的终端w计算建立偏好序列；
参阅图3，具体的，计算卸载单元的具体过程为：
S1：该网关管理的所有需要卸载计算任务的终端设备m向其偏好列表中第一个执行计算任务设备w发出请求；
S2：每个能执行计算任务的终端w先拒绝偏好序列中不能接受的终端设备；
S3：获得多个设备m请求的终端w，保留其偏好列表中的一个前面的设备，拒绝其他设备；
S4：如果终端设备m被拒绝,则继续向其偏好序列中的下一位发出请求，若被所有的设备w拒绝，则停止；
继续执行步骤S2和步骤S3；
S5：如果没有终端m被拒绝，则停止；
否则继续执行步骤S4。
应用服务将通过最终的决策信息判断将计算任务卸载到云端还是本地并发送相应的数据。
软件系统的工作步骤为：
步骤一：终端设备向边缘网关发送数据，数据包括自身的算力信息、运行状态和终端设备产生的计算任务卸载请求；
步骤二：边缘网关通过设备服务与协议转换单元，将原始数据解析成能够识别的数据并存储到数据库存储单元中；
步骤三：边缘网关通过算力感知单元获取各节点的资源负载与运行的状态信息，送到计算卸载单元进行决策，并生成决策信息；
步骤四：应用服务通过最终的决策信息判断将计算任务卸载到云端还是本地并发送相应的数据；
步骤五：设备管理与控制单元接收应用服务传送的数据，通过设备管理与控制单元向相应终端发出指令，执行操作。
本发明的核心点之一：硬件系统包括主处理器、数据存储模块、串口通信模块、无线通信模块和以太网通信等的器件选型及电路设计；
在PCB设计中，根据信号完整性，电源完整性和电磁兼容性设计，进行高速PCB板的布局布线。
本发明的核心点之二：在软件系统中，软件设计的最终目的是实现边缘网关多种传输协议解析，接入设备算力感知和计算卸载服务以实现现场级实时处理与实时传输能力。
以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (1)

1.基于嵌入式的边缘网关的算力感知与计算任务分配系统，包括软件系统，其特征在于，所述软件系统包括设备服务与协议转换单元、算力感知单元、设备管理与控制单元、数据库存储单元、计算卸载单元和应用服务；
设备服务与协议转换单元将终端设备的原始数据解析成能够识别的数据并存储到数据库存储单元中；
算力感知单元获取设备服务与协议转换单元中的数据，送到计算卸载单元进行决策，并生成决策信息；
应用服务通过决策信息判断将计算任务卸载到云端还是本地并发送相应的数据；
设备管理与控制单元接收应用服务传送的数据，通过设备管理与控制单元向相应终端发出指令，执行操作；
所述设备服务与协议转换单元基于多种多样异构设备，在网关节点将多种拥有传输协议的海量设备接入；
所述算力感知单元获取的数据包括各节点的资源负载与运行的状态信息；
所述设备服务与协议转换单元将数据各节点的资源负载与运行的状态信息封装，通过消息队列的方式进行传送；
所述设备管理与控制单元接收应用服务传送的数据建立感知层设备列表，配置下位机通信接口与通信点表，控制设备数据采集规则；
所述数据库存储单元为终端设备发送的数据提供存储服务；
数据库存储单元使用Redis保存本地数据库中的数据；
计算卸载单元用于是否将计算任务卸载，及分配到某个设备或云端的决策；
计算卸载单元的计算卸载的决策转化成稳定匹配问题，匹配问题针对每个终端设备按照能执行计算任务的终端w计算建立偏好序列；
计算卸载单元的具体过程为：
S1：该网关管理的所有需要卸载计算任务的终端设备m向其偏好列表中第一个执行计算任务设备w发出请求；
S2：每个能执行计算任务的终端w先拒绝偏好序列中不能接受的终端设备；
S3：获得多个设备m请求的终端w，保留其偏好列表中的一个前面的设备，拒绝其他设备；
S4：如果终端设备m被拒绝,则继续向其偏好序列中的下一位发出请求，若被所有的设备w拒绝，则停止；
继续执行步骤S2和步骤S3；
S5：如果没有终端m被拒绝，则停止；
否则继续执行步骤S4。
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