CN115412403B - 基于云边协同的智能网关 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于云边协同的智能网关，其特征在于，包括云端技术构架、网关技术构架和终端节点技术构架；所述云端技术构架和网关技术构架之间通过网线或者WIFI进行网络连接，通过网关内置的EMQXEdge桥接到云端的MQTT服务器，进行网关——云端数据的交互，可以通过EMQXEdge将控制指令下发到终端节点，其拥有网关断开与云端连接时将数据落盘持久化的能力；网关内置lorawan‑server充当LoraWan协议中的NS，与终端节点进行交互。本发明结合云计算与边缘计算技术，进行云边协同，在边缘侧的网关对数据进行本地化的快速处理，可提高整个系统的响应速度，减少向云端上传的数据量，大大减轻网络带宽的压力，减轻网络负载，减少增加节点的费用。

Description

基于云边协同的智能网关
技术领域
本发明涉及网关技术领域，具体为基于云边协同的智能网关。
背景技术
近年来，物联网技术得以不断累积与升级，产业链也逐渐的完善和成熟，再加上基础设施建设、基础行业转型和消费升级等周期性因素的驱动，处于不同发展水平的领域和行业交替式地不断推进物联网的发展，带动了全球物联网行业整体爆发式增长态势，物联网的高效发展，必然会导致设备的不断增加，设备增加到一定程度，会给云端带来很大的数据压力，所以边缘计算就变成了现如今发展的关键，将设备的数据在最近的“云端”进行数据处理，这样会大大的减少云端的数据处理压力，而结合边缘计算和云计算两者优点的云边协同也备受广大技术人员的关注，云边协同能实现对不同应用场景下各类需求的良好契合和高效匹配，并推动边缘计算涉及的相关应用最大化程度上发挥其价值功能，在云边协同过程中，边缘计算主要为云端实时处理并提供高价值的数据，云计算负责周期长、非实时的数据，从云服务角度，可以将云边协同技术分为六种：资源协同、数据协同、智能协同、业务编排协同、应用管理协同、服务协同，在本产品中我们主要是将资源协同技术应用到了物联网网关中，解决边缘节点资源受限问题，解决边缘云资源的扩张与收缩问题，以及最大程度地减少中央云集群的开销；
目前该产品的主要技术内容是节点与网关通过lora无线通信连接，实现无线通信，并且减少资源消耗，现阶段实现了节点与网关之间的成功交互，数据的成功接收，上位机可以成功接收到下位机的数据，并且进行对数据的处理，从而可以实现用户对节点进行操作控制；
当前的工业互联网云边协同中，对于数据协同，缺少一个统一的数据采集标准，以形成统一的行业生态，生成高质量的数据，对于设备异构的特性的考虑也是十分欠缺，相同的方法应用于不同的设备时，将会出现不可预计的结果，云边协同过程中的技术实现原理往往也被忽略，故云边协同的底层实现原理亟待研究，边缘计算领域中，缺少体系化的标准，现有的标准重叠化现象严重，存在已发布的标准与厂商的产品实现存在脱节等诸多问题。
所以我们提出了基于云边协同的智能网关，以便于解决上述中提出的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供基于云边协同的智能网关，以解决上述背景技术提出的目前市场上缺少一个统一的数据采集标准的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：基于云边协同的智能网关，其特征在于，包括云端技术构架、网关技术构架和终端节点技术构架；
所述云端技术构架和网关技术构架之间通过网线或者WIFI进行网络连接，通过网关内置的EMQX Edge桥接到云端的MQTT服务器，进行网关——云端数据的交互，可以通过EMQX Edge将控制指令下发到终端节点，其拥有网关断开与云端连接时将数据落盘持久化的能力，如果发生网关断网的情况，EMQX Edge待连接恢复后重新发送，使用网关内部的MQTT客户端B，通过EMQX Edge可以将终端节点采集的数据取出进行处理；
网关内置lorawan-server充当LoraWan协议中的NS，与终端节点进行交互；
lorawan-server拥有lorawan节点组网的能力，能够做到将数据下发至指定节点，亦能够将同一数据下发到一组节点，lorawan-server接收到的节点数据通过lorawan-server内置的客户端A上传到网关内部的EMQX Edge中；
终端节点分为采集节点和控制节点，采集节点被设置为LoraWan协议中的classA类型，此类型平时处于接收关闭状态，只有在进行一次上行链路发送后打开两个短暂的接收窗口用于接收数据，因此功耗最低，适用于采集传感器数据并上传云端的节点。控制节点被设置为LoraWan协议中的classC类型，此类型平时处于全功率接收状态，只有在发送数据时，关闭接收窗口，因此实时性最好，也是LoraWan协议中功耗最高的终端类型，控制节点对实时性要求较高，因而采用classC类型终端节点。
优选的，所述网关技术构架基于如下硬件环境：树莓派4B、M-GW1302S模组。
优选的，所述云端技术构架、网关技术构架和终端节点技术构架基于如下软件环境：Linux raspberrypi 4.19.118-v7l+#1311SMP Mon Apr 27 14:26:42BST 2020armv7lGNU/Linux、lorawan-server、EMQX-Edge。
优选的，所述网关技术构架内数据决策如下：
采集节点采用LoraWan协议中的classA类型，向网关发送数据。网关对数据进行数据处理后，如果需要进行设备控制，可以直接从网关向控制节点下发指令，而无需通过云端进行指令下发，减少向云端上传的数据量，降低终端——边缘网关的时延，提高响应速度，一些需要上传到服务器的数据也会自动上传至云端，例如需要展示的数据、设备的状态；
用户可以通过展示页面向网关下发数据，如果接收节点为采集节点，展示页面向网关下发的数据将会进入lorawan-server的下行链路队列中等待下发，接收节点下次上行链路后打开两个短暂的接收窗口，待下发的数据会在这两个短暂的接收窗口中被下发，如果接收节点为控制节点，则会实时发送，实时接收，而无需进入下行链路队列等待下发。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明结合云计算与边缘计算技术，进行云边协同，在边缘侧的网关对数据进行本地化的快速处理，可提高整个系统的响应速度，减少向云端上传的数据量，大大减轻网络带宽的压力，减轻网络负载，减少增加节点的费用，而且采用低功耗的Lora传输，更加节能，便于扩充节点，在网关中运行智能的数据处理算法，不仅可以快速地处理数据，还可根据这些数据生成高质量的数据，从而在这些数据中挖掘更有价值的数据；
1.摒弃传统的使用云端进行数据处理的模式，改用算力强大的网关将所有数据进行本地化处理，根据数据处理结果进行设备控制，提高整个系统的即时响应速度，减少向云端传输的数据量，降低网关——云端的网络负载，减轻云端的压力；
2.通过少量的传感器，可以对节点进行区域化的控制，大幅度降低系统成本；
3.使用Lora和LoraWan协议栈连接网关与节点，具有可扩充性好、组网方便。
附图说明
图1为本发明系统框架图；
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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明提供技术方案：基于云边协同的智能网关，其特征在于，包括云端技术构架、网关技术构架和终端节点技术构架，该技术构架是基于树莓派4B、M-GW1302S模组等硬件设备下搭建，是基于Linux raspberrypi 4.19.118-v7l+#1311SMP Mon Apr2714:26:42BST 2020armv7l GNU/Linux、lorawan-server、EMQX-Edge等软件系统下搭建；
所述云端技术构架和网关技术构架之间通过网线或者WIFI进行网络连接，通过网关内置的EMQX Edge桥接到云端的MQTT服务器，进行网关——云端数据的交互，可以通过EMQX Edge将控制指令下发到终端节点，其拥有网关断开与云端连接时将数据落盘持久化的能力，如果发生网关断网的情况，EMQX Edge待连接恢复后重新发送，使用网关内部的MQTT客户端B，通过EMQX Edge可以将终端节点采集的数据取出进行处理；
网关内置lorawan-server充当LoraWan协议中的NS，与终端节点进行交互；
lorawan-server拥有lorawan节点组网的能力，能够做到将数据下发至指定节点，亦能够将同一数据下发到一组节点，lorawan-server接收到的节点数据通过lorawan-server内置的客户端A上传到网关内部的EMQX Edge中；
终端节点分为采集节点和控制节点，采集节点被设置为LoraWan协议中的classA类型，此类型平时处于接收关闭状态，只有在进行一次上行链路发送后打开两个短暂的接收窗口用于接收数据，因此功耗最低，适用于采集传感器数据并上传云端的节点。控制节点被设置为LoraWan协议中的classC类型，此类型平时处于全功率接收状态，只有在发送数据时，关闭接收窗口，因此实时性最好，也是LoraWan协议中功耗最高的终端类型，控制节点对实时性要求较高，因而采用classC类型终端节点；
采集节点采用LoraWan协议中的classA类型，向网关发送数据。网关对数据进行数据处理后，如果需要进行设备控制，可以直接从网关向控制节点下发指令，而无需通过云端进行指令下发，减少向云端上传的数据量，降低终端——边缘网关的时延，提高响应速度，一些需要上传到服务器的数据也会自动上传至云端，例如需要展示的数据、设备的状态；
用户可以通过展示页面向网关下发数据，如果接收节点为采集节点，展示页面向网关下发的数据将会进入lorawan-server的下行链路队列中等待下发，接收节点下次上行链路后打开两个短暂的接收窗口，待下发的数据会在这两个短暂的接收窗口中被下发，如果接收节点为控制节点，则会实时发送，实时接收，而无需进入下行链路队列等待下发。
本专利的技术方案在传统的物联网架构上进行了修改，结合云计算与边缘计算，进行云边协同。
本网关当网关参数当每隔10分钟，节点上报12个字节，server没有下行数据时，该网关可以同时连接13084个节点，网关这时的吞吐量为44253bps，月流量为13G；
当参数为每隔5分钟，节点上报10个字节，每隔10分钟，server下行数据12个字节时，该网关可以同时连接7107个节点，网关这时的吞吐量为48065bps，月流量为14.9G；
当参数为每隔1分钟，节点上报12个字节，每隔1分钟，server下行数据12个字节时，该网关可以同时连接1302个节点，网关这时的吞吐量为44037bps，月流量为13.6G；
当参数为每隔10秒钟，节点上报12个字节，每隔10秒钟，server下行数据12个字节时，该网关可以同时连接211个节点，网关这时的吞吐量为42022bps，月流量为13.2G。
该网关的传输距离也具有一定的优势，在开阔地带，一个网关的覆盖范围达到了4.3千米。
针对技术方案中出现的专业术语解释
云边协同：
云边协同是云计算与边缘计算的互补协同，边缘计算模型的提出，对云计算集中式模型的不足提供了新的解决思路，是适应技术发展需求的产物，但不能完全取代云计算，两者是协同运作的；通过云和边缘的紧密协同可以更好地满足各种应用场景的需求，从而放大两者的应用价值。
云边协同是结合云计算与边缘计算两者优势的一种新的研究方向，融合了云计算、边缘计算、5G、人工智能等多种新兴技术。
云计算：
云计算是分布式计算的一种，指的是通过网络云将巨大的数据计算处理程序分解成无数个小程序，然后通过多部服务器组成的系统进行处理和分析这些小程序得到结果并返回给用户。透过这项技术，网络服务提供者可以在数秒之内，达成处理数以千万计甚至亿计的信息，达到和“超级计算机”同样强大效能的网络服务。
边缘计算：
边缘计算，是指在靠近物或数据源头的一侧，采用网络、计算、存储、应用核心能力为一体的开放平台，就近提供最近端服务。其应用程序在边缘侧发起，产生更快的网络服务响应，满足行业在实时业务、应用智能、安全与隐私保护等方面的基本需求。
Lora：
LoRa是semtech公司开发的一种低功耗局域网无线标准，其名称“LoRa”是远距离无线电(Long Range Radio)，它最大特点就是在同样的功耗条件下比其他无线方式传播的距离更远，实现了低功耗和远距离的统一，它在同样的功耗下比传统的无线射频通信距离扩大3-5倍。
LoraWan：
LoraWAN是一种基于LoRa远距离通信技术配套设计的一套通讯协议和系统架构。LoRaWAN网络通常采用星型拓扑结构，由拓扑中的网关来转发终端与后台网络服务器间的消息。网关通过标准IP连接来接入网络服务器，而终端则通过单跳的LoRa或者FSK来和一个或多个网关通讯。
双向传输终端(Class A)：
Class A的终端在每次上行后都会紧跟两个短暂的下行接收窗口，以此实现双向传输。终端基于自身通信需求来安排传输时隙，在随机时间的基础上具有较小的变化(即ALOHA协议)。这种Class A操作为应用提供了最低功耗的终端系统，只要求应用在终端上行传输后的很短时间内进行服务器的下行传输。服务器在其他任何时间进行的下行传输都得等终端的下一次上行。
划定接收时隙的双向传输终端(Class B)：
Class B的终端会有更多的接收时隙。除了Class A的随机接收窗口，Class B设备还会在指定时间打开别的接收窗口。为了让终端可以在指定时间打开接收窗口，终端需要从网关接收时间同步的信标(Beacon)。这使得服务器可以知道终端何时处于监听状态。
最大化接收时隙的双向传输终端(Class C)：
Class C的终端基本是一直打开着接收窗口，只在发送时短暂关闭。Class C的终端会比Class A和Class B更加耗电，但同时从服务器下发给终端的时延也是最短的。
MQTT：
Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输协议，一种低开销、低带宽占用的即时通讯协议，是基于客户端-服务器的消息发布/订阅传输协议，在物联网、小型设备、移动应用等方面有较广泛的应用。
MQTT broker:
MQTT Broker也称为MQTT消息服务器，它可以是运行了MQTT消息服务器软件的一台服务器或一个服务器集群。MQTT Broker负责接收来自客户端的网络连接，并处理客户端的订阅/取消订阅(Subscribe/Unsubscribe)、消息发布(Publish)请求，同时也会将客户端发布的消息转发给其他订阅者。
树莓派：
是一款基于ARM的微型电脑主板，以SD/MicroSD卡为内存硬盘，卡片主板周围有1/2/4个USB接口和一个10/100以太网接口(A型没有网口)，可连接键盘、鼠标和网线，同时拥有视频模拟信号的电视输出接口和HDMI高清视频输出接口，以上部件全部整合在一张仅比信用卡稍大的主板上，具备所有PC的基本功能只需接通电视机和键盘，就能执行如电子表格、文字处理、玩游戏、播放高清视频等诸多功能。Raspberry Pi B款只提供电脑板，无内存、电源、键盘、机箱或连线。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.基于云边协同的智能网关，其特征在于，云端和网关之间通过网线或者WIFI进行网络连接，通过网关内置的EMQX Edge桥接到云端的MQTT服务器，进行网关到云端数据的交互，通过EMQX Edge将控制指令下发到终端节点，其拥有网关断开与云端连接时将数据落盘持久化的能力，如果发生网关断网的情况，EMQX Edge待连接恢复后重新发送，使用网关内部的MQTT客户端B，通过EMQX Edge可以将终端节点采集的数据取出进行处理；
网关内置lorawan-server充当LoraWan协议中的NS，与终端节点进行交互；
lorawan-server拥有lorawan节点组网的能力，能够做到将数据下发至指定节点，亦能够将同一数据下发到一组节点，lorawan-server接收到的节点数据通过lorawan-server内置的客户端A上传到网关内部的EMQX Edge中；
终端节点分为采集节点和控制节点，采集节点被设置为LoraWan协议中的classA类型，此类型平时处于接收关闭状态，只有在进行一次上行链路发送后打开两个短暂的接收窗口用于接收数据；控制节点被设置为LoraWan协议中的classC类型，此类型平时处于全功率接收状态，只有在发送数据时，关闭接收窗口。
2.根据权利要求1所述的基于云边协同的智能网关，其特征在于：所述网关基于如下硬件环境：树莓派4B、M-GW1302S模组。
3.根据权利要求1所述的基于云边协同的智能网关，其特征在于：所述云端、网关和终端节点基于如下软件环境：Linux raspberrypi 4.19.118-v7l+ #1311 SMP Mon Apr 2714:26:42 BST 2020 armv7l GNU/Linux、lorawan-server、EMQX-Edge。
4.根据权利要求1所述的基于云边协同的智能网关，其特征在于：所述网关内数据决策如下：
采集节点采用LoraWan协议中的classA类型，向网关发送数据；网关对数据进行数据处理后，如果需要进行设备控制，直接从网关向控制节点下发指令，而无需通过云端进行指令下发，需要上传到服务器的数据也会自动上传至云端；
用户通过展示页面向网关下发数据，如果接收节点为采集节点，展示页面向网关下发的数据将会进入lorawan-server的下行链路队列中等待下发，接收节点打开两个短暂的接收窗口，待下发的数据会在这两个短暂的接收窗口中被下发，如果接收节点为控制节点，则会实时发送，实时接收，而无需进入下行链路队列等待下发。
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