CN115834616A - 支持异构传感数据接入的边缘物联代理系统及应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开支持异构传感数据接入的边缘物联代理系统，涉及边缘计算终端技术领域，包括：主控单元，用于实现边缘物联代理内各种逻辑控制、数据处理、图像识别算法、传感器数据融合、数据预测；认证模组单元，用于完成对边缘物联代理固件进行校验认证；远程通信单元，用于根据业务场景选配通信方式；本地通信单元，根据不同业务场景、预留位置和线序选配通信方式；图像采集单元，用于采集多路图像/视频信号；电源单元，用于对电源进行转换提供主控单元工作电压。本发明还提供支持异构传感数据接入的边缘物联代理应用方法。本发明支持接入多种不同厂商、不同种类的传感器，实现即插即用，提升电力行业无人化、智能化监测水平，保障电力设施安全。

Description

支持异构传感数据接入的边缘物联代理系统及应用方法

技术领域

本发明涉及边缘计算终端技术领域，具体涉及一种支持异构传感数据接入的边缘物联代理系统及应用方法。

背景技术

电力物联网是物联网在智能电网中的应用，是信息通信技术发展到一定阶段的结果，其将有效整合通信基础设施资源和电力系统集成设施资源，提高电力系统信息化水平，改善电力系统现有基础利用效率，为电网发、输、变、配、用电等环节提供重要技术支撑。电力物联网感知层是电力物联网的重要组成部分，负责对电网发、输、变、配、用电等环节进行全面状态感知，涉及振动、声纹、微气象、覆冰、压力、图像多种电力设备和环境感知装置。

在电力行业的源网荷储中，需要对电力设备及环境进行大规模、多种类的感知终端部署，包括微气象装置、微风振动、导线温度、声纹振动、电参量传感器等。电力物联网的全面感知涉及电学测量、力学测量、温度测量等多种类数据的感知，并支撑了导线动态增容、覆冰、舞动、视频前端识别、变压器油色谱识别、人员安全规范识别、电子围栏等多种类业务应用。传感装置采集的频次越来越高，采集的时间间隔甚至到毫秒级，产生的数据量越来越大。如在工业园区能源感知建设中会存在接入光照强度、风速风向、振动、光伏发电、空调系统、照明系统、人脸采集识别等多种感知系统，由于感知系统采集的数据类型、安装位置、信号干扰等因素，会采用网线、载波通信、WiFi、蓝牙等多种有线和无线通信方式。

由于电力场景涉及多高压电场、多电磁和多金属遮挡物的情况，单一通信方式无法满足应用需求。例如，对工业园区进行智能监控，会涉及摄像头、电表、风速风向等微气象传感器、照明及空调控制等，需要使用载波通信、网线、WiFi、蓝牙、RS485等多种通信方式。因此现有技术中，对于同一应用场景下，需采用多种通信方式以及多种接入节点满足整体应用需求，或者通过独家供应商集成其他厂家的需求来满足所有功能需求满足各功能。

上述现有技术中通过采用不同厂家的分立信息采集系统来满足各功能，存在信息采集系统的格式不统一，数据来源众多，信息渠道不一致，数据没有进行标准化处理，接入主站压力大；接入节点重复配置导致采购成本增加、检修施工效率降低、各个节点的电源及通信模块难以复用，数据难以互通；采用独立供应商集成其他厂家的需求需要对应用场景进行定制化开发，随着数据的海量接入，异构感知数据导致系统传输压力大、主站计算负荷重，后续升级困难，难以实现后续各类感知控制设备的即插即用的功能扩展。现有监测系统中的网关仅支持少量通信协议，无法接入种类繁多、通信方式多样的电力传感器，无法满足电力应用场景的整体业务需求。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的不足，本发明提供一种支持异构传感数据接入的边缘物联代理系统及应用方法，支持接入电力行业多种通信协议、多数据格式传感器，支持在数据边缘侧进行数据融合、数据分析，节约网络带宽、减轻云服务平台压力。能够接入电力行业多种通信协议、多数据格式传感器，突破异构感知数据互通壁垒，实现数据在边缘侧互联互通、数据融合、数据分析，降低异构数据传输量和云服务平台处理压力。

本发明提出的技术方案为：

一种支持异构传感数据接入的边缘物联代理系统，包括：

主控单元，用于实现边缘物联代理内各种逻辑控制、数据处理、图像识别算法、传感器数据融合、数据预测；

认证模组单元，用于完成对边缘物联代理固件进行校验认证；

远程通信单元，用于根据业务场景选配通信方式；

本地通信单元，根据不同业务场景、预留位置和线序选配通信方式；

图像采集单元，用于采集多路图像/视频信号；

电源单元，用于对电源进行转换提供主控单元工作电压。

进一步的，所述主控单元包括：

主控芯片、存储模块和时钟模块，所述主控芯片为RISC-V架构CPU并集成AI加速单元，所述存储模块包括高速存储器、FLASH存储器，所述高速存储器和FLASH存储器与主控芯片连接；所述时钟模块为时钟晶振电路，所述时钟晶振电路与主控芯片连接。

作为本发明的进一步技术方案为，所述认证模组单元设置唯一标识，边缘计算框架启动时会对唯一标识进行读取校验，读取失败后，软件启动中止，保护本地数据不被恶意读取。

作为本发明的进一步技术方案为，所述远程通信单元包括4G、5G、北斗模块位置以及网口。

作为本发明的进一步技术方案为，所述本地通信单元包括有线通信接口和无线通信接口，其中有线通信支持RS485、RS232、网线、USB、I2C、SPI、通用输入输出接口，无线通信支持蓝牙、WiFi、ZigBee、433MHz微功率无线通信，无线通信采用同一标准外形和通信线序。

作为本发明的进一步技术方案为，图像采集单元包括两路千兆网口和USB接口。

本发明还提供一种支持异构传感数据接入的边缘物联代理应用方法，包括以下步骤：

云服务平台通过HTTP/MQTT将传感器采集程序、AI识别算法服务以微服务APP的形式下发至边缘物联代理，通过应用服务进行用户APP管理；

云服务平台通过下发配置文件或调用API指令对各应用的启停以及采集上传频率进行设置；

根据用户配置文件或指令，调用传感器设备驱动，采集传感器数据，通过核心数据服务，按照统一的数据格式存储到安全数据库中；

应用服务中用户程序通过数据支撑服务从数据库中获取需要的数据，进行数据处理；根据需求判断执行云服务平台响应。

作为本发明的进一步技术方案为，所述应用服务中的用户通过数据支撑服务从数据库中获取需要的数据，并进行数据处理，根据需要判断执行云服务平台响应，具体包括：

应用服务对本地图像识别，负荷推理类AI应用进行算力资源优化调度处理，设计共享算子适配，用户通过数据支撑服务从数据库中获取需要的数据，首先对数据与算法模型进行预处理，适配底层AI加速单元算子；然后经过硬件AI加速运算单元加速运算，得到推理/处理的结果，最后根据业务需求判断上传至云服务平台或执行响应的控制动作。

本发明的有益效果为：

1、本发明在边缘物联代理上增加认证模组单元和安全交互边缘计算框架，实现唯一性标识和程序运行时防护，保障系统固件、设备硬件、应用数据不被篡改。

2、基于具有4T算力的RISC-V架构芯片，设计多通信接口的边缘物联代理和微服务架构的边缘计算框架，支持多种通信方式的异构传感数据标准接入与数据融合和不同业务应用APP轻量化容器隔离运行，克服不同传感器之间数据互通问题和不同业务应用程序之间相互干扰问题，增强边缘物联代理运行安全性、稳定性，降低网络传输与云服务平台处理压力，提升边缘侧智能水平。

3、本发明设计业务应用流程和共享算子适配机制，解决有限资源的边缘侧设备中智能算法运行受限问题，提升边缘物联代理计算资源利用率。

4、本发明能够在不增加额外的经济成本情况下，支持接入多种不同厂商、不同种类的传感器，实现即插即用。

5、边缘物联代理具备图像接入和识别的能力，支持在数据边侧进行数据融合、智能分析，适用于输电、变电、配电等多种电力业务场景，能够提升电力行业无人化、智能化监测水平，保障电力设施安全，具有一定的应用价值。

附图说明

图1为本发明提出的支持异构传感数据接入的边缘物联代理系统结构图；

图2为本发明提出的支持异构传感数据接入的边缘物联代理系统硬件设计结构图；

图3为本发明提出的支持异构传感数据接入的边缘物联代理系统软件架构图；

图4为本发明提出的支持异构传感数据接入的边缘物联代理应用方法流程图；

图5为本发明提出的支持异构传感数据接入的边缘物联代理应用方法调用示意图。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。

边缘计算和云计算都是处理大数据的计算运行方式，数据不用再传到遥远的云服务平台，在边缘侧就能解决，更适合实时的数据分析和智能化处理，也更加高效而且安全。

过度依赖云中心会导致物联网的效率达不到预期，特别是对时延要求严格的场景，物联网部署变得毫无意义。例如，设备监控场景下，摄像头获取现场视频及图像并传输到云中心处理的模式，不仅需要高速带宽传输大量无效数据，而且给云中心也带来巨大负担。最终结果是处理成本高昂，处理时间长，效率低下。

本发明涉及的名词定义：

边缘物联代理：边缘物联代理位于电力物联网的感知层，利用设备本地通信接口对各类传感器、终端等设备接入并统一管理，通过协议解析将业务数据提取、汇聚及存储，并按物模型要求进行标准化建模，利用边缘计算能力对业务数据处理后发送至平台层；

边缘计算：边缘计算指在靠近物或数据源头的网络边缘侧，融合网络、计算、存储、开放平台，就近提供边缘智能服务，满足行业数字化在敏捷连接、实时业务、数据优化、应用智能、安全与隐私保护等方面的关键需求，数据不用再传到遥远的云服务平台，在边缘侧就能解决，更适合实时的数据分析和智能化处理，也更加高效而且安全。

如图1至图5,其示出了本发明的具体实施方式：

参见图1至图3，一种支持异构传感数据接入的边缘物联代理系统，包括：

主控单元101，用于实现边缘物联代理内各种逻辑控制、数据处理、图像识别算法、传感器数据融合、数据预测；

认证模组单元102，用于完成对边缘物联代理固件进行校验认证；

远程通信单元103，用于根据业务场景选配通信方式；

本地通信单元104，根据不同业务场景、预留位置和线序接入进行选配通信方式；

图像采集单元105，用于采集多路图像/视频信号；

电源单元106，用于对电源进行转换提供主控单元工作电压。

本发明以具有4T算力的RISC-V架构芯片为主控单元，采用模块化设计思路，设计安全认证和各类通信模组，支持窄带/宽带通信以及广域数据传输。其上运行定制边缘计算框架，增强安全性和灵活接入传感器能力。解决有线、无线通信的不同传感器的标准化接入问题，减少不同种类传感器的汇聚节点部署数量，降低成本。

本发明实施例中，主控单元包括：主控芯片、存储模块和时钟模块，所述主控芯片为RISC-V架构CPU并集成AI加速单元，所述存储模块包括高速存储器、FLASH存储器，所述高速存储器和FLASH存储器与主控芯片连接；所述时钟模块为时钟晶振电路，所述时钟晶振电路与主控芯片连接。

主控芯片采用RISC-V架构CPU作为主控，实现边缘物联代理内各种逻辑控制，数据处理，主控芯片内部集成AI加速单元，可实现图像识别算法、传感器数据融合、数据预测。

本发明实施例中，认证模组单元设置唯一标识，边缘计算框架启动时会对唯一标识进行读取校验，读取失败后，软件启动中止，保护本地数据不被恶意读取。系统启动时，完成对边缘物联代理固件进行校验认证，保证边缘物联代理固件软件等不被篡改。具有唯一标识，边缘计算框架启动时会对唯一标识进行读取校验，读取失败后，软件启动中止，保护本地数据不被恶意读取。

本发明实施例中，远程通信单元包括4G、5G、北斗模块位置以及网口，可根据不同的业务场景选配不同的配置方案。

本发明实施例中，本地通信单元包括有线通信接口和无线通信接口，其中有线通信支持RS485、RS232、网线、USB、I2C、SPI、通用输入输出接口，无线通信支持蓝牙、WiFi、ZigBee、433MHz微功率无线通信，无线通信采用同一标准外形和通信线序，可根据不同业务场景进行选配，也可根据预留位置和线序接入其他无线通信。

本发明实施例中，图像采集单元包括两路千兆网口和USB接口，图像采集单元为摄像头，通过设置两路千兆网口和USB接口，支持接入多路图像/视频。

基于边缘物联代理使用的RISC-V架构CPU，设计了适用于RISC-V边缘计算架构。RISC-V边缘计算架构位于边缘物联代理系统之上，北向与云服务器进行业务数据通信，南向采集管理传感器数据，自身进行设备注册服务、数据安全管理、业务APP支撑、AI算法运行。

边缘计算框架采用微服务的形式管理边缘物联代理自身状态、传感器数据采集控制、逻辑控制应用、智能识别算法调用等。边缘计算框架的安全单元与硬件中认证模组进行信息交互，周期读取校验认证模组中唯一ID，保证硬件不配篡改。

本发明实施例中，边缘物联代理上设计适配的边缘计算框架，实时进行设备状态管理、传感器接入控制、边缘业务算法部署支持、本地数据安全管理。解决异构感知数据接入数据格式不一、数据融合困难问题，实现数据过滤、聚合、转换、丰富、压缩、加密，同时提升边缘物联代理安全性能。

使用的RISC-V架构CPU，设计了适用于RISC-V边缘计算架构。RISC-V边缘计算架构位于边缘物联代理系统之上，北向与云服务器进行业务数据通信，南向采集管理传感器数据，自身进行设备注册服务、数据安全管理、业务APP支撑、AI算法运行。

边缘计算框架采用微服务的形式管理边缘物联代理自身状态、传感器数据采集控制、逻辑控制应用、智能识别算法调用等。边缘计算框架的安全单元与硬件中认证模组进行信息交互，周期读取校验认证模组中唯一ID，保证硬件不配篡改。

参见图4和图5，本发明还提供一种支持异构传感数据接入的边缘物联代理应用方法，包括以下步骤：

步骤201，云服务平台通过HTTP/MQTT将传感器采集程序、AI识别算法服务以微服务APP的形式下发至边缘物联代理，由边缘计算框架中应用服务(Application Service)进行用户APP管理；

步骤202，云服务平台通过下发配置文件或调用API指令对各应用的启停以及采集上传频率进行设置；

步骤203，边缘计算框架根据用户配置文件或指令，调用传感器物模型中对应的设备驱动，采集传感器数据，通过核心数据服务，按照统一的数据格式存储到安全数据库中；

步骤204，应用服务(Application Service)中用户程序通过数据支撑服务从数据库中获取需要的数据，进行数据处理；根据需求判断执行云服务平台响应。

本发明实施例中，应用服务中的用户通过数据支撑服务从数据库中获取需要的数据，并进行数据处理，根据需要判断执行云服务平台响应，具体包括：

应用服务对本地图像识别，负荷推理类AI应用进行算力资源优化调度处理，设计共享算子适配，用户通过数据支撑服务从数据库中获取需要的数据，首先对数据与算法模型进行预处理，适配底层AI加速单元算子；然后经过硬件AI加速运算单元加速运算，得到推理/处理的结果，最后根据业务需求判断上传至云服务平台或执行响应的控制动作。

边缘物联代理支持蓝牙、wifi、4G、北斗、网线、RS485、RS232等多种局域、广域通信方式，支持多种传感器数据的统一接入，减少了不同种类传感器接入网关的重复购置，降低了硬件、安装、维护成本。同时增加了认证硬件模组，提高了边缘物联代理数据和服务安全性。

边缘物联代理使用定制化边缘计算框架，强化安全保护功能，优化AI加速单元调用流程，支持对图像、视频、传感数据进行标准化数据的接入，并能够对数据进行边缘侧智能分析、数据融合、本地决策，既降低了网络传输压力与主站处理压力，提高了业务响应速度。

本发明在边缘物联代理上增加硬件认证模块和安全交互边缘计算框架软件，实现核心板的唯一性标识和程序运行时防护，保障系统固件、设备硬件、应用数据不被篡改。

基于具有4T算力的RISC-V架构芯片，设计多通信接口的边缘物联代理和微服务架构的边缘计算框架，支持多种通信方式的异构传感数据标准接入与数据融合和不同业务应用APP轻量化容器隔离运行，克服不同传感器之间数据互通问题和不同业务应用程序之间相互干扰问题，增强边缘物联代理运行安全性、稳定性，降低网络传输与云服务平台处理压力，提升边缘侧智能水平。

本发明设计业务应用流程和共享算子适配机制，解决有限资源的边缘侧设备中智能算法运行受限问题，提升边缘物联代理计算资源利用率。

以上对本发明进行了详细介绍，但是本发明不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。不脱离本发明的构思和范围可以做出许多其他改变和改型。应当理解，本发明不限于特定的实施方式，本发明的范围由所附权利要求限定。

Claims (8)

1.一种支持异构传感数据接入的边缘物联代理系统，其特征在于，包括：

主控单元，用于实现边缘物联代理内各种逻辑控制、数据处理、图像识别算法、传感器数据融合、数据预测；

认证模组单元，用于完成对边缘物联代理固件进行校验认证；

远程通信单元，用于根据业务场景选配通信方式；

本地通信单元，根据业务场景、预留位置和线序选配通信方式；

图像采集单元，用于采集多路图像/视频信号；

电源单元，用于对电源进行转换提供主控单元工作电压。

2.根据权利要求1所述的一种支持异构传感数据接入的边缘物联代理系统，其特征在于，所述主控单元包括：

主控芯片、存储模块和时钟模块，所述主控芯片为RISC-V架构CPU并集成AI加速单元，所述存储模块包括高速存储器、FLASH存储器，所述高速存储器和FLASH存储器与主控芯片连接；所述时钟模块为时钟晶振电路，所述时钟晶振电路与主控芯片连接。

3.根据权利要求1所述的一种支持异构传感数据接入的边缘物联代理系统，其特征在于，所述认证模组单元设置唯一标识，边缘计算框架启动时会对唯一标识进行读取校验，读取失败后，软件启动中止，保护本地数据不被恶意读取。

4.根据权利要求1所述的一种支持异构传感数据接入的边缘物联代理系统，其特征在于，所述远程通信单元包括4G、5G、北斗模块位置以及网口。

5.根据权利要求1所述的一种支持异构传感数据接入的边缘物联代理系统，其特征在于，所述本地通信单元包括有线通信接口和无线通信接口，其中有线通信支持RS485、RS232、网线、USB、I2C、SPI、通用输入输出接口，无线通信支持蓝牙、WiFi、ZigBee、433MHz微功率无线通信，无线通信采用同一标准外形和通信线序。

6.根据权利要求1所述的一种支持异构传感数据接入的边缘物联代理系统，其特征在于，图像采集单元包括两路千兆网口和USB接口。

7.一种支持异构传感数据接入的边缘物联代理应用方法，其特征在于，采用如权利要求1-6中任一所述的一种支持异构传感数据接入的边缘物联代理系统，包括以下步骤：

云服务平台通过HTTP/MQTT将传感器采集程序、AI识别算法服务以微服务APP的形式下发至边缘物联代理，通过应用服务进行用户APP管理；

云服务平台通过下发配置文件或调用API指令对各应用的启停以及采集上传频率进行设置；

根据用户配置文件或指令，调用传感器设备驱动，采集传感器数据，通过核心数据服务，按照统一的数据格式存储到安全数据库中；

应用服务中用户程序通过数据支撑服务从数据库中获取需要的数据，进行数据处理；根据需求判断执行云服务平台响应。

8.根据权利要求7所述的一种支持异构传感数据接入的边缘物联代理应用方法，其特征在于，所述应用服务中的用户通过数据支撑服务从数据库中获取需要的数据，并进行数据处理，根据需要判断执行云服务平台响应，具体包括：

应用服务对本地图像识别，负荷推理类AI应用进行算力资源优化调度处理，设计共享算子适配，用户通过数据支撑服务从数据库中获取需要的数据；

对数据与算法模型进行预处理，适配底层AI加速单元算子；

经过硬件AI加速运算单元加速运算，得到推理/处理的结果；

根据业务需求判断上传至云服务平台或执行响应的控制动作。

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