CN117424810A - 一种支持边缘计算部署的智能化物联网网关系统及方法 - Google Patents

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CN117424810A CN202311540986.7A CN202311540986A CN117424810A CN 117424810 A CN117424810 A CN 117424810A CN 202311540986 A CN202311540986 A CN 202311540986A CN 117424810 A CN117424810 A CN 117424810A
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Abstract

本发明公开了一种支持边缘计算部署功能的智能化物联网网关系统，涉及物联网应用技术领域。本发明的网关具有广泛的适应性，可应用于智能工厂、智慧家居、智慧农业等多种应用场景，实现从感知装置到应用的端到端能力，保障数据独立性与安全性；可根据需求灵活部署功能于不同级别的网关，提供边缘计算能力，支持异构装置的统一接入，提供多种部署模式，灵活性高；动态建立数据与应用之间的路由，实现数据传输与处理的灵活集成，并实现物联网应用之间以及物联网应用与网关之间的松耦合。

Description

一种支持边缘计算部署的智能化物联网网关系统及方法
技术领域
本发明涉及物联网应用技术领域，特别是一种支持边缘计算部署的智能化物联网网关系统及方法。
背景技术
物联网技术旨在实现万物互联，而物联网网关是实现这一愿景的关键设备。不同的物联网应用场景需要不同的物联网网关来实现多种物联网应用开发，当前已经针对不同应用场景设计了不同的物联网网关，如面向智慧农业场景的网关、工业应用环境的网关以及基于SDN技术的智能物联网网关等。
这些物联网网关主要实现数据采集、数据传输、协议转换、管理控制等功能，并采用层次化的方式设计多个应用模块。然而，这些物联网网关存在以下问题：无法实现物联网网关之间的组网，无法实现不同的网关部署模式，无法支持物联网功能的边缘计算模式。
发明内容
鉴于现有的物联网网关主要集中于提供各种异构装置的接入，功能往往比较单一，无法灵活将应用动态部署边缘于边缘网关等所存在的问题，提出了本发明。
因此，本发明所要解决的问题在于如何设计一种功能更为丰富、具备灵活性、可自适应动态部署边缘计算功能的物联网网关以满足不同应用场景的需求，推动物联网技术的发展和应用。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
第一方面，本发明实施例提供了一种支持边缘计算部署的智能化物联网网关系统，其包括互联模块，用于在需求输入模块、状态采集模块和部署处理模块之间进行信息传递；需求输入模块，用于获取用户或物联网应用程序对边缘计算功能的部署需求，并将部署需求通过所述互联模块传输至所述部署处理模块；状态采集模块，用于监测和采集网关的状态信息，并将所述状态信息通过所述互联模块传输至所述部署处理模块；部署处理模块，用于接收所述部署需求和所述状态信息，执行智能边缘部署位置决策算法，并根据所述智能边缘部署位置决策算法的决策结果在选定的网关上部署边缘计算功能；南向接口代理层，用于标识和处理不同网络设备之间的通信，并将处理后的数据和信息传输至网关层；网关层，用于接收并处理所述南向接口代理层发送的数据，并根据所述决策结果执行数据处理、服务管理和/或路由管理操作。
作为本发明所述支持边缘计算部署的智能化物联网网关系统的一种优选方案，其中：边缘部署位置决策算法的执行包括以下内容：获得相关输入包括所部署的功能代码f、所需的感知资源集合R＝{r1,r2,r3,...}、可用网关列表GW＝{gw1,gw2,gw3,...}、时间约束条件(包括传输时延T和处理时延P)、地理位置约束条件D以及优先级参数α、β、γ；通过计算评估值Scorei，评估网关在特定约束条件下与所部署功能需求之间的满足程度；根据网关的评分情况从高到低进行排序，以找到最能符合用户要求的网关进行部署；根据排序结果选择网关GWi，并判断网关所提供的物联网资源能否完全满足服务功能所需要的资源；若满足，则选择此网关作为部署网关并将其返回后，同时结束运行；若无法完全满足或无法满足，则从其余的网关中确定S1+S2+...+Sn＝R是否成立；若成立，则寻找满足条件S1+S2+...+Sn＝R的若干网关GWi的共同祖先节点GWdep作为部署节点并返回，若不成立，则返回空。
作为本发明所述支持边缘计算部署的智能化物联网网关系统的一种优选方案，其中：评估值Scorei的具体公式如下：
其中，α、β、γ均表示优先级参数，CPUi表示第i个网关的CPU能力，Bi表示第i个网关的网络带宽能力，Distance()表示距离函数，RequestResource表示所部署的功能所需要使用的感知资源，GWi表示第i个网关，N表示网关总数。
作为本发明所述支持边缘计算部署的智能化物联网网关系统的一种优选方案，其中：南向接口代理层包括以下内容：南向接口代理层为网关的接入提供多种部署方式，所述部署方式包括内部部署、专有硬件装置部署和PC电脑部署；根据系统实际情况进行ABOVE分析，选择最适合的部署方式；当系统评估确定当前架构复杂或处理效率低下时，选择内部部署方式，以保证系统功能强大且性能优异的同时简化配置与管理；当系统面临安全威胁增加、攻击行为复杂化或软硬件漏洞增多时，选择专有硬件装置部署方式，以避免部署处理模块受到网络攻击与数据泄露的风险；当系统需要支持多变业务、兼容多种设备或利用现有计算资源处理大数据时，选择PC电脑部署方式，以实现数据采集与网关的通信；在部署实施后持续监测和评估部署效果。
作为本发明所述支持边缘计算部署的智能化物联网网关系统的一种优选方案，其中：应用层，用于实现各种物联网应用服务，并通过接口与网关层进行交互；感知层，包括多个感知装置，用于对外部环境信息进行采集，并将采集到的信息传递至南向接口代理层；南向接口代理层包括标识管理模块、终端管理模块、状态管理模块以及配置管理模块，所述标识管理模块用于提供身份验证，所述终端管理模块通过标识管理模块验证终端的合法性，所述状态管理模块用于监控和管理各个模块的运行状态，所述配置管理模块用于根据需要对各个模块的行为进行配置和管理；网关层包括数据及协议转换模块、设备管理模块、数据处理模块、服务管理模块、智能决策管理模块、路由管理模块、安全认证管理模块以及可嵌入的网关服务器模块。
作为本发明所述支持边缘计算部署的智能化物联网网关系统的一种优选方案，其中：南向接口代理层的工作流程如下：标识生成模块在感知设备接入时生成唯一标识，并将生成的标识存储至标识存储模块中；终端管理模块对接入的感知设备进行身份验证，确定感知设备是否合法；若身份验证通过，则将感知设备与南向接口代理层建立连接，并通过接口向上报设备状态信息；感知设备通过心跳机制定时向南向接口代理层发送心跳报文，状态管理模块接收并获取设备的最新状态信息；感知设备启动时，从网关、服务器或本地读取配置信息，并根据配置信息进行相应的配置；南向接口代理层将接收到的数据按照约定的数据格式传输至应用层的应用服务；应用服务根据接收的数据进行处理和分析，并向感知设备发送指令以实现对感知设备的控制和管理。
作为本发明所述支持边缘计算部署的智能化物联网网关系统的一种优选方案，其中：部署处理模块的具体流程如下：服务器主动采集所连接网关的动态状态参数，并将动态状态参数汇聚至服务器集群共享的状态库中；根据所有网关的静态属性和动态状态参数，利用关系图数据库技术构建网络全局状态实时图；当用户或应用程序输入功能部署需求时，描述所需部署的功能属性、资源需求和时间约束；根据用户的部署需求和全局状态信息，执行智能边缘部署位置决策算法以确定最佳部署方案；服务器下发部署指令，选择的网关下载并执行功能代码，并在完成部署后反馈状态。
第二方面，本发明实施例提供了一种支持边缘计算部署的智能化物联网网关方法，其包括开机启动南向接口代理层的南向接口代理程序SIP；SIP通过配置管理模块的配置文件对网关进行自动扫描，并连接网关以读取感知装置的配置信息；SIP根据配置信息对接入的感知装置进行初始化；SIP通过状态管理模块向网关层发送心跳报文，网关层转发至服务器程序，服务器程序利用网关层的智能决策控制模块生成数据转发路由表；感知装置将感知数据发送至南向接口代理程序SIP，SIP将数据转发至网关层；网关层对数据进行处理，并根据路由表信息将数据转发至应用层的物联网应用程序；应用层的物联网应用程序发送控制命令至网关层，网关层根据本身路由信息进行转发，直到目标感知装置的接入网关；网关的SIP根据DeviceID和物理接口将控制命令转发至相应的感知装置进行执行。
第三方面，本发明实施例提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其中：所述计算机程序指令被处理器执行时实现如本发明第一方面所述的支持边缘计算部署的智能化物联网网关系统的步骤。
第四方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其中：所述计算机程序指令被处理器执行时实现如本发明第一方面所述的支持边缘计算部署的智能化物联网网关系统的步骤。
本发明有益效果为：本发明的网关具有广泛的适应性，可应用于智能工厂、智慧家居、智慧农业等多种应用场景，实现从感知装置到应用的端到端能力，保障数据独立性与安全性；可根据需求灵活部署功能于不同级别的网关，提供边缘计算能力，支持异构装置的统一接入，提供多种部署模式，灵活性高；动态建立数据与应用之间的路由，实现数据传输与处理的灵活集成，并实现物联网应用之间以及物联网应用与网关之间的松耦合。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为支持边缘计算部署的智能化物联网网关系统的面向边缘计算的物联网网关架构。
图2为支持边缘计算部署的智能化物联网网关系统的边缘部署过程。
图3为支持边缘计算部署的智能化物联网网关系统的边缘部署位置决策算法。
图4为支持边缘计算部署的智能化物联网网关系统的边缘部署网关选择场景说明。
图5为支持边缘计算部署的智能化物联网网关系统的网关系统架构及部署模式。
图6为支持边缘计算部署的智能化物联网网关系统的实现过程。
图7为支持边缘计算部署的智能化物联网网关系统的南向接口系统功能模块。
图8为支持边缘计算部署的智能化物联网网关系统的智能决策路由控制模块。
图9为支持边缘计算部署的智能化物联网网关系统的物联网应用发送控制命令模块。
图10为支持边缘计算部署的智能化物联网网关系统的感知装置向应用发送数据转发模块。
图11为支持边缘计算部署的智能化物联网网关系统的物联网网关的实际应用场景
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
实施例1
参照图1～图10，为本发明第一个实施例，该实施例提供了一种支持边缘计算部署的智能化物联网网关系统，包括，
优选的，图1为具有智能化的边缘计算部署能力的物联网网关架构，该架构包括了需求输入模块、部署处理模块、状态采集模块以及互联模块，边缘能力部署的具体实现过程如图2所示。
具体的，需求输入模块，用于获取用户或物联网应用程序的具体需求(例如服务能力、所需的物联网资源种类、位置以及响应时间等)，同时将需求信息输入至部署处理模块；状态采集模块，用于获取各个地理位置的网关的状态信息(例如CPU负载、内存消耗、带宽消耗、地理位置以及时延等相关信息)，同时将状态信息通过互联模块传输至部署处理模块。
进一步的，部署处理模块包括多台服务器，服务器之间共享各自的网关状态信息，以获取整个物联网网络的全局状态信息；根据用户的部署需求和全局状态信息执行智能边缘部署位置决策算法，以获得最佳部署位置信息；根据最佳部署位置，将相应的服务能力部署在所选择的网关之上，并启动执行。
进一步的，智能边缘部署位置决策算法的执行包括以下内容：获得相关输入包括所部署的功能代码f、所需的感知资源集合R＝{r1,r2,r3,...}、可用网关列表GW＝{gw1,gw2,gw3,...}、时间约束条件(包括传输时延T和处理时延P，传输时延可通过带宽表示，处理时延和通过CPU处理能力表示)、地理位置约束条件D以及优先级参数α、β、γ；通过计算评估值Scorei，评估网关在特定约束条件下与所部署功能需求之间的满足程度，具体公式如下：
其中，α、β、γ均表示优先级参数，CPUi表示第i个网关的CPU能力，Bi表示第i个网关的网络带宽能力，Distance()表示距离函数，RequestResource表示所部署的功能所需要使用的感知资源，GWi表示第i个网关，N表示网关总数。
需要说明的是，优先级参数满足α+β+γ＝1(这三个参数可根据用户的需求以及各个指标的重要程度进行设定)，α表示CPU能力的重要程度，β表示带宽的重要程度，γ表示功能所需要使用的物联网资源与网关之间距离的重要程度。
进一步的，根据网关的评分情况从高到低进行排序，以找到最能符合用户要求的网关(最优网关)进行部署；根据排序结果选择网关GWi，并判断网关所提供的物联网资源能否完全满足服务功能所需要的资源；若可以满足，则选择此网关作为部署网关并将其返回，同时结束运行；若无法完全满足或无法满足，则从其余的网关中确定S1+S2+...+Sn＝R是否成立(即其中部分网关所拥有的资源之和能否满足需求的资源R)；若成立，则寻找满足条件S1+S2+...+Sn＝R的若干网关GWi的共同祖先节点GWdep作为部署节点并返回，若不成立，则返回空。
需要说明的是，评估每个网关的评分，并选择评分最优的网关作为初始选择；根据应用需求和网关所具备的感知资源进行比较，判断该网关是否满足应用需求，若该网关的资源满足应用需求，则直接选择该网关进行部署，并结束流程；若评分最优的网关的资源不满足应用需求，则需要检查其他网关是否具有评分最优网关所不具备的资源；判断是否存在其他网关具备评分最优网关所不具备的资源，如果没有，则直接结束流程，不进行部署；如果有其他网关具备所需资源，则根据部署算法查找具备评分最优网关所不具备资源的网关的共同父节点网。
进一步的，如图4所示场景中，如果功能所需资源分别部署于GW2、GW3、GW5等环境中，选择这些网关的共同祖先网关节点作为服务功能部署节点；在简化算法的基础上，可以减少相关数据在网络中的总传输；当部署的功能所需的资源部署于GW2或者GW3时，选择它们的父节点GW1作为部署节点；若所需要的资源只需要GW5所提供的数据时，若GW5满足相应的约束条件，则将GW5作为部署节点。
优选的，当智能决策算法返回所部署的节点后，部署处理模块将在所选择的网关节点中，增加相应的路由表信息，以实现相关资源的数据转发。网关路由表由装置描述、装置ID、数据来源、下一跳地址以及时效，其中装置描述用以描述接入的感知装置或者网关的功能信息，装置ID描述传感装置的ID(该信息为全局唯一)，数据来源是从本网关何端口输入，下一跳地址为数据转发的下一个网关的地址信息，时效是指该路由信息的有效时间端。
进一步，该网关实现包括南向接口代理层、网关层、应用层以及感知层。
具体的，感知层是物联网系统的基础和起点，它至少包括一个感知装置，用于对外部环境信息进行采集。这些感知装置可以感知和采集现实世界中的各种数据和信号(例如温度、湿度、光线强度、声音和图像等)。感知层的主要任务是将采集到的数据传输至网关层进行处理和分析，为系统提供实时的环境感知和数据基础。
进一步的，南向接口代理层为网关的接入方式提供了三种灵活的部署方式，方便用户根据需要选择和部署网关的软硬件环境。这些部署方式包括将南向接口代理功能部署于网关内部(部署方式一)，使用专有硬件装置(部署方式二)，将南向接口代理功能部署在PC电脑上(部署方式三)。通过这三种部署方式，用户可以实现多种传感器的数据采集，满足不同应用场景中的需求。例如，当网关功能强大或者为了方便操作与管理时，通过部署方式一实现终端数据采集与控制；当需要便于安全管理与控制时，通过部署方式二实现(部署方式二采用专有硬件装置，可以实现网关接入的安全管控)。部署方式三可充分利用现有计算资源(例如PC电脑、WIFI通信等方式)，实现数据采集与网关的通信。
需要说明的是，若模块之间的耦合度高、缺乏一致性和标准化、模块的职责不清晰或存在高度复杂的依赖关系，则判定为架构复杂；若系统在性能、响应时间、吞吐量、资源占用和用户体验等方面表现低下，则判定处理效率低下。
优选的，这三种部署方式各有特点。部署方式一将南向装置接入功能与其他功能相集成，具有高效率和简化管理的优点；部署方式二为物联网网关的安全接入与安全管理提供了灵活性，使管理人员能够控制感知装置的接入；部署方式三提供了灵活性，通过WIFI或以太网可以将南向接口接入模块远距离部署，使得接入功能部署于环境较为恶劣的区域。
进一步的，南向接口代理层包括标识管理模块、终端管理模块、状态管理模块以及配置管理模块，模块功能如图7所示。
具体的，标识管理模块包括标识生成模块和标识存储模块，用于为各种接入的感知装置分配唯一的标识并进行存储。标识生成模块使用特定算法为物联网网关及其管理的装置生成唯一的ID；标识存储模块负责将生成的标识进行存储，并由开发人员写入至硬件环境中以防止人为修改和破坏ID信息。
进一步的，对于传感器资源来说，其ID是由网关ID和传感器本身ID共同构成。例如，在ZigBee底板上的温湿度传感器的ID为GWID+TID或GWID+HID，应用服务根据其ID可以准确定位到特定的资源。
具体的，状态管理模块包括心跳管理模块与状态信息维护模块，用于向网关报告接入装置的状态情况。心跳管理模块根据连接接口类型生成相应格式的心跳报文，并定期将心跳报文发送至网关；状态信息维护模块负责存储最新的感知装置状态(例如启动、运行、停止、重启等信息)。
需要说明的是，心跳报文包含关于接入装置自身以及其当前状态的信息，若某些协议(如ZigBee)内置了硬件定期心跳的功能，接入装置则直接发送心跳报文；若协议无法实现硬件定期心跳(如ModBus)，则需要通过南向接口代理层来实现心跳报文的定期发送。
具体的，配置管理模块用于在感知装置启动时，从网关、服务器或本地读取配置信息(例如网络设置、传感器参数、数据上传频率等)，并对此装置进行相关参数配置，通过配置管理模块，管理员可以灵活地对感知装置进行配置以满足不同需求和场景的要求；终端管理模块用于对代理的硬件或协议进行自动配置，该模块可以自动识别连接到网关的终端设备或装置，并根据预定义的规则或配置文件对其进行自动配置。
网关层，包括数据及协议转换模块、设备管理模块、数据处理模块、服务管理模块、智能决策管理模块、路由管理模块、安全认证管理模块以及可嵌入的网关服务器模块；
具体的，网关层，包括数据及协议转换模块、设备管理模块、数据处理模块、服务管理模块、智能决策管理模块、路由管理模块、安全认证管理模块以及可嵌入的网关服务器模块；数据及协议转换模块，用于将不同协议的数据格式转换为统一格式，并将转换后的数据输出至设备管理模块；设备管理模块，用于对接入装置的生命周期进行管理和控制；数据处理模块，用于对设备管理模块输出的数据进行处理操作，并将处理结果输出至服务管理模块；服务管理模块，用于调用数据处理模块的输出，对网关上部署的各种服务进行监控、配置和维护；智能决策管理模块，根据感知或者控制命令的初始数据传输，自动获取物联网应用以及底层装置的路由信息，并自动化配置各个物联网网关的数据流表实现应用向底层感知装置发送控制命令的转发过程与底层装置向物联网应用进行数据转发过程的路由配置和转发规则，以确保数据按照预期路径进行传输；
路由管理模块，用于根据智能决策管理模块生成的路由配置和转发规则进行数据转发，以确保数据按预期路径传输；安全认证模块，用于对数据和装置进行安全管理；可嵌入的网关服务器模块，嵌入多种交互接口，用于和多种服务进行集成，实现与多种类型服务的交互。
需要说明的是，网关服务器模块提供了多种接口选项，包括WebSocket接口、RestFul接口、数据流接口和发布/订阅接口，为物联网应用程序提供灵活的接口选择，以满足不同应用场景的需求。通过网关服务器模块，用户可以方便地将网关与不同的服务进行集成和通信以实现各种功能和应用，这种集成能力为物联网应用程序的开发和部署提供了更大的灵活性和扩展性。
进一步的，应用层主要是通过接口实现的各种物联网应用，例如智慧工厂监控系统、智慧城市路灯管理系统、智慧城市井盖管理系统、智能制造中的数字孪生系统等。
优选的，系统的实现过程包括初始化阶段和运行阶段，初始阶段是在启动程序之前，南向接口代理程序需要根据所连接物联网设备类型确定DeviceID(该DeviceID全局唯一)，并将DeviceID可被写入到该代理程序或者硬件中。
具体的，开机启动南向接口代理程序SIP；SIP根据配置文件自动扫描网关，若找到网关则自动连接，并通过串口/网络读取感知装置的配置信息；SIP根据配置信息对接入的感知装置进行初始化；SIP向网关发送心跳报文，网关转发给服务器程序，服务器从心跳报文中获得装置的状态信息以及装置的DeviceID，并利用智能决策控制模块生成数据转发路由表；感知装置发送感知数据，SIP将数据转发给网关；网关对数据进行处理(例如格式转换等功能)，将数据根据路由表信息转发给对应的物联网应用程序；物联网应用程序将控制信息发送给服务器程序，服务器程序通过查询路由表确定发送给哪一个网关；收到此控制命令的网关查询本地装置路由表，选择相应的感知装置发送控制命令，并将控制命令下发给SIP，同时此SIP将控制命令转发给装置。
优选的，智能路由决策模型如图8所示，通过智能决策控制模块(IDCM)实现路由表生成和路由选择；IDCM还用于获取网关状态信息(例如CPU负荷、网络带宽消耗、内存使用、网络时延等信息)、装置信息(例如DeviceID、设备状态、连接接口等)和物联网应用信息(例如功能详细描述、应用接口、所采用的应用协议等)。
进一步的，基于网关状态信息、装置信息和物联网应用信息，IDCM模块构建服务器端应用路由表和网关端装置路由表，服务器端应用路由表包括设备ID、应用Reference、应用接口信息以及时间戳，网关端装置路由表包括设备ID、接口ID、南向接口信息以及时间戳。设备ID对应的是该应用的数据发送给的设备，应用Reference是指具体的某个物联网应用，应用接口信息描述了通过何种接口如何与该应用进行通信的方式，接ID信息是该感知装置上具体与南向接口代理相互通信的物理接口信息，南向接口信息包括了哪个网关的哪个南向接口。
如图9所示，南向接口代理支持Modbus、ZigBee、LoRA等物联网协议。这些接口所连接的装置向物联网应用发送数据时，首先发送给物联网网关，其中的网关服务器模块通过查看网关路由信息执行数据转发功能。该网关服务器根据装置ID、网关ID、应用Reference等信息查询路由表获得转发信息并将这些信息转发给对应的应用。
如图10所示，物联网应用将控制指令发送给物联网网关。网关服务器中的数据转发模块根据应用Reference、装置ID、网关ID等信息查找路由表，确定数据转发目标。当控制数据转发给最末端的网关的时候，该网关查询本地的装置路由信息，根据装置ID，应用Reference等信息确定转发的接口类型以及接口，并向该接口转发控制指令。
进一步的，本实施例还提供一种支持边缘计算部署的智能化物联网网关方法，包括开机启动南向接口代理程序SIP；SIP根据配置文件自动扫描网关，并连接网关以读取感知装置的配置信息；SIP根据配置信息对接入的感知装置进行初始化；SIP向网关发送心跳报文，网关转发给服务器程序，服务器程序利用智能决策控制模块生成数据转发路由表；感知装置发送感知数据，SIP将数据转发给网关；网关对数据进行处理，将数据根据路由表信息转发给对应的物联网应用程序；物联网应用程序发送控制命令，SIP将控制命令转发给相应的感知装置进行执行。
本实施例还提供一种计算机设备，适用于支持边缘计算部署的智能化物联网网关系统的情况，包括存储器和处理器；存储器用于存储计算机可执行指令，处理器用于执行计算机可执行指令，实现如上述实施例提出的支持边缘计算部署的智能化物联网网关系统。
该计算机设备可以是终端，该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、通信接口、显示屏和输入装置。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统和计算机程序。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的通信接口用于与外部的终端进行有线或无线方式的通信，无线方式可通过WIFI、运营商网络、NFC(近场通信)或其他技术实现。该计算机设备的显示屏可以是液晶显示屏或者电子墨水显示屏，该计算机设备的输入装置可以是显示屏上覆盖的触摸层，也可以是计算机设备外壳上设置的按键、轨迹球或触控板，还可以是外接的键盘、触控板或鼠标等。
本实施例还提供一种存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述实施例提出的实现支持边缘计算部署的智能化物联网网关系统。
综上，本物联网网关系统通过支持多应用场景、提供边缘计算能力、实现灵活部署以及应用松耦合集成等设计，为用户带来了更高的适用性、灵活性与可扩展性；系统可根据需求在网络边缘或服务器端进行功能部署，实现就近计算为异构终端提供多样化接入模式，提升了物联网终端的接入便利性；系统实现应用与网络的松耦合，通过智能路由机制获得传感数据并转发给不同应用，实现高效集成，增强了系统的可扩展性与适应性。
实施例2
参照图11，为本发明第二个实施例，该实施例提供了一种支持边缘计算部署的智能化物联网网关系统。
优选的，表1给出了三个网关的CPU能力、带宽能力以及与所请求传感器资源的距离(用之间的跳数表示)等信息，并给出了根据评估值Scorei所计算出的得分信息。若距离的因素比其他方面要求更高，则将这三个权重系数分别设为0.2、0.2、0.6。
表1网关评估事例
CPU Bandwidth Distance Score
1 100 300 1 3.71
2 300 200 2 1.93
3 500 200 3 1.37
进一步的，从表1可以看出，在距离优先的情况下，距离短的网关评估值高，可以优先选择。
进一步的，如图4所示场景中，如果功能所需资源分别部署于GW2、GW3、GW5等环境中，选择这些网关的共同祖先网关节点作为服务功能部署节点。这样，在简化算法的基础上，可以减少相关数据在网络中的总传输。当部署的功能所需的资源部署于GW2或者GW3时，可以选择它们的父节点GW1作为部署节点。若所需要的资源只需要GW5所提供的数据时，若GW5满足相应的约束条件，则将GW5作为部署节点。
优选的，当该智能决策算法返回所部署的节点后，部署处理模块将在所选择的网关节点中，增加相应的路由表信息，以实现相关资源的数据转发。表中的装置描述用以描述接入的感知装置或者网关的功能信息，装置ID描述传感装置的ID，该信息为全局唯一。数据来源是从本网关任何端口输入，下一条地址为数据转发的下一个网关的地址信息，时效是指该路由信息的有效时间端。
进一步的，根据图4中的场景为例，描述路由表的结构。在图4中，GW2负责本地传感资源的接入，实现对传感器数据的采集。例如，GW2串口连接ZigBee模块，采集本地温湿度信息，其路由信息如表3所示，GW1负责将GW2采集的温湿度数据转发给GW0，其路由表信息如表4所示。
表3GW2路由表信息
表4GW1路由表信息
优选的，图11给出了该物联网网关的实际应用场景，图中的左边部分为网关实物图，而右边部分为Modbus传感器的接入。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种支持边缘计算部署的智能化物联网网关系统，其特征在于：包括，
互联模块，用于在需求输入模块、状态采集模块和部署处理模块之间进行信息传递；
需求输入模块，用于获取用户或物联网应用程序对边缘计算功能的部署需求，并将部署需求通过所述互联模块传输至所述部署处理模块；
状态采集模块，用于监测和采集网关的状态信息，并将所述状态信息通过所述互联模块传输至所述部署处理模块；
部署处理模块，用于接收所述部署需求和所述状态信息，执行智能边缘部署位置决策算法，并根据所述智能边缘部署位置决策算法的决策结果在选定的网关上部署边缘计算功能；
南向接口代理层，用于标识和处理不同网络设备之间的通信，并将处理后的数据和信息传输至网关层；
网关层，用于接收并处理所述南向接口代理层发送的数据，并根据所述决策结果执行数据处理、服务管理和/或路由管理操作。
2.如权利要求1所述的支持边缘计算部署的智能化物联网网关系统，其特征在于：所述执行智能边缘部署位置决策算法包括以下内容：
获得相关输入包括所部署的功能代码f、所需的感知资源集合R＝{r1,r2,r3,...}、可用网关列表GW＝{gw1,gw2,gw3,...}、时间约束条件、地理位置约束条件D以及优先级参数α、β、γ；
通过计算评估值Scorei，评估网关在特定约束条件下与所部署功能需求之间的满足程度；
根据网关的评分情况从高到低进行排序，以找到最能符合用户要求的网关进行部署；
根据排序结果选择网关GWi，并判断网关所提供的物联网资源能否完全满足服务功能所需要的资源；
若满足，则选择此网关作为部署网关并将其返回后，同时结束运行；
若无法完全满足或无法满足，则从其余的网关中确定S1+S2+...+Sn＝R是否成立；
若成立，则寻找满足条件S1+S2+...+Sn＝R的若干网关GWi的共同祖先节点GWdep作为部署节点并返回，若不成立，则返回空。
3.如权利要求2所述的支持边缘计算部署的智能化物联网网关系统，其特征在于：所述评估值Scorei的具体公式如下：
其中，α、β、γ均表示优先级参数，CPUi表示第i个网关的CPU能力，Bi表示第i个网关的网络带宽能力，Distance()表示距离函数，RequestResource表示所部署的功能所需要使用的感知资源，GWi表示第i个网关，N表示网关总数。
4.如权利要求1所述的支持边缘计算部署的智能化物联网网关系统，其特征在于：所述南向接口代理层包括以下内容：
所述南向接口代理层为网关的接入提供多种部署方式，所述部署方式包括内部部署、专有硬件装置部署和PC电脑部署；
根据系统实际情况进行ABOVE分析，选择最适合的部署方式；
当系统评估确定当前架构复杂或处理效率低下时，选择内部部署方式，以保证系统功能强大且性能优异的同时简化配置与管理；
当系统面临安全威胁增加、攻击行为复杂化或软硬件漏洞增多时，选择专有硬件装置部署方式，以避免部署处理模块受到网络攻击与数据泄露的风险；
当系统需要支持多变业务、兼容多种设备或利用现有计算资源处理大数据时，选择PC电脑部署方式，以实现数据采集与网关的通信；
在部署实施后持续监测和评估部署效果。
5.如权利要求1所述的支持边缘计算部署的智能化物联网网关系统，其特征在于：还包括，
应用层，用于实现各种物联网应用服务，并通过接口与网关层进行交互；
感知层，包括多个感知装置，用于对外部环境信息进行采集，并将采集到的信息传递至南向接口代理层；
所述南向接口代理层包括标识管理模块、终端管理模块、状态管理模块以及配置管理模块，所述标识管理模块用于提供身份验证，所述终端管理模块通过标识管理模块验证终端的合法性，所述状态管理模块用于监控和管理各个模块的运行状态，所述配置管理模块用于根据需要对各个模块的行为进行配置和管理；
所述网关层包括数据及协议转换模块、设备管理模块、数据处理模块、服务管理模块、智能决策管理模块、路由管理模块、安全认证管理模块以及可嵌入的网关服务器模块。
6.如权利要求5所述的支持边缘计算部署的智能化物联网网关系统，其特征在于：所述南向接口代理层的工作流程如下：
所述标识管理模块在感知设备接入时生成唯一标识，并将生成的标识存储至标识存储模块中；
所述终端管理模块对接入的感知设备进行身份验证，确定感知设备是否合法；
若身份验证通过，则将感知设备与南向接口代理层建立连接，并通过接口向上报设备状态信息；
感知设备通过心跳机制定时向所述南向接口代理层发送心跳报文，状态管理模块接收并获取设备的最新状态信息；
感知设备启动时，从网关、服务器或本地读取配置信息，并根据配置信息进行相应的配置；
所述南向接口代理层将接收到的数据按照约定的数据格式传输至所述应用层的应用服务；
应用服务根据接收的数据进行处理和分析，并向感知设备发送指令以实现对感知设备的控制和管理。
7.如权利要求1所述的支持边缘计算部署的智能化物联网网关系统，其特征在于：所述部署处理模块的具体流程如下：
服务器主动采集所连接网关的动态状态参数，并将动态状态参数汇聚至服务器集群共享的状态库中；
根据所有网关的静态属性和动态状态参数，利用关系图数据库技术构建网络全局状态实时图；
当用户或应用程序输入功能部署需求时，描述所需部署的功能属性、资源需求和时间约束；
根据用户的部署需求和全局状态信息，执行智能边缘部署位置决策算法以确定最佳部署方案；
服务器下发部署指令，选择的网关下载并执行功能代码，并在完成部署后反馈状态。
8.一种支持边缘计算部署的智能化物联网网关方法，基于权利要求1～7任一所述的支持边缘计算部署的智能化物联网网关系统，其特征在于：还包括，
开机启动所述南向接口代理层的南向接口代理程序SIP；
SIP通过配置管理模块的配置文件对网关进行自动扫描，并连接网关以读取感知装置的配置信息；
SIP根据配置信息对接入的感知装置进行初始化；
SIP通过状态管理模块向网关层发送心跳报文，网关层转发至服务器程序，服务器程序利用所述网关层的智能决策控制模块生成数据转发路由表；
感知装置将感知数据发送至南向接口代理程序SIP，SIP将数据转发至所述网关层；
所述网关层对数据进行处理，并根据路由表信息将数据转发至应用层的物联网应用程序；
所述应用层的物联网应用程序发送控制命令至网关层，所述网关层根据本身路由信息进行转发，直到目标感知装置的接入网关；
网关的SIP根据DeviceID和物理接口将控制命令转发至相应的感知装置进行执行。
9.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于：所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1～7任一所述的支持边缘计算部署的智能化物联网网关系统的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于：所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1～7任一所述的支持边缘计算部署的智能化物联网网关系统的步骤。
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