CN211089837U - 一种基于mqtt的模组化嵌入式边缘综合控制终端 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于MQTT的模组化嵌入式边缘综合控制终端，包括：模块插槽、模块地址识别单元、主控单元、内存单元、无线模块单元、公网/定位模块单元、以太网接口单元、RS‑485接口单元和电源管理单元、MQTT代理服务器、数据库服务器、南向设备采集服务器、安全防护服务器、设备管理服务器、连接管理服务器、应用管理服务器、位置管理服务器、物联管理中心协同服务器和物模型。本实用新型中控制终端模组化设计减少因硬件接口需求变化增加的定制开发造成的成本，模块采用标准化接口，实现模块的即插即用，控制终端采用嵌入式微服务设计模式，提供标准框架服务接口，提升应用功能模块开发效率。

Description

一种基于MQTT的模组化嵌入式边缘综合控制终端

技术领域

本实用新型涉及一种控制终端，特别是指一种基于MQTT的模组化嵌入式边缘综合控制终端。

背景技术

现有的边缘控制终端，硬件接口在需求调研之初就必须确认好接口形式和数量，对硬件接口的需求有轻微变动，将会导致重新制作修改驱动，部分设备将需要重新烧录系统，应用程序也会随之跟随修改，不能即插即用，每个环节修改周期长，极容易出错，修改成本非常高，且更换模块时会造成额外的配置成本。由于时延、稳定和安全原因，部分原有平台的功能逐渐下层到了边缘计算控制设备中，导致边缘综合控制终端的功能复杂，代码工作量大，团队开发的多人分工开发困难，提交合并代码工作量大，工作无法解耦，联合调试成本高，应用功能模块开发效率低。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的在于提出一种基于MQTT的模组化嵌入式边缘综合控制终端，以解决现有技术中硬件接口形式的改变会导致驱动重新制作，更改模块会造成额外的配置成本，应用功能模块开发效率低的问题。

基于上述目的本实用新型提供的一种基于MQTT的模组化嵌入式边缘综合控制终端，包括：

模块插槽，被配置为插入可插拔模块；

模块地址识别单元，被配置为识别所述可插拔模块；

内存单元，被配置为存储信息；

无线模块单元，被配置为利用无线通讯的方式和外部进行数据交互；

公网/定位模块单元，被配置为信息传输和定位；

以太网接口单元，被配置为利用以太网接收信息和数据；

RS-485接口单元，被配置为利用RS-485接收信息和数据；

电源管理单元，被配置为输出转换电压；

主控单元，被配置为与所述模块地址识别单元、内存单元、无线模块单元、公网/定位模块单元、以太网接口单元、RS-485接口单元和电源管理单元进行信息交互；

数据库服务器，被配置为存储并管理终端的基本信息；

南向设备采集服务器，被配置为采集控制南向设备的数据；

安全防护服务器，被配置为管理设备安全；

设备管理服务器，被配置为本地化管理业务终端设备和传感器；

连接管理服务器，被配置为管理数据连接；

应用管理服务器，被配置为承载通用功能及专用功能；

位置管理服务器，被配置为定位设备；

物联管理中心协同服务器，被配置为与物联管理中心进行信息交互；

MQTT代理服务器，被配置为消息中间件，与所述数据库服务器、南向设备采集服务器、安全防护服务器、设备管理服务器、连接管理服务器、应用管理服务器、位置管理服务器和物联管理中心协同服务器通信；

物模型，被配置为管理和构建设备，存储、检索和查看南向物模型的内容，导入和导出所述南向物模型的信息。

可选的，所述控制终端还设置固定结构和可插拔模块的组合结构，所述固定结构包括：主控侧板和通信背板；所述主控侧板内置4核心ARM Cortex A7核心处理器；所述通信背板作为整体结构的支撑和所述各可插拔模块直接的通信电气连接件。

可选的，所述控制终端还设置有：USB接口、CAN接口和RS-485接口；所述USB接口用于高速数据通信设备；所述CAN接口用于实时数据通信设备；所述RS-485接口用于低速数据通信设备。

可选的，所述模块地址识别单元设置了通信针，所述通信针中写入遥信的数字；所述模块地址识别单元通过所述通信针对所述可插拔模块进行自动识别。

可选的，所述主控单元设置有北向接口和南向接口；所述北向接口连接所述物联管理中心；所述南向接口连接所述南向设备。

可选的，所述无线模块单元包括：Wi-Fi模块、LoRa模块和ZigBee模块；所述无线模块单元将所述Wi-Fi模块、LoRa模块和ZigBee模块集成为一个模块。

可选的，所述电源管理单元包括：电源、电源接口、第一保护模块、AC-DC电力电源模块、滤波模块、第二保护模块和负载；所述滤波模块由两个电容并联组成，所述电源采用三相四线制供电，所述三相四线制分为UA相线、UB相线、UC相线和UN中性线四条线。

可选的，所述电源管理单元还包括：备用电源；所述备用电源包括：充电电路、超级电容阵列和电压判定模块；所述充电电路为所述超级电容阵列充电；所述电压判定模块用于所述充电电路的过压保护。

可选的，所述电源管理单元通过排线与所述主控单元连接。

可选的，所述无线模块单元、公网/定位模块单元、以太网接口单元和RS-485接口单元均通过USB总线与所述主控单元连接，且所述无线模块单元、公网/定位模块单元、以太网接口单元和RS-485接口单元相互独立。

从上面所述可以看出，本实用新型提供的一种基于MQTT的模组化嵌入式边缘综合控制终端采用模组化设计，满足边缘综合控制终端多样化场景需求，对应用场景的设备通信需求进行了标准化分类，分别设置了USB接口对应高速数据通信设备，CAN接口对应实时数据通信设备，RS-458接口对应低速数据通信设备，实现了模块的即插即用，有效提升了控制终端硬件接口在多样化的应用场景的适应性，减少因硬件接口需求变化增加的定制开发造成的人工成本和时间成本，减少因为更换模块造成的额外配置成本，使得控制终端使用更为便捷易用；控制终端采用微服务设计理念，改造当前传统嵌入式应用程序单进程设计模式，以MQTT消息作为通信纽带，从代码层次解耦了各个嵌入式应用功能模块，降低各个模块直接耦合性，并且提供标准框架服务接口，使得应用功能模块的开发更为轻量级，使得重复性功能得以最大程度复用，提升应用功能模块的开发效率，有效降低了应用功能模块的开发成本。控制终端采用独立的安全防护模块，实现设备的安全接入，同时对内部数据进行统一加密防护，对微服务器和设备的异常进行检测，保证设备安全稳定运行。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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他的附图。

图1为本实用新型实施例中控制终端结构示意图；

图2为本实用新型实施例中模组化控制终端设计图；

图3为本实用新型实施例中主控单元接口图；

图4为本实用新型实施例中内存单元接口图；

图5为本实用新型实施例中无线模块单元系统示意图；

图6为本实用新型实施例中无线模块单元与其他单元的接口示意图；

图7为本实用新型实施例中公网/定位模块单元系统示意图；

图8为本实用新型实施例中电源管理单元系统示意图；

图9为本实用新型实施例中电源管理单元应用电路图；

图10为本实用新型实施例中备用电源原理框图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。

需要说明的是，本实用新型实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本实用新型实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。

发明人发现现有技术由于应用程序、操作系统硬件驱动和硬件平台接口垂直耦合，所以一旦硬件接口有细微变化将会导致操作系统驱动修改，应用层应用修改，应用程序在代码层面有大量耦合，导致新增应用功能开发时间和调试时间长，因此，本实用新型实施例提供了一基于MQTT的模组化嵌入式边缘综合控制终端，

包括：

模块插槽，被配置为插入可插拔模块；

模块地址识别单元，被配置为识别可插拔模块；

内存单元，被配置为存储信息；

无线模块单元，被配置为利用无线通讯的方式和外部进行数据交互；

公网/定位模块单元，被配置为信息传输和定位；

以太网接口单元，被配置为利用以太网接收信息和数据；

RS-485接口单元，被配置为利用RS-485接收信息和数据；

电源管理单元，被配置为输出转换电压；

主控单元，被配置为与模块地址识别单元、内存单元、无线模块单元、公网/定位模块单元、以太网接口单元、RS-485接口单元和电源管理单元进行信息交互；

数据库服务器，被配置为存储并管理终端的基本信息；

南向设备采集服务器，被配置为采集控制南向设备的数据；

安全防护服务器，被配置为管理设备安全；

设备管理服务器，被配置为本地化管理业务终端设备和传感器；

连接管理服务器，被配置为管理数据连接；

应用管理服务器，被配置为承载通用功能及专用功能；

位置管理服务器，被配置为定位设备；

物联管理中心协同服务器，被配置为与物联管理中心进行信息交互；

MQTT代理服务器，被配置为消息中间件，与数据库服务器、南向设备采集服务器、安全防护服务器、设备管理服务器、连接管理服务器、应用管理服务器、位置管理服务器和物联管理中心协同服务器通信；

物模型，被配置为管理和构建设备，存储、检索和查看南向物模型的内容，导入和导出南向物模型的信息。

参考图1，本实用新型在硬件接口有变化时，控制终端中的操作系统硬件驱动不需要修改，本实用新型采用的是模组化的控制终端，采用了底板基础架构和抽屉式可插拔模块的形式，而且采用三种通信总线并存的模式，包括：USB总线、CAN总线和RS-485总线。其中，USB总线对应USB接口，USB接口用于高速数据通信设备；CAN总线对应CAN接口，CAN接口用于实时数据通信设备；RS-485总线对应RS-485接口，RS-485接口用于低速数据通信设备，在控制终端中设计有模块插槽，使可插拔模块通过模块插槽连入控制终端，从而实现了硬件模块的即插即用。

参考图2，模组化控制终端的设计包括了固定结构和可插拔模块。固定结构包括主控侧板和通信背板，其中主控侧板主要内置4核心ARM Cortex A7核心处理器，通信背板主要是作为整体结构的支撑和各模块直接的通信电气连接件。可插拔模块可以对应三种通信总线并存的模式接口，主要包括USB接口、CAN接口和RS-485接口。可插拔模块包括以太网模块、RS-485模块、遥信模块、遥测模块、遥控模块和其他可拓展模块。

模块地址识别单元设计了通信针，本实施例中通信针数量具体为4个，4个通信针被写入遥信的数字，4个通信针实现0-15地址识别，模块地址识别单元可以实现模组在任意模块插槽的即插即用。

参考图3，主控单元的设计有北向接口和南向接口，主控单元北向接口通过Ethernet和4G等接口连接物联管理中心及业务系统，南向接口连接南向设备、电力系统通信总线以及交采模块，电力系统通信总线包括但不限于Ethernet、RS-485、RS-232、PLC、IO、ZigBee、Bluetooth、Wi-Fi和USB。主控单元运行Linux+Docekr基础环境，具备4核心ARMCortex A7核心，2G内存，32G存储，并配置国产加密芯用于数据加密解密。

参考图4，本实施例中，内存单元采用Micron16位DDR3存储芯片，图中为DDR3内存接口连接示意图。

参考图5，无线模块单元设计有无线模块接口，将三大部分集成设计为USB总线的一个模块，三大部分主要包括Wi-Fi模块、LoRa模块以及ZigBee模块，无线模块单元通过挂载到USB总线上和主控单元通信，通过无线通讯的方式和系统外部完成数据交换。无线模块单元中还包括两个滤波电路、低压差线性稳压器(也可称为LDO)、无线模块IC和天线。

参考图6，本实施例中以无线模块单元与其他单元连接为例，无线模块单元与主控单元通过USB总线连接，但是与其他单元之间无任何连接，无线模块单元与其他单元相互独立。

参考图7，公网/定位模块单元采用全网通4G模块，可以低能耗实现SMS和数据信息的传输以及GPS定位，公网/定位模块单元通过挂载到USB总线上和主控单元进行通信，通过板载或外接天线和系统外部设备进行通信。公网/定位模块单元与其他单元之间无任何连接且相互独立。公网/定位模块单元还包括两个滤波电路、低压差线性稳压器(也可称为LDO)、4G模块IC和天线。

以太网接口单元采用百兆以太网，以太网接口单元通过南向以太网接口，以太网接口单元的子设备信息和数据会被边缘物联代理采集，本实施例中，USB2.0转100M的百兆以太网适配器选用TP-Link的TL-UF210，能够达到100Mbps以太网传输速度，USB接口转网线接口，免安装驱动，可以实现即插即用，USB供电无需外置电源，支持自动翻转，自动识别交叉网线和直通网线，支持100BASE-TX和10BASE-TX标准。以太网接口单元与主控单元通过USB总线连接，且与其他单元之间无任何连接。

RS-485接口单元通过YN8604实现，YN8604是一款通用的USB转RS-485或RS-232转换器，兼容USB、RS-485和RS-232标准，能够将单端的USB信号转换为平衡差分的RS-485/RS-232信号转换器，内部带有零延时自动收发转换，电路自动控制数据流方向，通过跳线设置RS-485/RS-485232转换指示灯清晰指示数据收发情况，实现即插即用，直接可兼容所有通讯软件和接口硬件。边缘物联代理将采集通过RS-485接收到的子设备数据和信息，RS-485接口单元与主控单元通过USB总线连接，且与其他单元之间无任何连接。

参考图8，电源管理单元中系统中包括电源、电源接口、保护模块、AC-DC电力电源模块、滤波模块、DC-DC电力电源模块和输出端。电源管理模块使用交流三相四线制供电，通过AC-DC和DC-DC后转换为其他各模块所需等级的电压，在系统故障时，交流电源可以正常工作，当系统供电断开的时候可持续供电至少3分钟。电源管理单元与主控单元使用排线连接。在AC-DC电源电力模块进行电压转换后，交采模块会接入电路。

参考图9，电源管理单元的应用电路包括电源、电源接口、第一保护模块、AC-DC电力电源模块、滤波模块、第二保护模块和负载。本实施例中AC-DC电力电源模块采用高隔离超宽输入电压范围AC-DC电力电源模块，可以在165-480VAC或者230-680VDC超宽输入电压下工作，满足三相四线制电源的额定电压380/220VAC，本实施例中的AC-DC电力电源模块可以适用于要求高隔离电压及严格的电磁兼容的各种终端应用场合。三相四线制包括A、B和C三相，UA相线、UB相线、UC相线和UN中性线四条线，本实施例中滤波模块由两个电容并联组成，第二保护模块由瞬态二极管构成。电源产生的电源信号会通过第一保护模块和第二保护模块进行保护，从而保证电路的正常运行。

参考图10，电源管理单元还设置有备用电源，备用电源包括：充电电路、超级电容阵列和电压判定模块。系统在正常工作时给超级电容阵列充电，因为电容充电起始过程中电流会出现短时间内的剧烈攀升，会对后面的负载造成供电不足的影响，所以系统设计为即时检测判定超级电容的充电电压的模式，当充电电压超过阈值电压时，充电电流趋于平稳，恢复对负载的供电。电压判定模块用于对充电电路的过压保护，作为一种可选用的实施方式，阈值电压可以通过两个阻值不同的电阻改变。超级电容电量充满时，两端电压达到平衡，不再消耗功率。

为了解耦应用程序，以微服务为设计理念，以MQTT作为微服务直接消息通信方式设置了MQTT代理服务器、数据库服务器、南向设备采集服务器、安全防护服务器、设备管理服务器、连接管理服务器、应用管理服务器、位置管理服务器、物联管理中心协同服务器和物模型。MQTT代理服务器，作为整个应用微服务群的消息中间件，所有的应用微服务器互相之间不进行直接通信，只和消息中间件连接，所有的应用微服务器相互之间进行依赖解耦，MQTT代理服务器采用开源的mosquitto，版本为1.6.7，经过大量测试验证，MQTT代理服务器能够长期在嵌入式设备中高效稳定运行，并且占用内存和CPU非常少。数据库服务器，实现微服务器对终端的基本信息存储与管理功能，为业务应用提供数据库的环境，支持微服务器直接对数据库进行操作。南向设备采集服务器，负责采集控制南向设备的数据，支持的业务协议和物联网协议的解析，业务协议包括101协议、104协议、1376.1协议、1376.2协议和645协议，物联网协议包括MQTT协议和CoAP协议；南向设备采集服务器为通用功能和专用功能提供支撑，而且南向设备采集服务器对所有南向接口进行统一管理，分配。安全防护服务器，负责包括但不限于设备安全认证、访问控制、访问权限管理、数据安全防护、安全审计、软件容错、安全事件库、异常行为检测和通道安全功能。设备管理服务器，实现业务终端设备和传感器的本地化管理，设备管理服务器进行接入管理、配置管理、状态管理和调试升级等工作，具备获取所管理设备的标识、状态和属性等信息，并具有远程唤醒、控制、诊断和升级维护等功能。连接管理服务器，实现网络管理能力开发，支持通过MQTT、CoAP、HTTPs、101/104规约和DL698等协议连接到业务系统，并支持协议的可配置，连接管理服务器还支持若干个APN连接，实现与若干个业务系统的数据分发。应用管理服务器，架构容器服务应用体系，实现通用功能及专用功能承载。容器至少实现CPU监控、内存监控和网络吞吐量监控等资源监控及资源调度，容器具备单应用自动部署或者应用容器集群自动部署与更新功能，采用同步生成应用的方式实现应用迁移。位置管理服务器，实现设备定位。物联管理中心协同服务器，与物联管理中心以统一数据模板实现网络资源编排、双模定位芯片、安全防护、网络管理、设备管理和业务信息的交互。物模型，设备通过物模型进行管理和构建，物模型支持对南向物模型的内容进行存储、检索和查看，而且支持对南向物模型的信息的导入及导出。

本实用新型提供的一种基于MQTT的模组化嵌入式边缘综合控制终端采用模组化设计，满足边缘综合控制终端多样化场景需求，对应用场景的设备通信需求进行了标准化分类，分别设置了USB接口对应高速数据通信设备，CAN接口对应实时数据通信设备，RS-458接口对应低速数据通信设备，实现了模块的即插即用，有效提升了控制终端硬件接口在多样化的应用场景的适应性，减少因硬件接口需求变化增加的定制开发造成的人工成本和时间成本，减少因为更换模块造成的额外配置成本，使得控制终端使用更为便捷易用；控制终端采用微服务设计理念，改造当前传统嵌入式应用程序单进程设计模式，以MQTT消息作为通信纽带，从代码层次解耦了各个嵌入式应用功能模块，降低各个模块直接耦合性，并且提供标准框架服务接口，使得应用功能模块的开发更为轻量级，使得重复性功能得以最大程度复用，提升应用功能模块的开发效率，有效降低了应用功能模块的开发成本。控制终端采用独立的安全防护模块，实现设备的安全接入，同时对内部数据进行统一加密防护，对微服务器和设备的异常进行检测，保证设备安全稳定运行。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本实用新型的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，并存在如上所述的本实用新型的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。因此，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于MQTT的模组化嵌入式边缘综合控制终端，其特征在于，包括：

模块插槽，被配置为插入可插拔模块；

模块地址识别单元，被配置为识别所述可插拔模块；

内存单元，被配置为存储信息；

无线模块单元，被配置为利用无线通讯的方式和外部进行数据交互；

公网/定位模块单元，被配置为信息传输和定位；

以太网接口单元，被配置为利用以太网接收信息和数据；

RS-485接口单元，被配置为利用RS-485接收信息和数据；

电源管理单元，被配置为输出转换电压；

主控单元，被配置为与所述模块地址识别单元、内存单元、无线模块单元、公网/定位模块单元、以太网接口单元、RS-485接口单元和电源管理单元进行信息交互；

数据库服务器，被配置为存储并管理终端的基本信息；

南向设备采集服务器，被配置为采集控制南向设备的数据；

安全防护服务器，被配置为管理设备安全；

设备管理服务器，被配置为本地化管理业务终端设备和传感器；

连接管理服务器，被配置为管理数据连接；

应用管理服务器，被配置为承载通用功能及专用功能；

位置管理服务器，被配置为定位设备；

物联管理中心协同服务器，被配置为与物联管理中心进行信息交互；

MQTT代理服务器，被配置为消息中间件，与所述数据库服务器、南向设备采集服务器、安全防护服务器、设备管理服务器、连接管理服务器、应用管理服务器、位置管理服务器和物联管理中心协同服务器通信；

物模型，被配置为管理和构建设备，存储、检索和查看南向物模型的内容，导入和导出所述南向物模型的信息。

2.根据权利要求1所述的终端，其特征在于，所述控制终端还设置固定结构和可插拔模块的组合结构，所述固定结构包括：主控侧板和通信背板；所述主控侧板内置4核心ARMCortex A7核心处理器；所述通信背板作为整体结构的支撑和所述各可插拔模块直接的通信电气连接件。

3.根据权利要求1所述的终端，其特征在于，所述控制终端还设置有：USB接口、CAN接口和RS-485接口；所述USB接口用于高速数据通信设备；所述CAN接口用于实时数据通信设备；所述RS-485接口用于低速数据通信设备。

4.根据权利要求1所述的终端，其特征在于，所述模块地址识别单元设置了通信针，所述通信针中写入遥信的数字；所述模块地址识别单元通过所述通信针对所述可插拔模块进行自动识别。

5.根据权利要求1所述的终端，其特征在于，所述主控单元设置有北向接口和南向接口；所述北向接口连接所述物联管理中心；所述南向接口连接所述南向设备。

6.根据权利要求1所述的终端，其特征在于，所述无线模块单元包括：Wi-Fi模块、LoRa模块和ZigBee模块；所述无线模块单元将所述Wi-Fi模块、LoRa模块和ZigBee模块集成为一个模块。

7.根据权利要求1所述的终端，其特征在于，所述电源管理单元包括：电源、电源接口、第一保护模块、AC-DC电力电源模块、滤波模块、第二保护模块和负载；所述滤波模块由两个电容并联组成，所述电源采用三相四线制供电，所述三相四线制分为UA相线、UB相线、UC相线和UN中性线四条线。

8.根据权利要求7所述的终端，其特征在于，所述电源管理单元还包括：备用电源；所述备用电源包括：充电电路、超级电容阵列和电压判定模块；所述充电电路为所述超级电容阵列充电；所述电压判定模块用于所述充电电路的过压保护。

9.根据权利要求1所述的终端，其特征在于，所述电源管理单元通过排线与所述主控单元连接。

10.根据权利要求1所述的终端，其特征在于，所述无线模块单元、公网/定位模块单元、以太网接口单元和RS-485接口单元均通过USB总线与所述主控单元连接，且所述无线模块单元、公网/定位模块单元、以太网接口单元和RS-485接口单元相互独立。

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