CZ30311U1

CZ30311U1 - An aggregation gate for duplex transmission of data between the measuring device and the terminal device

Info

Publication number: CZ30311U1
Application number: CZ2016-33202U
Authority: CZ
Inventors: Jiří Hošek; Jiří Mišurec; Jan Mašek; Radek Fujdiak; Pavel Mašek; Zbyněk Keršner
Original assignee: Vysoké Učení Technické V Brně
Priority date: 2016-12-20
Filing date: 2016-12-20
Publication date: 2017-01-31

Description

Oblast technikyTechnical field

Technické řešení se týká agregační brány pro oboustranný přenos dat mezí měřícím zařízením a koncovým zařízením.The technical solution relates to an aggregation gate for two-way data transfer between the measuring device and the terminal device.

Dosavadní stav technikyBACKGROUND OF THE INVENTION

S využitím komunikačních technologií umožňujících zasílání naměřených dat ze senzorů a nízko nákladových/výkonových zařízení se situace na trhu vyvinula do stavu, kdy každý výrobce nabízí své proprietámí řešení, kdy je koncový uživatel odkázán při ovládání daného zařízení na hardware/software přímo vyvinutý danou společností. V konečném důsledku tedy nastávají situace, kdy je v daném prostředí, např. inteligentním domě, továrně, atd., instalováno velké množství zařízení, jako jsou například chytré televize, osvětlení, vytápění, klimatizace, atd., přičemž pro ovládání těchto zařízení je nutné využít odlišné aplikací, a to ať již běžících na chytrém telefonu nebo tabletu, nebo jiných. Tento fakt vede k roztříštěnosti a postupné nevoli koncových uživatelů používat takové systémy.Utilizing communication technology to send measured data from sensors and low cost / power devices, the market situation has evolved into a state where each manufacturer offers its proprietary solution where the end user relies on the hardware / software directly developed by the company to control the device. Ultimately, there are situations where a large number of devices such as smart TVs, lighting, heating, air conditioning, etc. are installed in a given environment, such as an intelligent house, factory, etc., to control these devices. take advantage of different apps, whether running on a smartphone or tablet, or others. This leads to fragmentation and gradual displeasure by end users to use such systems.

Navíc, v průběhu uplynulých čtyř desítek let lze pozorovat neustále se zvyšující počet fyzických objektů, které jsou připojeny do celosvětové komunikační sítě zvané Internet. Tato skutečnost je podporována myšlenkou prezentovanou systémy SCADA („Supervisory Control And Data Acquisition“), v dnešní době přecházející v termín IoT („Internet of Things“). Příkladem takových fyzických objektů jsou zařízení označovaná jako HAVC („Heating, Ventilation, Air Conditioning“) pro monitorování a ovládání systémů uvnitř budov. V současnosti dochází k rozšiřování možných realizací pro IoT do dříve zcela oddělených sektorů jako veřejná doprava, průmyslová automatizace anebo systémy pro zajištění bezpečností obyvatel před hrozící živelnou katastrofou. Stále častěji se hovoří o tzv. čtvrté průmyslové revoluci neboli o Průmyslu 4.0, jehož základním stavebním kamenem budou kyberfyzikální systémy složené ze softwaru, senzorů, procesů a komunikačních technologií. Existence tzv. inteligentních továren bude na denním pořádku.In addition, over the past forty years, an ever-increasing number of physical objects have been observed that are connected to a worldwide communications network called the Internet. This is supported by the idea presented by SCADA systems (“Supervisory Control And Data Acquisition”), nowadays changing to IoT (“Internet of Things”). Examples of such physical objects are devices known as HAVC (“Heating, Ventilation, Air Conditioning”) for monitoring and controlling systems inside buildings. At present, the possible implementation of IoT is being extended to previously completely separate sectors such as public transport, industrial automation or systems to ensure the safety of the population against the impending natural disaster. Increasingly speaking, the so-called Fourth Industrial Revolution, or Industry 4.0, is the cornerstone of which will be cyberphysical systems composed of software, sensors, processes and communication technologies. The existence of so-called smart factories will be commonplace.

Způsob zacházení s daty získanými od měřicích zařízení, označovaných jako MTCD („Machinetype Communication Device“), představuje v dnešní době perspektivní vědní oblast a jednu z hlavních výzev pro realizaci myšlenky IoT.The way of handling data obtained from measuring devices, referred to as MTCD ("Machinetype Communication Device"), is today a promising scientific area and one of the main challenges for the realization of the IoT idea.

Struktura a charakter tzv. M2M („Machine-to-Machine“) dat se odlišuje od tradiční komunikace mezi lidmi, tzv. E12H („Human-to-Human“), kdy dochází k přenosu informace v přesně daných časových intervalech. Na rozdíl od H2H tedy nejsou požadavky kladeny na zpoždění přenosu, ale naopak na co nejvyšší míru pravděpodobnosti bezchybného doručení zprávy. Odlišné parametry datové jednotky ovšem nepředstavují v současné době největší výzvu pro IoT. Ta je reprezentována faktem, že dochází k mnohonásobnému zvýšení datového provozu směrem od koncového zařízení, tzv. měřicí jednotky, senzoru, směrem ke vzdálené entitě, např. serveru.The structure and nature of so-called M2M (“Machine-to-Machine”) data differs from traditional human-to-human communication (E12H), where information is transmitted at precisely given time intervals. Unlike H2H, therefore, the requirements are not to delay transmission, but rather to maximize the probability of error-free message delivery. However, different data unit parameters do not presently pose the greatest challenge for IoT. This is represented by the fact that there is a multiple increase in data traffic away from the end device, the so-called measuring unit, the sensor, towards a remote entity, such as a server.

Mezi hlavní problémy aktuálně dostupných řešení patří:The main problems of currently available solutions include:

1. Nejednotnost technologií - interoperabilita zařízení či technologií je jedna z velkých výzev, kdy díky nejednotnosti standardů, komunikačních systému či technologií není jednoduchým způsobem možné vytvořit jedno funkční řešení, technologicky nezávislé, které umožní integraci různorodých senzorů a měřících zařízení, které si budou schopny předávat vzájemně informace.1. Technology inconsistency - interoperability of devices or technologies is one of the major challenges where, due to inconsistencies in standards, communication systems or technologies, it is not possible to easily create one functional solution, technologically independent, that allows the integration of diverse sensors and measuring devices mutual information.

2. Počet zařízení - vzhledem ke globální ICT infrastruktuře se uvažují milióny vzájemně komunikujících zařízení, což vytváří nejenom výzvu z pohledu přenosových rychlostí, ale také v rámci velkého množství dat, tedy jejich ukládání, analýza, zpracování a využití. Dalším bodem je také spotřeba těchto zařízení, vzájemné rušení, stabilita komunikace a další technologické či komunikační parametry, které díky rozsáhlosti ovlivňují funkčnost celé infrastruktury.2. Number of Devices - With regard to the global ICT infrastructure, millions of mutually communicating devices are considered, creating not only a challenge in terms of transfer rates, but also within a large amount of data, ie storage, analysis, processing and utilization. Another point is also the consumption of these devices, mutual interference, stability of communication and other technological or communication parameters, which due to their large extent affect the functionality of the whole infrastructure.

3. Bezpečnost - pokud je uvažován sběr a ukládání velkého množství dat a miliónů zařízení, které vzájemně komunikují, je vždy nutné zaručit bezpečnost těchto dat vůči možnému zneužití. Je3. Security - when collecting and storing large amounts of data and millions of devices that communicate with each other, it is always necessary to guarantee the security of such data against possible misuse. Yippee

CZ 30311 Ul tedy třeba zaručit nízkoenergetické řešení, které je bezpečné a rychlé, což představuje další velkou výzvu oblastí IoT a Průmyslu 4.0.CZ 30311 Ul therefore needs to guarantee a low-energy solution that is safe and fast, which is another major challenge for IoT and Industry 4.0.

Cílem technického řešení je představit takové řešení, které by odstranilo výše uvedené nevýhody stavu techniky.It is an object of the present invention to provide such a solution which overcomes the above-mentioned disadvantages of the prior art.

Podstata technického řešeníThe essence of the technical solution

Výše zmíněné nedostatky odstraňuje do značné míry agregační brána pro oboustranný přenos dat mezi měřícím zařízením a koncovým zařízením obsahující alespoň dvě komunikační rozhraní určená k připojení měřících zařízení a k zabezpečenému příjmu dat z těchto měřících zařízení, která jsou propojena s propojovacím rozhraním určeným k propojení s alespoň jedním koncovým zařízením vybaveným aplikací pro zobrazování získaných dat a k ovládání alespoň jednoho měřícího zařízení, kde propojovací rozhraní obsahuje komunikační jednotku sloužící k zajištění zabezpečené komunikace mezi měřícím zařízením a koncovým zařízením a ke vzdálenému zabezpečenému ovládání měřícího zařízení prostřednictvím aplikace instalované v koncovém zařízení, jehož podstata spočívá v tom, že propojovací rozhraní dále obsahuje výpočetní jednotku obsahující software pro zpracování, ukládání a agregaci příchozích dat z měřícího zařízení bez ohledu na použité komunikační rozhraní, založený na bázi platformy OSGi a využívající architekturu ARM. Ve výhodném provedení je měřícím zařízením senzor.To a large extent, the above-mentioned deficiencies are eliminated by an aggregation gateway for two-way data transmission between the metering device and the terminal device comprising at least two communication interfaces designed to connect the metering devices and securely receive data from these metering devices. an end-device equipped with an application for displaying the acquired data and for controlling at least one metering device, the interface comprising a communication unit for providing secure communication between the metering device and the end device and for remotely controlling the metering device via an application installed in the end device; wherein the interface further comprises a computing unit including processing software, uk input and aggregation of incoming data from the measuring device regardless of the communication interface used, based on the OSGi platform and using the ARM architecture. In a preferred embodiment, the measuring device is a sensor.

V jiném výhodném provedení je komunikačním rozhraním Wireless M-BUS a/nebo kabelové připojení Ethernet a/nebo FXS a/nebo Wi-Fi a/nebo Bluetooth a/nebo ZigBee.In another preferred embodiment, the communication interface is Wireless M-BUS and / or wired Ethernet and / or FXS and / or Wi-Fi and / or Bluetooth and / or ZigBee.

V jiném výhodném provedení je koncovým zařízením chytrý mobilní telefon, tablet, chytré domácí televize.In another preferred embodiment, the end device is a smart mobile phone, tablet, smart home television.

Objasnění výkresuClarification of the drawing

Technické řešení bude dále přiblíženo pomocí obr. 1, představující schéma propojení jednotlivých bloků agregační brány dle technického řešení.The technical solution will be further illustrated with the help of Fig. 1, representing the diagram of interconnection of individual aggregate gate blocks according to the technical solution.

Příklad uskutečnění technického řešeníExample of technical solution implementation

Agregační brána podle technického řešení obsahuje:The aggregate gate according to the technical solution contains:

- komunikační rozhraní 1, tj. zvolenou komunikační technologii (protokol), pro zabezpečený příjem dat z různých měřících zařízení 2, jako jsou například senzory. Těmi jsou například Wireless M-BUS, kabelové připojení Ethernet typu RJ-45, FXS (tj. „Foreign eXchange Subscriber“) typu RJ-11, Wi-Fi, Bluetooth, ZigBee, atd.a communication interface 1, i.e. a selected communication technology (protocol), for securely receiving data from various measuring devices 2, such as sensors. These are for example Wireless M-BUS, RJ-45 Ethernet cable connection, FXS (ie "Foreign eXchange Subscriber") RJ-11 type, Wi-Fi, Bluetooth, ZigBee, etc.

- propojovací rozhraní 3 obsahující výpočetní jednotku 4 obsahující software pro zpracování, ukládání a agregaci příchozích dat bez ohledu na použité komunikační rozhraní, tj. protokol, ( a komunikační jednotku 5 spolupracující s koncovými zařízeními 6 vybavenými vizualizačním softwarem pro zobrazování získaných dat a také vzdálené ovládání veškerých zařízení přes Internet 7.- an interface 3 comprising a computing unit 4 comprising software for processing, storing and aggregating incoming data irrespective of the communication interface used, i.e. the protocol, (and the communication unit 5 cooperating with the terminal 6 equipped with visualization software for displaying the data obtained and remote control all Internet devices 7.

Agregační brána podle technického řešení využití architektury ARM („Advanced RISC Machine“), která se jeví jako perspektivní pro budoucnost v případě výkonově omezených zařízení, tzv. embedded zařízení. Volba architektury je stěžejní z důvodu navázání na so ware pracující ve výpočetní jednotce 4. Při využití jiných architektur jako je např. MIPS („Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages“) není možné vybraný framework spustit. Toto je způsobeno závislostí na platformě Java, např. typu JVM (,Java Virtual Machine“), která je plně podporována pouze na architektuře ARM.Aggregate gate according to technical solution utilization of ARM („Advanced RISC Machine“) architecture, which seems to be perspective for the future in case of power-limited devices, so called embedded devices. The choice of architecture is crucial for linking to the so-called ware that work in the computing unit 4. When using other architectures such as MIPS (“Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages”), the selected framework cannot be run. This is due to a dependency on a Java platform, such as the JVM ("Java Virtual Machine"), which is fully supported only by the ARM architecture.

Software pro zpracování, ukládání a agregaci příchozích dat je založen na bázi OSGi („Open Services Gateway initiative“) frameworku, což zajišťuje snadnou přenositelnost mezi různými agregačními bránami, např. typu MTCGs („Machine Type Communication Gateway“). Tento framework je v současné době podporován hlavními výrobci v průmyslu a je tedy možné říci, že vybrané řešení je perspektivní pro budoucí použití.Software for processing, storing and aggregating incoming data is based on the OSGi (Open Services Gateway Initiative) framework, which ensures easy portability between different aggregation gateways, such as Machine Type Communication Gateway (MTCGs). This framework is currently supported by major industry manufacturers, so it can be said that the selected solution is perspective for future use.

CZ 30311 UlCZ 30311 Ul

Vizualizační software může být určen jak pro platformy Android a iOS, tedy chytré mobilní telefony a tablety, tak pro chytré domácí televize označované jako SmartTV. V případě SmartTV je možno využít unikátního protokolu UPnP/DLNA, kdy agregaění brána podle technického provedení automaticky rozpozná zapnuté zařízení, například tedy SmartTV, a uživateli je přehrána krátká prezentace s aktuálními informacemi např. o spotřebě elektřiny za den.The visualization software can be used for both Android and iOS platforms, ie smart phones and tablets, as well as smart home TVs called SmartTVs. In the case of SmartTV, it is possible to use the unique UPnP / DLNA protocol, where the agglomeration gate according to the technical design automatically recognizes the switched on device, eg SmartTV, and the user is played a short presentation with current information eg on electricity consumption per day.

Výpočetní jednotka 4 je zodpovědná za provedení agregačních mechanismů, tj. příjem dat z různých komunikačních rozhraní 1, zpracování dat, uložení do lokální databáze, a pokud je požadováno, zasílání dat na vzdálený server, kde mohou být data dále zpracována nebo poskytnuta koncovému uživateli. Další firnkci výpočetní jednotky 4 je běh aplikace pro zajištění webového rozhraní přístupného na koncovém zařízení 6, kterým je např. chytrý mobilní telefon, tablet ěi chytrá televize. Koncovým zařízením může být také zařízení telekomunikačního operátora, poskytovatel elektrické energie, atd. V tomto případě jsou zasílána naměřená data určena pro zpracování operátorem / poskytovatelem energie.The computing unit 4 is responsible for performing aggregation mechanisms, i.e. receiving data from various communication interfaces 1, processing the data, storing it in a local database, and, if desired, sending the data to a remote server where the data can be further processed or provided to the end user. Another operation of the computing unit 4 is to run an application for providing a web interface accessible on the end device 6, such as a smartphone, tablet or smart television. The terminal device may also be a telecommunications operator equipment, an electricity provider, etc. In this case, the measured data is sent for processing by the operator / energy provider.

Představené technické řešení přináší modularitu a možné rozšíření v budoucnu, kdy výpočetní jednotka 4 může být ponechána a komunikační jednotka 5 může být v případě potřeby modifikována.The present technical solution provides modularity and possible expansion in the future, where the computing unit 4 can be left and the communication unit 5 can be modified if necessary.

Jako řešení výše uvedeného problému se v současné době jeví implementace brány typu MTCG („Machine-type Communication Gateway“) v roli agregačního uzlu, tvořeném měřicími zařízeními, umístěné na rozhraní lokální sítě a veřejné sítě, tj. Internetu. Agregaění uzel MTCG je schopen přijmout informace od senzorů připojených různými drátovými, např. ModBUS, MBUS, či bezdrátovými, např. Wireless M-BUS, ZigBee, Z-Wave, rozhraními. M2M data jsou následně na uzlu MTCG zpracována a uložena do lokální databáze. Z pohledu telekomunikačních operátorů představuje ovšem integrace MTCG podstatnou změnu při uvážení vytížení přístupové části RAN („Rádio Access Network“). Při provedení implementace vhodného agregačního mechanismu lze dosáhnout přenesení informací/dat od většího počtu M2M zařízení při alokování prostředků pouze pro uzel MTCG. Přenos naměřených M2M dat s využitím mobilní sítě představuje také výzvu v oblasti bezpečnosti. Z tohoto důvodu je nutné provést spolu s návrhem agregačních technik i návrhy zabezpečeného přenosu pro komunikační a kryptografický protokol. Pozornost je nutno soustředit především na dosažení optimálního poměru mezi výpočetní náročností kryptografického mechanismu a velikostí zašifrované datové jednotky.At present, the implementation of the Machine-type Communication Gateway (MTCG) in the role of an aggregation node made up of measuring devices located at the interface of the local network and the public network, ie the Internet, seems to be a solution to the above problem. Aggregate node The MTCG is able to receive information from sensors connected by various wired, eg ModBUS, MBUS, or wireless, eg Wireless M-BUS, ZigBee, Z-Wave, interfaces. The M2M data is then processed on the MTCG node and stored in the local database. From the perspective of telecom operators, however, the integration of MTCG represents a significant change when considering the use of the RAN (Radio Access Network). By implementing an appropriate aggregation mechanism, information / data transfer from multiple M2M devices can be achieved by allocating resources only to the MTCG node. The transmission of measured M2M data using a mobile network is also a security challenge. For this reason, it is necessary to carry out, together with the design of aggregation techniques, also proposals of secure transmission for communication and cryptographic protocol. Attention should be focused on achieving the optimal ratio between the computational complexity of the cryptographic mechanism and the size of the encrypted data unit.

Agregaění brána podle technického řešení využívá architekturu ARM, která je v dnešní době, a také s výhledem do budoucna, hlavní hardwarovou platformou pro zařízení v rámci vize Internetu věcí a Průmyslu 4.0. Rozšíření funkcionality je možné s využitím externích zařízení, např. komunikačních modulů. USB modemů, atd., či modifikací komunikační jednotky 5.Aggregate gateway according to the technical solution uses ARM architecture, which is nowadays, and also with a view to the future, the main hardware platform for devices within the vision of Internet of Things and Industry 4.0. Extending functionality is possible with the use of external devices such as communication modules. USB modems, etc., or by modifying the communication unit 5.

Agregační brána podle technického řešení umožňuje příjem dat současně od různých typů měřících zařízení 2, např. senzorů, bez ohledu na použitou komunikační technologii či výrobce daného senzoru a jejich následné zpracování, tj. ukládání, agregace, vizualizace, atd. Dále představuje unifikované uživatelské rozhraní pro všechny září zení/senzory instalované v daném prostředí, např. inteligentní dům, tj. jedna aplikace na ovládání zařízení v celém domě. Možnost zabezpečeného ovládání senzorů/zařízení vzdáleně z veřejné sítě Internet.The aggregation gate according to the invention allows data to be received simultaneously from different types of measuring devices 2, eg sensors, regardless of the communication technology or sensor manufacturer used and their subsequent processing, ie storage, aggregation, visualization, etc. for all radiators / sensors installed in a given environment, eg smart house, ie one application to control devices throughout the house. Secure control of sensors / devices remotely from the public Internet.

Agregační bránu podle technického řešení je možno použít pro měření fyzikálních veličin, jako je teplota, vlhkost, detekce pohybu, bez ohledu zda jde o lokální Či vzdálené ovládané zařízení. Je i možné její nasazení ve spolupráci s telekomunikačními operátory a poskytovateli energií, jako je elektřina, voda, plyn. V takovém případě komunikuje s chytrými měřiči, jako jsou elektroměry, vodoměry, plynoměry, přijímá od nich data a poté je zasílá na cílový server, např. uživatelskou aplikaci.The aggregate gate according to the invention can be used to measure physical quantities such as temperature, humidity, motion detection, regardless of whether it is a local or remote controlled device. It can also be deployed in cooperation with telecom operators and energy providers such as electricity, water and gas. In this case, it communicates with smart meters such as electricity meters, water meters, gas meters, receives data from them, and then sends them to the target server, such as a user application.

Claims

An aggregation gateway for two-way data transmission between a metering device and a terminal device comprising at least two communication interfaces (1) designed to connect metering devices (2) and to securely receive data from these metering devices (2) which are interconnected with an interfaces ( 3) intended for interconnection with at least one terminal device (6) equipped with an application for displaying acquired data and for controlling at least one measuring device (2), wherein the interface (3) comprises a communication unit (5) serving to provide secure communication between the measuring device ( 2) and an end device (6) and for remote secure control of the metering device (2) via an application installed in the end device (6), characterized in that the interface (3) further comprises a computing unit (4) containing software for processing, ukl giving and aggregation of incoming data from the measuring device (2) irrespective of the communication interface based on OSGi-based platform and utilizing 'the ARM architecture.

Aggregating harrow according to claim 1, characterized in that the measuring device (2)

15 is a sensor.

Aggregate gateway according to claim 1 or 2, characterized in that the communication interface (1) is a Wireless M-BUS and / or Ethernet and / or FXS cable connection and / or Wi-Fi and / or Bluetooth and / or ZigBee.

Aggregating gate according to one of Claims 1 to 3, characterized in that the terminal device (6) is a smart mobile phone, tablet, smart home television.