一种基于模块化设计的物联网网关系统及配置方法与流程

1.本发明涉及物联网网关技术领域，具体涉及一种基于模块化设计的物联网网关系统及配置方法。


背景技术：

2.物联网是新一代信息技术的重要组成部分。物联网层次结构分为三层，自下而上依次为：感知层，网络层，应用层。
3.感知层位于物联网三层结构中的最底层，是由各种传感设备以及传感设备网构成，其作用相当于人的眼耳鼻喉和皮肤等神经末梢，它是物联网识别物体，采集信息的来源，其主要功能是识别物体，采集信息，感知物理世界，是物联网的核心；网络层由各种网络组成，包括互联网、广电网和云计算平台等组成，也包括各种异构网络、私有网络。负责传递和处理感知层获取的信息，是整个物联网的中枢；应用层是物联网和用户的接口，它与行业需求结合，实现物联网的智能应用。
4.在物联网的体系架构中，在感知层和网络层两个不同的网络之间需要一个中间设备，那就是“物联网网关”。物联网网关是物联网的核心网元设备，物联网网关除了要担负感知层与通信网络，以及不同类型感知层之间的协议转换的职责，还能够把从不同的感知层收集到的信息整合起来，并把它传输到下一层，同时，也能够将其他各层的信息传输给感知层，因而信息才能在各部分之间相互传输，既可以实现广域互联，也可以实现局域互联。此外物联网网关还需要具备设备管理功能，可以通过物联网网关管理各感知节点，获得感知节点的相关信息，并实现远程的控制。
5.现在，由于传感设备本身类型就多种多样，而且，各个厂家的同类型的传感设备在具体的信号变换方式上差别也很大，以致不同的传感设备接入物联网网关有不同的方法。另外，传感设备不仅包括传感器设备，还包括传感网络和数据中转设备等，这些设备输出的相关数据描述方式也没有一致的标准。这样，物联网网关和传感设备的适配就变得很困难，为了适配不同的传感设备，需要开发不同的物联网网关设备，严重影响了物联网网关的推广使用和工业化进程，对物联网产业发展带来了严重阻碍。
6.还有目前物联网网关主要工作是协议转换和数据采集，主要运算功能放在了云端。随着物联网技术的普及，智能设备的大量出现，对计算能力的要求将出现爆发式增长，在此背景下，传统的云计算架构难以满足庞大的计算需求。此外，云计算存在的网络延迟问题、带宽问题，数据安全问题，也将难以应对自动驾驶、智能控制等新兴智能设备运行方式的要求。
7.因此目前市场上的网关以及传统边缘计算平台，无论是在性能、功能、还是在工业级品质等方面，都不能完全满足现在市场的需求。


技术实现要素：

8.针对现有技术中存在的上述问题，现提供一种基于模块化设计的物联网网关系统
及配置方法。
9.具体技术方案如下：
10.一种基于模块化设计的物联网网关系统，包括：
11.设备对接模块，所述设备对接模块连接多个外部物联网设备；
12.设备描述模块，所述设备描述模块连接所述设备对接模块，并根据所述外部物联网设备生成设备建模，所述设备建模用于对所述外部物联网设备进行虚拟化描述；
13.采集器模块，所述采集器模块根据所述设备建模从所述外部物联网设备获取传感器数据，并将所述设备建模和所述传感器数据融合，生成模型数据；
14.边缘计算模块，所述边缘计算模块连接至所述采集器模块和所述设备描述模块，并根据所述设备建模和所述模型数据处理生成虚拟设备模型；
15.平台对接模块，所述平台对接模块连接至外部云平台并在所述外部云平台的控制下向所述外部云平台发送数据；
16.所述边缘计算模块还在所述外部云平台的控制下根据所述虚拟设备模型对所述传感器数据进行边缘计算处理，用于生成所述外部云平台所需的数据。
17.优选地，所述网关系统还包括：
18.系统配置模块，所述系统配置模块通过所述平台对接模块，并接收系统配置命令，所述系统配置命令用于修改网关系统配置文件；
19.资源管理模块，所述资源管理模块通过所述平台对接模块连接至所述外部云派台，并将所述外部云平台的指令信息解析后同步至所述系统配置模块和所述设备描述模块。
20.优选地，所述设备对接模块包括：
21.设备通信子模块，所述设备通信子模块通过多种数据协议与所述外部物联网设备建立连接关系；
22.数据读取子模块，所述数据读取子模块连接至所述采集器模块，并在所述采集器模块的控制下从所述外部物联网设备中获取所述传感器数据；
23.命令转发子模块，所述命令转发子模块连接至所述资源管理模块，并在所述资源管理模块的控制下向所述外部物联网设备发送控制指令。
24.优选地，所述设备描述模块包括：
25.数据接收子模块，所述数据接收子模块通过所述设备接收模块获取所述外部物联网设备的固定数据信息、接入参数信息和环境数据信息；
26.采集器建模子模块，所述采集器建模子模块根据所述固定数据信息建立采集器模型；
27.适配器建模子模块，所述适配器建模子模块根据所述接入参数信息建立适配器模型，所述适配器模型用于描述所述外部物联网设备的接口；
28.环境建模子模块，所述环境建模子模块根据所述环境数据信息建立环境模型，所述环境模型用于描述所述外部物联网设备的工作环境。
29.优选地，所述采集器模块包括：
30.数据提取子模块，所述数据提取子模块根据所述适配器模型连接至所述外部物联网设备，并提取所述传感器数据；
31.重封装子模块，所述重封装子模块连接至所述数据提取子模块，并对所述传感器数据解析重封装生成格式数据。
32.优选地，所述边缘计算模块包括：
33.元数据子模块，所述元数据子模块根据所述传感器数据生成元数据；
34.设备虚拟子模块，所述设备虚拟子模块接收所述采集器模型和所述环境模型并生成所述虚拟设备模型；
35.数据耦合子模块，所述数据耦合子模块通过所述平台对接模块获取应用需求，并根据所述应用需求对所述元数据与所述虚拟设备模型进行耦合处理生成边缘计算数据。
36.优选地，所述平台对接模块包括：
37.系统配置子模块，所述系统配置子模块连接所述系统配置模块并发送所述系统配置指令；
38.适配器配置子模块，所述适配器配置子模块连接所述设备描述模块，并发送所述外部物联网设备的接口信息；
39.设备状态子模块，所述设备状态子模块根据一预定时间间隔向所述外部云平台发送心跳包，所述心跳包中包括所述外部物联网设备的设备状态信息；
40.命令接口子模块，所述命令接口子模块从所述外部云平台接收所述指令信息、所述控制指令以及所述应用需求；
41.数据接口子模块，所述数据接口子模块连接至所述采集器模块与所述边缘计算模块，并向所述外部云平台发送所述格式数据与所述边缘计算数据。
42.优选地，所述系统配置模块包括：
43.配置存储子模块，所述配置存储子模块中存储有系统配置文件，所述系统配置文件中包括网关设备id、出厂时间、接口信息、云平台信息、接口数量、算力信息、上下行数据传输能力；
44.系统建模子模块，所述系统建模子模块根据所述系统配置文件建立网关系统模型。
45.一种物联网网关系统配置方法，适用于上述物联网网关系统，包括：
46.s1：网关系统向外部云平台发送心跳包；
47.s2：外部云平台向所述网关系统发送系统配置指令；
48.s3：所述网关系统判断是否有新接入的外部物联网设备；
49.若是，进行步骤s4；若否，进行步骤s5；
50.s4：所述外部云平台向所述网关系统发送物联网设备配置指令；
51.s5：设备描述模块更新所述外部物联网设备的设备建模；
52.s6：采集器模块控制设备对接模块初始化并采集数据；
53.s7：边缘计算模块建立虚拟设备模型并向所述外部云平台发送边缘计算数据。
54.上述技术方案具有如下优点或有益效果：通过设置设备对接模块和设备描述模块实现对多种物联网设备的接入与建模，提供统一的数据格式和数据处理方法，并通过边缘计算模块针对用户需求对数据进行处理生成相应的数据以便于云平台使用。本方案提供的物联网网关系统采用模块化的设计方案，可以实现业务功能的隔离、代码的高可用和高复用、边缘计算以及微服务功能的方便嵌入等，提高了系统的稳定性、可移植性以及功能的可
拓展性。
附图说明
55.参考所附附图，以更加充分的描述本发明的实施例。然而，所附附图仅用于说明和阐述，并不构成对本发明范围的限制。
56.图1为本发明实施例的整体示意图；
57.图2为本发明实施例的设备对接模块示意图；
58.图3为本发明实施例的设备描述模块示意图；
59.图4为本发明实施例的采集器模块示意图；
60.图5为本发明实施例的边缘计算模块示意图；
61.图6为本发明实施例的平台对接模块示意图；
62.图7为本发明实施例的系统配置模块示意图；
63.图8为本发明实施例的接入方法示意图。
具体实施方式
64.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作出创造性劳动的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。
65.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
66.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
67.本发明包括：
68.一种基于模块化设计的物联网网关系统，如图1所示，包括：
69.设备对接模块1，设备对接模块连接多个外部物联网设备1a、1b、1c；
70.设备描述模块2，设备描述模块连接设备对接模块并根据外部物联网设备1a、1b、1c生成设备建模，设备建模用于对所述外部物联网设备进行虚拟化描述；
71.采集器模块3，采集器模块3根据设备建模从外部物联网设备1a、1b、1c获取传感器数据并根据设备建模和传感器数据生成模型数据；
72.边缘计算模块4，边缘计算模块4连接至采集器模块3和设备描述模块2，并根据设备建模和模型数据处理生成虚拟设备模型；
73.平台对接模块5，平台对接模块连接至外部云平台并在外部云平台的控制下向外部云平台发送数据；
74.边缘计算模块4还在外部云平台的控制下根据虚拟设备模型对传感器数据进行边缘计算处理，用于生成外部云平台所需的数据。
75.具体地，本技术方案通过功能模块化设计使得各类传感设备更方便地接入物联网网关；传感设备数据通过体系架构后，物联网网关输出的数据为经过边缘计算后的统一格式数据，便于上层平台应用对各类传感数据的存取，数据更易于为机器所理解和使用。在实际实施过程中，通过模块化设计，可以根据用户需求更为便捷的增加新的功能模块，以便于
在同一网关设备中实现更为丰富的功能。
76.进一步地，通过边缘计算模块4，可以根据配置的应用场景对海量的传感数据做算法处理，提高数据的安全性和时效性，节省网络带宽，为上层多应用服务和数据共享提供数据级互操作保障。从而实现基于传感数据的协同处理，实现对物理世界的协同感知。
77.在一种较优的实施例中，物联网网关系统还包括：
78.系统配置模块6，系统配置模块通过平台对接模块并接收系统配置命令，系统配置命令用于修改网关系统配置文件；
79.资源管理模块7，资源管理模块通过平台对接模块连接至外部云派台，并将外部云平台的指令信息解析后同步至系统配置模块和设备描述模块。
80.具体地，云平台5a可以直接通过系统配置模块6与资源管理模块7与设备对接，对网关系统以及外部物联网设备1a、1b、1c进行配置和管理控制。同时，资源管理模块7对外部物联网设备1a、1b、1c的管理控制信息，也会同步传给设备描述模块2，以满足设备建模和边缘计算的需要。边缘计算模块4会提取设备描述模块的物理设备模型信息和采集器模块3的元数据信息建立虚拟设备模型，并做边缘计算，以满足平台的应用需求。平台对接模块5负责与平台数据和命令的交互。设备对接模块1负责与传感设备的数据和命令的交互。
81.在一种较优的实施例中，如图2所示，设备对接模块1包括：
82.设备通信子模块11，设备通信子模块11通过多种数据协议与外部物联网设备1a、1b、1c建立连接关系；
83.数据读取子模块12，数据读取子模块12连接至采集器模块，并在采集器模块的控制下从外部物联网设备1a、1b、1c中获取传感器数据；
84.命令转发子模块13，命令转发子模块13连接至资源管理模块6，并在资源管理模块6的控制下向外部物联网设备发送控制指令。
85.具体地，设备对接模块1通过多种接口代码比如串口，网口，modbus以及蓝牙等从设备描述模块2中解读出外部物联网设备1a、1b、1c的基本信息、接口信息、数据组织信息；将基本信息保存在本地中，依据接口信息与外部物联网设备1a、1b、1c对接，并根据数据组织信息、采集器模块3以及资源管理模块7的要求获取被测量物的实际参数，并把数据传给采集器模块3或者资源管理模块7。以及根据资源管理模块7的要求下设管理和控制信息对外部物联网设备1a、1b、1c进行管理和控制。
86.在一种较优的实施例中，如图3所示，设备描述模块2包括：
87.数据接收子模块21，数据接收子模块21通过设备接收模块1获取外部物联网设备1a、1b、1c的固定数据信息、接入参数信息和环境数据信息；
88.采集器建模子模块22，采集器建模子模块22根据固定数据信息建立采集器模型；
89.具体地，采集器模型用于描述外部物联网设备1a、1b、1c的固定数据信息，包括出厂时间、厂家信息、设备信息、设备型号、设备id。
90.适配器建模子模块23，适配器建模子模块23根据接入参数信息建立适配器模型，适配器模型用于描述外部物联网设备的接口，包括接口采集点个数、采集点短码、采集频率、设备接口参数、接口类型、接口号；
91.环境建模子模块24，环境建模子模块24根据环境数据信息建立环境模型，环境模型用于描述外部物联网设备1a、1b、1c的工作环境，包括空间位置信息、环境信息。
92.具体地，通过外部物联网设备1a、1b、1c注册或者预制文件等方式获取一些固定数据信息，包括外部物联网设备1a、1b、1c的厂家、型号、出厂时间、设置参数等信息以及设备接入参数信息，或者提取外部物联网设备1a、1b、1c的元数据中的固定信息以及与周边环境位置有关的环境数据信息。利用物联网技术对有关的数据进行集中，采用模式识别、人工智能等算法模型对数据信息进行识别、处理，提取挖掘出有用的信息，并利用建模语言建立传感设备信息模型，并把场景描述出来，形成对外部物联网设备1a、1b、1c个体或整体的统一建模，为系统提供一个传感设备的工作场景。系统能够以一种规范的方式获取传感设备对物理世界的感知能力，进而实现传感设备的自动发现等功能。通过整个网关的设备信息模型，就可以展现整个网关的传感设备接入的能力。
93.在一种较优的实施例中，如图4所示，采集器模块3包括：
94.数据提取子模块31，数据提取子模块31根据适配器模型连接至外部物联网设备1a、1b、1c并提取传感器数据；
95.重封装子模块32，重封装子模块32连接至数据提取子模块31并对传感器数据解析重封装生成格式数据。
96.在一种较优的实施例中，如图5所示，边缘计算模块4包括：
97.元数据子模块41，元数据子模块41根据传感器数据生成元数据；
98.设备虚拟子模块42，设备虚拟子模块42接收采集器模型和环境模型并生成虚拟设备模型；
99.数据耦合子模块43，数据耦合子模块43通过平台对接模块5获取应用需求，并根据应用需求对元数据与虚拟设备模型进行耦合处理生成边缘计算数据。
100.具体地，边缘计算模块4目的是通过对外部物联网设备1a、1b、1c的统一建模，为用户提供一个外部物联网设备1a、1b、1c的虚拟工作场景，用户能够以一种规范的方式获取外部物联网设备1a、1b、1c对物理世界的感知能力，进而实现应用场景的边缘计算功能。其具体实现为用编程语言将物理设备转化为虚拟设备，并和数据相结合，构建为应用场景的数学模型，进而根据应用场景的需要进行不同的算法处理，进行边缘计算。
101.进一步地，通过设备描述模块2获取一些固定数据信息，包括设备的厂家、型号、出厂时间、设置参数等信息，或者提取元数据中的固定信息以及与周边环境位置有关的数据信息，利用各种算法对物理设备的固定信息进行识别、处理、提取有用的信息，然后利用编程语言建立虚拟设备模型。通过数据采集器获得外部物联网设备1a、1b、1c的数据，对物理数据进行算法处理，生成元数据，然后将生成的不同类型的元数据分配到相应的虚拟设备模型中，然后进行数据耦合算法，并进行应用场景的边缘计算处理。
102.在一种较优的实施例中，如图6所示，平台对接模块5包括：
103.系统配置子模块51，系统配置子模块51连接系统配置模块6并发送系统配置指令；
104.适配器配置子模块52，适配器配置子模块52连接设备描述模块2并发送外部物联网设备1a、1b、1c的接口信息；
105.设备状态子模块53，设备状态子模块53根据一预定时间间隔向外部云平台5a发送心跳包，心跳包中包括外部物联网设备1a、1b、1c的设备状态信息；
106.命令接口子模块54，命令接口子模块54从外部云平台5a接收指令信息、控制指令以及应用需求；
107.数据接口子模块55，数据接口子模块55连接至采集器模块3与边缘计算模块4并向外部云平台5a发送格式数据与边缘计算数据。
108.具体地，在本实施例中为实现网关系统整体的易用性，采用了平台对接模块5进行接口封装处理。通过将同一功能的对外接口封装为一个接口子模块，以便于用户在操作过程中通过接口子模块向对应的功能模块透传相应的参数或主题以选择实际的功能，以此提高了网关系统整体的易用性。各个接口子模块在网关系统内部则通过内部接口与其他各功能模块进行通信，以实现用户的远程控制。
109.在一种较优的实施例中，如图7所示，系统配置模块6包括：
110.配置存储子模块61，配置存储子模块61中存储有系统配置文件，系统配置文件中包括网关设备id、出厂时间、接口信息、云平台信息、接口数量、算力信息、上下行数据传输能力；
111.系统建模子模块62，系统建模子模块62根据系统配置文件建立网关系统模型，网关系统模型用于对所述网关系统整体进行描述。
112.一种物联网网关系统配置方法，如图8所示，包括：
113.s1：网关系统向外部云平台5a发送心跳包；
114.s2：外部云平台5a向网关系统发送系统配置指令；
115.s3：网关系统判断是否有新接入的外部物联网设备；
116.若是，进行步骤s4；若否，进行步骤s5；
117.s4：外部云平台5a向网关系统发送物联网设备配置指令；
118.s5：设备描述模块2更新外部物联网设备的设备建模；
119.s6：采集器模块3控制设备对接模块1初始化并采集数据；
120.s7：边缘计算模块4建立虚拟设备模型并向外部云平台发送边缘计算数据。
121.本发明的有益效果在于：通过设置设备对接模块和设备描述模块实现对多种物联网设备的接入与建模，提供统一的数据格式和数据处理方法，并通过边缘计算模块针对用户需求对数据进行处理生成相应的数据以便于云平台使用。本方案提供的物联网网关系统采用模块化的设计方案，可以实现业务功能的隔离、代码的高可用和高复用、边缘计算以及微服务功能的方便嵌入等，提高了系统的稳定性、可移植性以及功能的可拓展性。
122.以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。