CN111031034A - 多协议融合边缘计算网关 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种多协议融合边缘计算网关，包括：设备接入模块，设备接入模块包括若干设备接口，设备接入模块用于通过设备接口接收或发送对应的工业设备的数据；协议转换模块，协议转换模块与设备接入模块通讯连接，协议转换模块用于将设备接入模块接收或采集的数据转换为标准化报文；本地存储模块，本地存储模块与协议转换模块通讯连接，本地存储模块用于接收协议转换模块转换完毕的标准化报文并进行存储；边缘计算模块，边缘计算模块与本地存储模块通讯连接，边缘计算模块用于获取本地存储模块的存储的数据并进行处理；边缘计算模块将本地存储模块中的实时数据进行计算，边缘计算模块将本地存储模块中的非实时数据上传至云计算网络。

Description

多协议融合边缘计算网关
技术领域
本发明涉及工业网关技术领域，尤其涉及一种多协议融合边缘计算网关。
背景技术
随着工业化与信息化进程的不断融合，越来越多的信息技术应用到了工业领域，目前超过80％的涉及国计民生的关键基础设施依靠工业控制***来实现自动化作业，工控***协议种类繁多，不同厂商对协议有不同的扩展，导致针对协议的测试存在兼容性问题。
目前市场上工业网关数据采集功能比较单一，软件协议不完善只支持单一品牌设备协议，使得多种协议无法融合，用户无法添加新需求的软件协议，采集的数据无法完整与集控中心交互，对现场调试及后期维护带来极大的不便，而且不支持边缘计算功能，无法在网关端对数据进行实时处理，无法满足当前工业互联网行业数据采集的需求。
发明内容
本发明提供的多协议融合边缘计算网关，能够将多种协议的数据进行边缘计算。
本发明提供一种多协议融合边缘计算网关，包括：
设备接入模块，所述设备接入模块包括若干设备接口，所述设备接入模块用于通过所述设备接口接收或发送对应的工业设备的数据；
协议转换模块，所述协议转换模块与所述设备接入模块通讯连接，所述协议转换模块用于将所述设备接入模块接收或采集的数据转换为标准化报文；
本地存储模块，所述本地存储模块与所述协议转换模块通讯连接，所述本地存储模块用于接收所述协议转换模块转换完毕的标准化报文并进行存储；
边缘计算模块，所述边缘计算模块与所述本地存储模块通讯连接，所述边缘计算模块用于获取所述本地存储模块的存储的数据并进行处理；所述边缘计算模块将所述本地存储模块中的实时数据进行计算，所述边缘计算模块将所述本地存储模块中的非实时数据上传至云计算网络。
可选地，所述若干设备接口包括多个现场设备接口和多个智能设备接口；所述现场设备接口用于采集现场设备的运行数据，所述智能设备接口用于输出控制指令至智能设备。
可选地，所述边缘计算模块包括：
数据预处理单元，所述数据预处理模块用于对非实时数据进行预处理；
边缘分析单元，所述边缘分析单元用于对实时数据进行实时处理；
数据缓存单元，所述数据缓存单元用于存储所述数据预处理单元预处理后的数据或边缘分析单元实时处理的数据。
可选地，所述协议转换模块包括：
协议解析单元，所述协议解析单元用于将接收到的数据进行识别和解析；
数据转换单元，所述数据转换单元用于将所述协议解析单元解析后的数据转换为目标协议的数据；
数据传输单元，所述数据传输单元用于将所述数据转换单元转换完毕的数据发送至目标设备或目标模块。
可选地，所述协议解析单元包括OPC UA服务器；所述设备接口连接的工业设备具有OPC UA适配器。
可选地，所述OPC UA服务器通过订阅的方式获取所述OPC UA适配器的信息。
可选地，所述OPC UA服务器包括数据处理模块、数据库和历史数据模块；
所述数据处理模块用于接收和处理OPC UA适配器发送的数据；
所述数据库用于接收所述数据处理模块处理后的数据；
所述历史数据模块用于存储数据库中达到预定存储时间的数据。
可选地，所述数据处理模块包括数据采集单元、实时数据单元和事件处理单元；
所述数据采集单元用于接收所述工业设备中存储的数据；
所述实时数据单元用于接收所述工业设备实时产生的数据；
所述事件处理单元用于判断接收到的数据是否符合报警触发条件并将符合报警触发条件的数据生成警报数据项。
可选地，所述本地存储模块包括临时保存单元和查询分析单元；
所述临时保存单元用于存储所述协议转换模块转换的信息；
所述查询分析单元用于响应功能模块或设备的查询请求以提供数据。
可选地，所述边缘计算模块依据实时数据的处理结果发出指令，所述指令依次经过本地存储模块、协议转换模块和设备接入模块发送至目标设备。
本发明多协议融合边缘计算网关在***中具有承上启下的作用。能够对各种不同的物联设备协议进行解析并转换成标准的协议数据，对采集的数据进行实时的分析，并提取特定的有价值数据推送给云计算网络。端到端的数据通路以汇聚物联设备的海量数据，这些数据经过大数据分析和数据挖掘，可以产生巨大的价值。
附图说明
图1为本发明多协议融合边缘计算网关一实施例的框架结构图；
图2为本发明多协议融合边缘计算网关一实施例的协议转换流程图；
图3为本发明多协议融合边缘计算网关一实施例的OPC UA服务器框架图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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做出创造性劳动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。
如图1所示，本实施例提供一种多协议融合边缘计算网关，包括：设备接入模块、协议转换模块、本地存储模块和边缘计算模块。
设备接入模块，所述设备接入模块包括若干设备接口，所述设备接入模块用于通过所述设备接口接收或发送对应的工业设备的数据；具体地，该设备接入模块基于设备驱动服务核心框架，扩展实现各种不同的工业总线协议，支持各种设备的数据上传下载、命令下发和程序下载；为专用设备配置数据采集端口，采用即插即用的方式，安全的从工业现场设备里实时获取数据并进行传输，解决不同设备制造商之间设备的互通互联，实现设备的泛在连接。
协议转换模块，所述协议转换模块与所述设备接入模块通讯连接，所述协议转换模块用于将所述设备接入模块接收或采集的数据转换为标准化报文；具体地，该协议转换模块优选的基于OPC UA设计，将现场各种工业设备、装置采用的标准或私有通信协议转化成标准OPC UA通信协议。针对异构现场总线及以太网总线的不同报文结构的数据，通过标配数据接入模块，进行标准化报文拆解。工业网关应支持多种网络接口、总线协议与网络拓扑。
可选地，所述协议转换模块包括：
协议解析单元，所述协议解析单元用于将接收到的数据进行识别和解析；
数据转换单元，所述数据转换单元用于将所述协议解析单元解析后的数据转换为目标协议的数据；
数据传输单元，所述数据传输单元用于将所述数据转换单元转换完毕的数据发送至目标设备或目标模块。
可选地，所述协议解析单元包括OPC UA服务器；所述设备接口连接的工业设备具有OPC UA适配器。
可选地，所述OPC UA服务器通过订阅的方式获取所述OPC UA适配器的信息。
可选地，所述OPC UA服务器包括数据处理模块、数据库和历史数据模块；
所述数据处理模块用于接收和处理OPC UA适配器发送的数据；
所述数据库用于接收所述数据处理模块处理后的数据；
所述历史数据模块用于存储数据库中达到预定存储时间的数据。
可选地，所述数据处理模块包括数据采集单元、实时数据单元和事件处理单元；
所述数据采集单元用于接收所述工业设备中存储的数据；
所述实时数据单元用于接收所述工业设备实时产生的数据；
所述事件处理单元用于判断接收到的数据是否符合报警触发条件并将符合报警触发条件的数据生成警报数据项。
上述的协议转换模块的协议转换过程具体如下：基于OPC UA技术的通信协议转换主要目的是完成应用***和现场设备间的通信，顺利地将数据源的数据转换成符合OPC UA技术标准的数据，实现多协议的融合，便于数据处理和分析。本发明通过OPC UA服务器(快速开发工具包SDK)完成不同设备协议统一向标准协议转化，OPC UA服务器通过OPC UA协议订阅适配器中的数据。
如图3所示，OPC UA服务器中包括了实时数据服务、历史数据服务、事件处理服务、数据采集服务和数据库。OPC UA服务器中的数据采集服务通过OPC UA协议订阅适配器中的数据，可以得到实时数据，并将其直接存入数据库中，OPC UA客户端可以通过访问数据库查看设备的历史数据。OPC UA服务器中的事件处理服务是用户在设置的报警触发条件，定义好之后生成数据库的查询语句将报警数据项上传至OPC UA客户端中。
以基于TCP连接和串口连接方式的Modbus设备协议转换为例进行说明：客户端发送对服务器节点的请求，OPC UA服务器根据节点请求，产生TCP MODBUS命令发送到TCP设备或TCP守护程序并处里返回信息，将结果返回客户端。当发送命令至TCP设备时，由于协议相同，因此，不需要转换，可以直接发送命令至TCP设备。当发送至串口设备时，由于协议不同，则需要将命令发送至TCP守护程序，守护程序接受到TCP MODBUS命令时，将报文进行解析，提取其具体内容:分站号、功能码、起始寄存器地址、寄存器数量，作为参数调用相应的函数，实现向串口发送相应的MODBUS命令。同时设计特殊的格式的TCP报文用来接受对串口参数的设置(端口号、选择RTU或ASCII方式、数据位、停止位、波特率等)，使串口参数的设置受控于OPC UA服务器。守护程序收到串口的响应后，根据MODBUS响应PDU构造TCP方式的MODBUS响应报文，再返回给TCP客户端(OPC UA服务器)。
本地存储模块，所述本地存储模块与所述协议转换模块通讯连接，所述本地存储模块用于接收所述协议转换模块转换完毕的标准化报文并进行存储；
可选地，所述若干设备接口包括多个现场设备接口和多个智能设备接口；所述现场设备接口用于采集现场设备的运行数据，所述智能设备接口用于输出控制指令至智能设备。
边缘计算模块，所述边缘计算模块与所述本地存储模块通讯连接，所述边缘计算模块用于获取所述本地存储模块的存储的数据并进行处理；所述边缘计算模块将所述本地存储模块中的实时数据进行计算，所述边缘计算模块将所述本地存储模块中的非实时数据上传至云计算网络。具体地，部署边缘端设备实现边缘计算与云计算协同。基于边缘端设备，根据典型行业数据接入特点，基于流式数据分析对数据即来即处理，快速响应事件和不断变化的业务条件与需求。通过分布式边缘计算节点进行数据和知识的交换，支持计算、存储资源的横向弹性扩展，完成本地的实施决策和优化操作，在边缘计算层实现数据流分析，支持实时的数据分析、过滤和反馈；同时将非实时数据聚合后送到云端处理，将现场层的数据转成REST、MQTT、JSON等协议，实现云计算平台与边缘计算节点的数据通信、OT与IT的数据融合，实现与云计算协同。
基于以上框架，可以通过扩展设备接入服务灵活支持新的通信协议，还可以通过扩展边缘分析服务，实现新的数据分析算法。现场采集的海量数据经过边缘计算汇聚，通过消息服务，就可以存储到工业边缘云平台上。
可选地，所述边缘计算模块包括：
数据预处理单元，所述数据预处理模块用于对非实时数据进行预处理；
边缘分析单元，所述边缘分析单元用于对实时数据进行实时处理；
数据缓存单元，所述数据缓存单元用于存储所述数据预处理单元预处理后的数据或边缘分析单元实时处理的数据。
可选地，所述边缘计算模块依据实时数据的处理结果发出指令，所述指令依次经过本地存储模块、协议转换模块和设备接入模块发送至目标设备。
本发明多协议融合边缘计算网关在***中具有承上启下的作用。能够对各种不同的物联设备协议进行解析并转换成标准的协议数据，对采集的数据进行实时的分析，并提取特定的有价值数据推送给云计算网络。端到端的数据通路以汇聚物联设备的海量数据，这些数据经过大数据分析和数据挖掘，可以产生巨大的价值。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种多协议融合边缘计算网关，其特征在于：包括：
设备接入模块，所述设备接入模块包括若干设备接口，所述设备接入模块用于通过所述设备接口接收或发送对应的工业设备的数据；
协议转换模块，所述协议转换模块与所述设备接入模块通讯连接，所述协议转换模块用于将所述设备接入模块接收或采集的数据转换为标准化报文；
本地存储模块，所述本地存储模块与所述协议转换模块通讯连接，所述本地存储模块用于接收所述协议转换模块转换完毕的标准化报文并进行存储；
边缘计算模块，所述边缘计算模块与所述本地存储模块通讯连接，所述边缘计算模块用于获取所述本地存储模块的存储的数据并进行处理；所述边缘计算模块将所述本地存储模块中的实时数据进行计算，所述边缘计算模块将所述本地存储模块中的非实时数据上传至云计算网络。
2.如权利要求1所述多协议融合边缘计算网关，其特征在于：所述若干设备接口包括多个现场设备接口和多个智能设备接口；所述现场设备接口用于采集现场设备的运行数据，所述智能设备接口用于输出控制指令至智能设备。
3.如权利要求1所述多协议融合边缘计算网关，其特征在于：所述边缘计算模块包括：
数据预处理单元，所述数据预处理模块用于对非实时数据进行预处理；
边缘分析单元，所述边缘分析单元用于对实时数据进行实时处理；
数据缓存单元，所述数据缓存单元用于存储所述数据预处理单元预处理后的数据或边缘分析单元实时处理的数据。
4.如权利要求1所述多协议融合边缘计算网关，其特征在于：所述协议转换模块包括：
协议解析单元，所述协议解析单元用于将接收到的数据进行识别和解析；
数据转换单元，所述数据转换单元用于将所述协议解析单元解析后的数据转换为目标协议的数据；
数据传输单元，所述数据传输单元用于将所述数据转换单元转换完毕的数据发送至目标设备或目标模块。
5.如权利要求1所述多协议融合边缘计算网关，其特征在于：所述协议解析单元包括OPC UA服务器；所述设备接口连接的工业设备具有OPC UA适配器。
6.如权利要求5所述多协议融合边缘计算网关，其特征在于：所述OPC UA服务器通过订阅的方式获取所述OPC UA适配器的信息。
7.如权利要求5所述多协议融合边缘计算网关，其特征在于：所述OPC UA服务器包括数据处理模块、数据库和历史数据模块；
所述数据处理模块用于接收和处理OPC UA适配器发送的数据；
所述数据库用于接收所述数据处理模块处理后的数据；
所述历史数据模块用于存储数据库中达到预定存储时间的数据。
8.如权利要求7所述多协议融合边缘计算网关，其特征在于：所述数据处理模块包括数据采集单元、实时数据单元和事件处理单元；
所述数据采集单元用于接收所述工业设备中存储的数据；
所述实时数据单元用于接收所述工业设备实时产生的数据；
所述事件处理单元用于判断接收到的数据是否符合报警触发条件并将符合报警触发条件的数据生成警报数据项。
9.如权利要求1所述多协议融合边缘计算网关，其特征在于：所述本地存储模块包括临时保存单元和查询分析单元；
所述临时保存单元用于存储所述协议转换模块转换的信息；
所述查询分析单元用于响应功能模块或设备的查询请求以提供数据。
10.如权利要求1所述多协议融合边缘计算网关，其特征在于：所述边缘计算模块依据实时数据的处理结果发出指令，所述指令依次经过本地存储模块、协议转换模块和设备接入模块发送至目标设备。
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