CN111158277B - 一种基于边缘计算集群的建筑物传感物联网***及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于边缘计算集群的建筑物传感物联网***，包括：传感器、集群控制器、功能设施；所述传感器连接所述集群控制器，用于采集建筑物内的相关数据，并将所述相关数据发送给所述集群控制器；所述集群控制器连接所述传感器与所述功能设施，用于根据所述传感器和所述功能设施传输的相关数据，执行计算、分析和决策，并且对所述功能设施下达控制指令；所述功能设施连接所述集群控制器，用于采集建筑物内的相关数据，将所述相关数据发送给所述集群控制器，并根据所述集群控制器下达的所述控制指令进行相应的操作。该***对边缘计算集群采取冗余备份的机制，提高集群控制器对数据的获取能力与计算分析能力。

Description

一种基于边缘计算集群的建筑物传感物联网***及其方法

技术领域

本发明涉及物联网技术领域，具体是一种基于边缘计算集群的建筑物传感物联网***及其方法。

背景技术

物联网又被称为“万物互联的网络“，随着物联网技术的发展，不久的将来，建筑物中的方方面面的”物“——包括各种类型的传感器，以及各种类型的功能设施(例如消防设施、空调供暖设施、空气净化设施、照明设施、门禁设施、闸机设施、显示屏、扬声器、智能家具等)——都可以基于统一的物联网协议而实现彼此通信和信息互通。

这种互通可以带来很多有益的功能，例如空调供暖设施、照明设施、智能家具等可以共同作用而为用户从温度、光照、家具状态等多方面营造有利于工作、休闲或者睡眠的室内环境；又例如，一旦发生火情，消防设施、门禁和闸机设施、显示屏、扬声器可以共同作用而对用户发出告警、引导逃生以及取消各种通行限制从而提供畅通的通行道路。

不过，物联网条件下，如果继续采用传统的C-S模式(客户端-服务器)，客户端全部的数据都上传到中心的服务器，由中心服务器进行计算、分析和决策，然后再将控制指令下达到各个客户端，以及由服务器为客户端进行信息的中转；由于作为客户端的传感器和功能设施的数量极多，彼此互通的需求旺盛，这样必然会造成通信开销显著增大，中心服务器的处理负荷也难以承受，决策响应的及时性明显降低。

所以物联网条件下越来越多的采用基于边缘计算的集群架构来组织建筑物中的传感器以及功能设施；这种架构也就是基于一定的组织规则，将前端的一定数量的传感器和功能设施组织为集群，建筑物中具有一定数量的具备不同功能或者是位于不同空间的集群(例如同一个楼层或者同一个房间的全部传感器和功能设施组织为一个集群；或者，将上文提到的营造用户环境这个功能相关的传感器和功能设施组织为一个集群)；同一个集群的传感器和功能设施基于物联网协议可以彼此直接进行通信，或者是由本集群的其它传感器和功能设施作为中转而通信(例如A和B不能直接通信，但是通过C中转实现A-B之间的通信，A、B、C都处于同一个集群)；同一个集群里面确定一个集群控制器，负责根据本集群的传感器和功能设施提供的数据，执行计算、分析和决策，并且向本集群的功能设施下达控制指令；集群控制器可以专门设置，也可以由具有一定信息计算能力的功能设施来兼任；这样绝大部分数据和指令都在本集群内部传输而不需要与中心服务器通信(中心服务器还是保留的，用于处理集群无法处理或者没有权限处理的任务，或者进行跨集群之间的数据和指令中转，以及对各个集群的运行状态进行监控，调整集群的组织，例如向集群增减传感器或者功能设施、合并集群、撤销集群等)，降低了通信开销，提高了及时性，降低了负荷。

不过基于边缘计算集群架构的物联网***也会存在一定的短板，因为集群控制器对数据的获取能力、计算分析能力都远远比不上中心服务器(因为不可能按照中心服务器的标准去配置集群控制器的软硬件，成本不允许)，可能发生错误的概率明显增大，例如，集群中的一部分传感器无法提供数据或者提供的数据不可靠，就容易造成集群控制器做出错误的决策从而带来错误的控制指令；集群控制器也有可能因为自身的计算分析能力有限而产生错误的决策胡或者具有较大的决策延迟，导致错误或者滞后的控制指令；甚至集群控制器自身有可能停止工作；这就可能造成建筑物的一些功能不能发挥正常作用，特别是涉及消防、安保、照明、空调供暖等方面的问题有可能带来严重的影响。

因此，如何提高集群控制器对数据的获取能力与计算分析能力，降低错误率是本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的是解决目前基于边缘计算集群架构的物联网***中的集群控制器对数据的获取能力、计算分析能力低，容易发生错误，造成建筑物的一些功能不能发挥正常作用的问题。

本发明实施例提供一种基于边缘计算集群的建筑物传感物联网***，包括：传感器、集群控制器、功能设施；

所述传感器连接所述集群控制器，用于采集建筑物内的相关数据，并将所述相关数据发送给所述集群控制器；

所述集群控制器至少设置2个，连接所述传感器与所述功能设施，用于根据所述传感器和所述功能设施传输的相关数据，执行计算、分析和决策，并且对所述功能设施下达控制指令；

所述功能设施连接所述集群控制器，用于采集建筑物内的相关数据，将所述相关数据发送给所述集群控制器，并根据所述集群控制器下达的所述控制指令进行相应的操作。

在一个实施例中，还包括：中心服务器；

所述中心服务器连接所述传感器、所述集群控制器与所述功能设施，用于根据所述传感器与所述功能设施的相关数据处理所述集群无法处理或没有权限处理的任务、进行跨集群之间的数据和指令中转、以及对所述各个集群的运行状态进行监控，调整所述集群的组织。

在一个实施例中，所述集群控制器的设置方式，包括以下方式的任意一种：

专门设置所述集群控制器、由具有信息计算能力的功能设施兼任所述集群控制器。

在一个实施例中，所述集群控制器，包括：

所述集群控制器根据集群中所述传感器和所述功能设施的总数量、所述集群的功能、所述集群所在的建筑空间决定集群中配置的集群控制器的数量。

在一个实施例中，所述集群控制器至少设置2个，包括：

选取1个集群控制器作为主控制器，其余集群控制器作为备份控制器。

在一个实施例中，所述集群控制器，包括：决策模块、投票模块、切换模块；

所述决策模块连接所述传感器、所述功能设施与所述投票模块，用于对所述相关数据进行计算分析，生成决策结果，并将所述决策结果发送给所述投票模块；

所述投票模块连接所述决策模块，用于根据投票规则，对所述决策结果进行投票，生成投票得分结果，并将所述投票得分结果发送给所述切换模块；

所述切换模块连接所述投票模块与所述功能设施，用于根据所述投票得分结果对所述主控制器与所述备份控制器进行地位切换。

基于上述目的，在本申请的第二个方面，还提出了一种基于边缘计算集群的建筑物传感物联网***的控制方法，包括：

传感器与功能设施采集建筑物内的相关数据，并将所述相关数据发送给集群控制器；

集群控制器根据所述传感器和所述功能设施传输的相关数据，执行计算、分析和决策，并且对所述功能设施下达控制指令；

所述功能设施根据所述集群控制器下达的所述控制指令进行相应的操作。

在一个实施例中，还包括：

根据所述传感器与所述功能设施的相关数据，中心服务器处理所述集群无法处理或没有权限处理的任务、进行跨集群之间的数据和指令中转、以及对所述各个集群的运行状态进行监控，调整所述集群的组织。

在一个实施例中，集群控制器根据所述传感器和所述功能设施传输的相关数据，执行计算、分析和决策，并且对所述功能设施下达控制指令，包括：

决策模块对所述相关数据进行计算分析，生成决策结果，并将所述决策结果发送给所述投票模块；

根据投票规则，所述投票模块对所述决策结果进行投票，生成投票得分结果，并将所述投票得分结果发送给所述切换模块；

根据所述投票得分结果，所述切换模块对主控制器与备份控制器进行地位切换。

在一个实施例中，根据所述投票得分结果，所述切换模块对主控制器与备份控制器进行地位切换，包括：

如果作为所述备份控制器的本集群控制器的投票得分最高，则所述切换模块把本集群控制器切换为主控制器，并向所述功能设施下达所述控制指令；如果作为所述主控制器的本集群控制器的投票得分并非最高得分，则所述切换模块把本集群控制器自动切换为所述备份控制器。

本发明实施例提供的上述技术方案的有益效果至少包括：

本发明实施例提供的一种基于边缘计算集群的建筑物传感物联网***，本***对边缘计算集群采取冗余备份的机制，设置2个以上的集群控制器对传感器与功能设施上传的相关数据进行分析、计算、决策，降低错误率，提高了对的数据的获取能力与计算分析能力，及时有效地控制功能设施进行相应的操作，充分发挥其自身的作用，并且设置集群控制器降低了通信开销，提高了及时性，降低了中心服务器的处理负荷。

同时，通过投票机制对决策结果进行打分，根据得分结果实现主控制器与备份控制器之间的地位切换，降低了集群控制器的错误率，提高了集群控制器的计算分析能力，集群控制器能够通过投票机制做出正确的指令，控制功能设施正常工作。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明实施例提供的一种基于边缘计算集群的建筑物传感物联网***的示意图；

图2为本发明实施例提供的一种基于边缘计算集群的建筑物传感物联网***的框图；

图3为本发明实施例提供的一种基于边缘计算集群的建筑物传感物联网***使用方法的流程图；

图4为本发明实施例提供的步骤S202的流程图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

参照图1-2所示，本发明实施例提供的一种基于边缘计算集群的建筑物传感物联网***，该包括：传感器1、集群控制器2、功能设施3；

所述传感器1连接所述集群控制器2，用于采集建筑物内的相关数据，并将所述相关数据发送给所述集群控制器2。

具体的，相关数据包括温度、照明、空气质量等数据。

所述集群控制器2至少设置2个，连接所述传感器1与所述功能设施3，用于根据所述传感器1和所述功能设施3传输的相关数据，执行计算、分析和决策，并且对所述功能设施3下达控制指令。

具体的，所述集群控制器2的设置方式，包括以下方式的任意一种：

专门设置所述集群控制器2、由具有信息计算能力的功能设施3兼任所述集群控制器2；或者也可以一部分专门设置，另一部分由功能设施3兼任所述集群控制器2。

进一步的，所述集群控制器2根据集群中所述传感器1和所述功能设施3的总数量、所述集群的功能、所述集群所在的建筑空间决定集群中配置的集群控制器2的数量；

例如，总数量<N₁的集群配置2个集群控制器，N₁<总数量<N₂配置3个或者更多的集群控制器(其中，N₁、N₂可以由用户设置具体数值)；对涉及一般性功能的集群配置2个集群控制器，对涉及消防、安保、照明、空调供暖等重要功能的集群配置3个或者更多的集群控制器；对建筑物的一般空间区域内的集群配置2个集群控制器，对建筑物的关键空间区域内的集群配置3个或者更多的集群控制器；

进一步的，所述集群控制器2至少设置2个，其中，选取1个集群控制器2作为主控制器，其余集群控制器2作为备份控制器。其中，所述主控制器基于计算分析生成决策结果，并根据所述决策结果向所述功能设施3下达所述控制指令；所述备份控制器基于计算分析生成决策结果(不下达控制指令)。

所述功能设施3连接所述集群控制器2，用于采集建筑物内的相关数据，将所述相关数据发送给所述集群控制器2，并根据所述集群控制器2下达的所述控制指令进行相应的操作。

具体的，所述功能设施3包括消防设施、空调供暖设施、空气净化设施、照明设施、门禁设施等，根据集群控制器2下达的所述控制指令进行相应的操作，例如，供暖设施进行温度调节，空气净化进行空气净化、门禁设施控制开关。

本实施例中，对边缘计算集群采取冗余备份的机制，设置2个以上的集群控制器对传感器与功能设施上传的相关数据进行分析、计算、决策，降低错误率，提高了对的数据的获取能力与计算分析能力，及时有效地控制功能设施进行相应的操作，充分发挥其自身的作用，并且设置集群控制器降低了通信开销，提高了及时性，降低了中心服务器的处理负荷。

在一个实施例中，还包括：中心服务器4；

所述中心服务器4连接所述传感器1、所述集群控制器2与所述功能设施3，用于根据所述传感器1与所述功能设施3的相关数据处理所述集群无法处理或没有权限处理的任务、进行跨集群之间的数据和指令中转、以及对所述各个集群的运行状态进行监控，调整所述集群的组织。

在一个实施例中，所述集群控制器2，包括：所述集群控制器，包括：决策模块5、投票模块6、切换模块7；

所述决策模块5连接所述传感器、所述功能设施与所述投票模块6，用于对所述相关数据进行计算分析，生成决策结果，并将所述决策结果发送给所述投票模块6。

所述投票模块6连接所述决策模块5，用于根据投票规则，对所述决策结果进行投票，生成投票得分结果，并将所述投票得分结果发送给所述切换模块7。

具体的，投票规则的得分机制包括以下机制的一种，或者将以下机制得分进行权重累加(即将以下各项得分乘以权重值然后再累加一起)获得总得分：

(1)、根据每个集群控制器对应的有效传感器或者有效传感数据进行打分；由于通信的延迟等原因，以及决策及时性的需要，决策时不能保证每个集群控制器都获得集群内全部传感器的有效数据，因此可以根据每个集群控制器决策时所对应的有效传感器或者有效传感数据的数量，越多则得分越高；

(2)、对于每个集群控制器的决策结果，根据集群内的功能设施的可执行度进行打分；例如，决策结果超出了功能设施的允许执行的范围(比如对光照亮度的调节超出了照明设施所能达到的范围)，或者功能设施在有效时间能无法达到决策结果要求的目标(比如空调供暖设施在有效时间内无法达到决策结果预定的温度值)，则认为可执行度为0，相应的，如果达到决策结果要求目标所需的有效时间越长，则可执行度越低，可执行度越低则得分越低；

(3)、对于在集群包含三个以上的集群控制器的情况下，计算各个集群控制器的决策相似度指数，如果主控制器的决策结果与其它集群控制器的平均相似度指数低于阈值，那就从其它集群控制器当中选取一个作为主控制器；例如，主控制器A的决策结果是升温10度，其它集群控制器B、C、D是分别升温3、5、4度，则取消A作为主控制器，从B-D中选取一个作为主控制器。

所述切换模块7连接所述投票模块6与所述功能设施，用于根据所述投票得分结果对所述主控制器与所述备份控制器进行地位切换。

具体的，主控制器和备份控制器彼此交换决策结果，通过投票机制实现主控制器与备份控制器之间的地位切换。如果作为所述备份控制器的本集群控制器的投票得分最高，则所述切换模块7把本集群控制器切换为主控制器，并向所述功能设施下达所述控制指令；如果作为所述主控制器的本集群控制器的投票得分并非最高得分，则所述切换模块7把本集群控制器自动切换为所述备份控制器。

本实施例中，通过投票机制对决策结果进行打分，根据得分结果实现主控制器与备份控制器之间的地位切换，降低了集群控制器的错误率，提高了集群控制器的计算分析能力，集群控制器能够通过投票机制做出正确的指令，控制功能设施正常工作。

参照图3所示，一种基于边缘计算集群的建筑物传感物联网***的控制方法，包括：

S201、传感器与功能设施采集建筑物内的相关数据，并将所述相关数据发送给集群控制器。

具体的，相关数据包括温度、照明、空气质量等数据。

S202、集群控制器根据所述传感器和所述功能设施传输的相关数据，执行计算、分析和决策，并且对所述功能设施下达控制指令。

具体的，所述集群控制器根据集群中所述传感器和所述功能设施的总数量、所述集群的功能、所述集群所在的建筑空间决定集群中配置的集群控制器的数量。

进一步的，所述集群控制器2至少设置2个，其中，选取1个集群控制器2作为主控制器，其余集群控制器2作为备份控制器。其中，所述主控制器基于计算分析生成决策结果，并根据所述决策结果向所述功能设施3下达所述控制指令；所述备份控制器基于计算分析生成决策结果(不下达控制指令)。

S203、所述功能设施根据所述集群控制器下达的所述控制指令进行相应的操作。

具体的，所述功能设施包括消防设施、空调供暖设施、空气净化设施、照明设施、门禁设施等，根据集群控制器下达的所述控制指令进行相应的操作，例如，供暖设施进行温度调节，空气净化进行空气净化、门禁设施控制开关。

在一个实施例中，还包括：

根据所述传感器与所述功能设施的相关数据，中心服务器处理所述集群无法处理或没有权限处理的任务、进行跨集群之间的数据和指令中转、以及对所述各个集群的运行状态进行监控，调整所述集群的组织。

在一个实施例中，如图4所示，步骤S202，即集群控制器根据所述传感器和所述功能设施传输的相关数据，执行计算、分析和决策，并且对所述功能设施下达控制指令，包括：

S2021、决策模块对所述相关数据进行计算分析，生成决策结果，并将所述决策结果发送给所述投票模块；

S2022、根据投票规则，所述投票模块对所述决策结果进行投票，生成投票得分结果，并将所述投票得分结果发送给所述切换模块。

S2023、根据所述投票得分结果，所述切换模块对主控制器与备份控制器进行地位切换。

具体的，主控制器和备份控制器彼此交换决策结果，通过投票机制实现主控制器与备份控制器之间的地位切换。如果作为所述备份控制器的本集群控制器的投票得分最高，则所述切换模块把本集群控制器切换为主控制器，并向所述功能设施下达所述控制指令；如果作为所述主控制器的本集群控制器的投票得分并非最高得分，则所述切换模块把本集群控制器自动切换为所述备份控制器。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种基于边缘计算集群的建筑物传感物联网***，其特征在于，包括：传感器、集群控制器、功能设施；

所述传感器连接所述集群控制器，用于采集建筑物内的相关数据，并将所述相关数据发送给所述集群控制器；

所述集群控制器至少设置2个，连接所述传感器与所述功能设施，用于根据所述传感器和所述功能设施传输的相关数据，执行计算、分析和决策，并且对所述功能设施下达控制指令；在至少2个集群控制器中，其中1个集群控制器作为主控制器，其余集群控制器作为备份控制器；并且所述集群控制器，包括：决策模块、投票模块、切换模块；所述决策模块连接所述传感器、所述功能设施与所述投票模块，用于对所述相关数据进行计算分析，生成决策结果，并将所述决策结果发送给所述投票模块；所述投票模块连接所述决策模块，用于根据投票规则，对所述决策结果进行投票，生成投票得分结果，并将所述投票得分结果发送给所述切换模块；所述切换模块连接所述投票模块与所述功能设施，用于根据所述投票得分结果对所述主控制器与所述备份控制器进行地位切换；

所述功能设施连接所述集群控制器，用于采集建筑物内的相关数据，将所述相关数据发送给所述集群控制器，并根据所述集群控制器下达的所述控制指令进行相应的操作；

其中，所述投票规则的得分机制包括以下三种机制(1)-(3)中的任意一种，或者将以下三种机制(1)-(3)各自的得分进行权重累加获得总得分作为投票得分结果：(1)根据每个集群控制器对应的有效传感器或者有效传感数据的数量进行打分，每个集群控制器决策时所对应的有效传感器或者有效传感数据的数量越多则得分越高；(2)对于每个集群控制器的决策结果，根据集群内的功能设施的可执行度进行打分；决策结果超出了功能设施的允许执行的范围或者功能设施在有效时间能无法达到决策结果要求的目标则认为可执行度为0，相应的，如果达到决策结果要求目标所需的有效时间越长则可执行度越低，可执行度越低则得分越低；(3)对于在集群包含三个以上的集群控制器的情况下，计算各个集群控制器的决策相似度指数，如果主控制器的决策结果与其它集群控制器的平均相似度指数低于阈值，那就从其它集群控制器当中选取一个作为主控制器。

2.如权利要求1所述的一种基于边缘计算集群的建筑物传感物联网***，其特征在于，还包括：中心服务器；

所述中心服务器连接所述传感器、所述集群控制器与所述功能设施，用于根据所述传感器与所述功能设施的相关数据处理所述集群无法处理或没有权限处理的任务、进行跨集群之间的数据和指令中转、以及对所述各个集群的运行状态进行监控，调整所述集群的组织。

3.如权利要求1所述的一种基于边缘计算集群的建筑物传感物联网***，其特征在于，所述集群控制器的设置方式，包括以下方式的任意一种：

专门设置所述集群控制器、由具有信息计算能力的功能设施兼任所述集群控制器。

4.如权利要求1所述的一种基于边缘计算集群的建筑物传感物联网***，其特征在于，所述集群控制器，包括：

所述集群控制器根据集群中所述传感器和所述功能设施的总数量、所述集群的功能、所述集群所在的建筑空间决定集群中配置的集群控制器的数量。

5.如权利要求1所述的一种基于边缘计算集群的建筑物传感物联网***的控制方法，其特征在于，包括：

传感器与功能设施采集建筑物内的相关数据，并将所述相关数据发送给集群控制器；

集群控制器根据所述传感器和所述功能设施传输的相关数据，执行计算、分析和决策，并且对所述功能设施下达控制指令；其中，在至少2个集群控制器中，其中1个集群控制器作为主控制器，其余集群控制器作为备份控制器；并且所述集群控制器的决策模块连接所述传感器、所述功能设施与所述投票模块，用于对所述相关数据进行计算分析，生成决策结果，并将所述决策结果发送给所述投票模块；所述投票模块连接所述决策模块，用于根据投票规则，对所述决策结果进行投票，生成投票得分结果，并将所述投票得分结果发送给所述切换模块；所述切换模块连接所述投票模块与所述功能设施，用于根据所述投票得分结果对所述主控制器与所述备份控制器进行地位切换；

所述功能设施根据所述集群控制器下达的所述控制指令进行相应的操作；

其中，所述投票规则的得分机制包括以下三种机制(1)-(3)中的任意一种，或者将以下三种机制(1)-(3)各自的得分进行权重累加获得总得分作为投票得分结果：(1)根据每个集群控制器对应的有效传感器或者有效传感数据的数量进行打分，每个集群控制器决策时所对应的有效传感器或者有效传感数据的数量越多则得分越高；(2)对于每个集群控制器的决策结果，根据集群内的功能设施的可执行度进行打分；决策结果超出了功能设施的允许执行的范围或者功能设施在有效时间能无法达到决策结果要求的目标则认为可执行度为0，相应的，如果达到决策结果要求目标所需的有效时间越长则可执行度越低，可执行度越低则得分越低；(3)对于在集群包含三个以上的集群控制器的情况下，计算各个集群控制器的决策相似度指数，如果主控制器的决策结果与其它集群控制器的平均相似度指数低于阈值，那就从其它集群控制器当中选取一个作为主控制器。

6.如权利要求5所述的一种基于边缘计算集群的建筑物传感物联网***的控制方法，其特征在于，还包括：

根据所述传感器与所述功能设施的相关数据，中心服务器处理所述集群无法处理或没有权限处理的任务、进行跨集群之间的数据和指令中转、以及对所述各个集群的运行状态进行监控，调整所述集群的组织。

7.如权利要求6所述的一种基于边缘计算集群的建筑物传感物联网***的控制方法，其特征在于，根据所述投票得分结果，所述切换模块对主控制器与备份控制器进行地位切换，包括：

如果作为所述备份控制器的本集群控制器的投票得分最高，则所述切换模块把本集群控制器切换为主控制器，并向所述功能设施下达所述控制指令；如果作为所述主控制器的本集群控制器的投票得分并非最高得分，则所述切换模块把本集群控制器自动切换为所述备份控制器。

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