CN112261603A - 一种基于电力物联网的边缘物联代理装置 - Google Patents

Abstract

本发明创造公开了一种基于电力物联网的边缘物联代理装置，包括电源处理模块、主处理模块、数据加密模块、数据存储模块、以太网接口模块、串行数据接口模块、PLC通信插口、可支持4G模组和WIFI/Lora模组的Mini‑PCIE接口、GPS模块、模拟信号和数字信号接口模块、标准SIM卡接口、SD卡接口、USB接口和Console接口。本发明装置接口丰富，体积小，功能强大，通过基于统一云边交互协议和统一边缘计算框架可实现统筹感知，边缘计算，实现端到端贯通应用。

Description

一种基于电力物联网的边缘物联代理装置

技术领域

本发明属于电力物联网技术领域，具体涉及一种基于电力物联网的边缘物联代理装置。

背景技术

电力物联网建设，就是充分利用人工智能，移动通信，互联网等现代信息技术，实现电力***各个层面的万物互联，提升电力***全面感知能力，建设智慧物联体系，更好的管理电力***，更好的服务人民生活生产。目前随着社会的发展，电力物联网和智能电网建设的不断加大促进了电力业务与互联网的融合进度，产生了配电自动化、用电信息采集、智能巡检机器人、故障指示器，能源控制、电动汽车充电桩、网络监控等一批新型的电力业务。这些业务的通信接口、通信协议、运行环境等都存在较大不同。如何兼顾这些不同的需求，并且高效便捷的对这些不同业务场景下的设备进行控制监测，是现在一个很大的挑战。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供了一种基于电力物联网的边缘物联代理装置，边缘物联代理装置***体积小、数据接口丰富，功能强大。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于电力物联网的边缘物联代理装置，其特征是，包括电源处理模块、主通信处理模块、数据加密模块、数据存储模块、以太网接口模块、串行数据接口模块、PLC通信接口、支持4G模组和Wifi/Lora模组的Mini-PCIE接口模块、GPS模块、模拟信号和数字信号接口模块、标准SIM卡接口、SD卡接口、USB接口和Console接口；

主通信处理模块分别与数据加密模块、数据存储模块、以太网接口模块、串行数据接口模块、PLC通信接口、Mini-PCIE接口模块、GPS模块、模拟信号和数字信号接口模块、SD卡接口、USB接口和Console接口相连；主通信处理模块用来控制各个模块的工作以及提供边缘服务；

标准SIM卡接口与Mini-PCIE接口相连；

电源处理模块连接其他各个模块为其他各个模块接口供电。

进一步的，所述数据加密模块包括一块电力专用南瑞3000加密芯片、一块国网智芯公司SC1187Y加密芯片、和一块国密公司的TPM可信计算芯片，用来提供安全密码算法服务、平台完整性保护、平台远程身份证明以及数据的加密功能。

进一步的，所述数据存储模块包括Flash模块和EMMC，Flash和EMMC芯片均用来存储内核和各种***文件。

进一步的，Flash模块部分采用三片Flash芯片组成，分别是nand flash、norflash还有QSPI flash，并且三种Flash芯片切换使用。

进一步的，所述串行数据接口模块包括2路RS232串口和2路RS485串口，用来收发电力信息采集数据。

进一步的，支持4G模组和Wifi/Lora模组的Mini-PCIE接口模块：当***4G模组时，此Mini-PCIE接口作用是作为双4G通信中的一路，进行双4G模式通信，而作为Wifi/Lora模组的接口时，用于实现物联代理Wifi/Lora的功能，通过PCIE总线与主通信处理模块连接。

进一步的，所述4G模组为两个，一个SIM卡和MiniPCIE接口搭建第一路4G通信电路，而第二路4G通信电路复用的可支持4G模组和Wifi/Lora模组的Mini-PCIE接口模块。

进一步的，所述两个4G模组为一前一后的上电时序，上电时采用分配的串口节点来固定模组对应的串口节点。

进一步的，还包括与主通信处理模块相连的信号指示灯，信号指示灯分别指示2路232、2路485、PLC通信、Lora功能、Wifi功能、4G通信、电源指示和***启动。

进一步的，还包括一个终端外壳；电源处理模块、主通信处理模块、数据加密模块、以太网接口模块、串行数据接口模块、Mini-PCIE接口模块、GPS模块、PLC通信接口、模拟信号和数字信号接口模块均设置在终端外壳内的主板上；标准SIM卡接口、SD卡接口、4G天线接口、Wifi/Lora天线接口、USB接口、RS232和RS485串行接口、数字信号输入输出接口、以太网RJ45接口和Console接口、信号指示灯设置在终端外壳外侧面上。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：本发明装置接口丰富，体积小，功能强大，通过基于统一云边交互协议和统一边缘计算框架可实现统筹感知，边缘计算，实现端到端贯通应用。本发明通过双4G模组通信功能，可以分别连接物联管理云平台和用电业务通信主站，将采集终端采集的用电信息双上传；并且可以实现无线公专网切换，构建边缘物联代理通信***。此***是整个智慧物联体系的重要组成部分。

附图说明

图1为本发明的边缘物联代理装置的结构示意图；

图2为本发明的边缘物联代理双4G通信原理框图；

图3为本发明的***边缘计算框架框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明的一种基于电力物联网的边缘物联代理装置，参见图1所示，包括电源处理模块、主通信处理模块、数据加密模块、数据存储模块、以太网接口模块、串行数据接口模块、PLC通信接口、可支持4G模组和Wifi/Lora模组的Mini-PCIE接口模块、GPS模块、模拟信号和数字信号接口模块、标准SIM卡接口、SD卡接口、USB接口和Console接口；

主通信处理模块分别与串行数据接口模块、以太网接口模块、数据加密模块、数据存储模块、Mini-PCIE接口、PLC通信接口、模拟信号和数字信号接口模块、SD卡接口、USB接口和Console接口相连；标准SIM卡接口与Mini-PCIE接口相连；电源处理模块连接其他各个模块为其他各个模块接口供电。

下面分别对各模块进行详细介绍，其中：

主通信处理模块：包括一个CPU芯片，一个CPLD（复杂可编程逻辑器件）芯片和DDR芯片。其中CPLD主要的作用就是控制整个物联代理装置各个模块的上电和通信时序。DDR芯片主要作用是为装置提供内存空间，使运行更高效。各个外设接口模块最终都要与主通信模块相连。

电源处理模块：用于为***中各模块提供工作电源，电源处理模块包括24V转5V电路单元、5V转3.3V电路单元和5V转3.8V电路单元，各电路单元中通过电压变换芯片实现直流电源电压的变换功能。电源处理模块通过24V/48V的直流电压输入，通过多级电压转换，逐次压降为12V、5V、3.8V和3.3V，最后输出3.3V、3.8V和5V的工作电源为***中其他模块供电。

数据加密模块：数据加密模块由一块电力专用南瑞3000加密芯片、一块国网智芯公司SC1187Y加密芯片、和一块国密公司的TPM可信计算芯片及对应***电路构成。前面两个加密芯片是2个电力方面主流的加密芯片，可根据不同客户需求采用不同加密芯片，实现国家商用密码所需的SM2和SM1算法加密；DES/3DES加密和RSA公钥算法引擎；公钥算法、摘要算法以及AES、DES等对称算法。TPM芯片主要是支持可信启动和可信计算。数据加密模块支持多个国内外计算平台应用。

数据加密模块通过SPI总线的方式连接主通信处理模块。主通信处理模块作为主设备，数据加密模块侧作为从设备，为装置提供安全密码算法服务、平台完整性保护、平台远程身份证明，数据的加密等功能，并广泛应用于各类于IoT终端设备。

数据存储模块：数据存储模块由Flash模块和EMMC（内嵌式存储器）组合的方式构成。Flash和EMMC芯片都是主要是用来存储内核和各种***文件，然后都与主通信处理相连。Flash是采用的128M的，存储读取速度更快，可多次擦除和写入。而EMMC采用的8G存储空间的，接口传输速度更快，存储空间更大，提供标准接口进行读取并管理闪存。

Flash的作用是作为一个中间步骤，提前将一个小***烧录到Flash，从Flash启动此小***来对EMMC进行烧写，最终可以将内核和文件***都放入EMMC，应用EMMC的***来启动装置，存储读写都发生在EMMC里。

Flash模块部分采用三片Flash芯片组成，分别是nand flash、nor flash还有QSPIflash。根据不同的存储需求，Flash芯片可以切换使用。可通过CPU芯片中的集成FLASH控制器(IFC)，来实现Flash芯片切换使用的功能。

以太网接口模块：以太网接口模块由PHY芯片以及***电路构成，作为局域网络数据连接的端口，主要与局域网的其他设备相连接。

串行数据接口模块：串行数据接口模块包括2路RS232串口、2路RS485串口，分别由RS232和RS485电平转换芯片及其***电路构成。模块中的RS232电平转换芯片实现TTL电平与RS232电平的相互转换。模块中的RS485电平转换芯片采用半双工的通讯方式，实现TTL电平与RS485电平的相互转换。通过RS485串口可与电力信息采集设备、载波转换器相连，用来收发电力信息采集数据，实现采集设备与边缘物联代理的串口通信。RS232串口作为物联代理常用接口配置，实现与从设备的232串口通信。

PLC通信接口模块：PLC通信接口模块采用串行通信方式，主要用于CPU和载波转换器之间的通信。最终接收到的载波数据会通过串口传送到物联代理装置，再通过装置的4G功能，上传到物联管理平台。

可支持4G模组和Wifi/Lora模组的Mini-PCIE接口模块：此接口模块是边缘物联代理中的一个重要模块。当***4G模组时，此Mini-PCIE接口作用是作为双4G通信中的一路，进行双4G模式通信。主要通过USB HUB芯片连接到CPU，用USB接口协议与CPU通信实现的。而作为Wifi/Lora模组的接口时，主要作用是实现物联代理Wifi/Lora的功能。主要通过PCIE总线与CPU相连接来实现的。

GPS模块：GPS芯片通过串行通信的方式和CPU相连接，主要用与及时上传边缘物联代理装置的位置信息（包括经度、纬度、方位角、速度、卫星数等信息）及状态信息。

模拟信号和数字信号接口模块：主要用于采集并传送各种电气量(线路上的电压、电流、功率等) 和负荷潮流等，以及各种开关量1/0的数字信息等。主要通过继电器、光耦芯片、电平转换芯片等连接到CPU的GPIO实现的。

标准SIM卡接口：标准SIM卡接口电路由SIM卡槽和***保护电路构成，主要用于SIM卡的识别与数据读取。因为配置SIM卡接口，***SIM最终是为了实现4G的上网，而MiniPCIE接口可***公专一体化4G模组，同时完成软件功能配置，便可拨号上网，实现公专一体化的无线传输通信，所以SIM卡接口与4G模组的MiniPCIE接口相连。SIM卡接口电路支持3.8V的供电。

SD卡接口：SD卡接口用来***SD卡。主要作用是***通过SD卡启动，将SD卡中的***文件写入到数据存储模块的FLASH芯片中。主要通过SD卡接口与物联代理装置CPU的安全数字主机控制器SDHC相连，使CPU可读取SD卡中信息，CPU主通信模块又与数据存储模块相连接来实现的。

Console接口：Console接口是一个调试串口，主要作用是在调试时，与目标设备电脑等连接进行实时监测和通信。主要通过一个TTL转RS232的芯片与CPU相连接来实现。

USB接口：USB接口是一个USB3.0接口，主要作用通过USB接口协议与CPU进行通信。主要通过USB接口与USB HUB芯片相连，USB HUB芯片再根据所属的USB3.0 HUB协议的与CPU芯片相连接来实现的。

4G模组：主要作用是实现双4G通信功能。参见图2所示，此模块需要2个4G模组，4G模组采用MiniPCIE接口，所以就需要2个SIM卡和MiniPCIE接口。一个SIM卡和MiniPCIE接口搭建第一路4G通信电路，而第二路4G通信电路是复用的上述可支持4G模组和Wifi/Lora模组的Mini-PCIE接口模块。4G的Mini-PCIE连接USB HUB芯片，通过USB转串口的的方式来实现与CPU的通信。

作为本发明创造的进一步限定方案，为了实现双4G通信，并解决2个4G模组同时工作时，双4G模组的网卡对应的串口节点不固定，无法确切锁定串口节点与模组网卡对应关系的问题，采用CPLD对双4G模组设定一前一后的上电时序的方法，先后上电，会使分配的串口节点固定下来，来固定模组对应的串口节点。

作为本发明创造的进一步限定方案，物联代理装置中wifi模组或4G模组没有正常启动时，不可对整个装置复位。因为一旦物联代理装置关机重启，可能会丢失重要数据信息，只可对目标模组进行复位。模组未启动一般是指4G模组电压不足或长时间没有联通4G进行通信的状态。为实现对未启动模组的复位功能，采用了CPLD中时钟电源管理设计的方法。模组的RST复位信号是低电平有效，当通过程序监测到模组上电异常电平未拉高，或者没有连通4G通信时，CPU会通过CPLD的时钟电源管理，给连接4G模组的引脚输出复位信号，将模组的RST信号点平拉低，实现复位功能。

作为本发明创造的进一步限定方案，本发明通过双4G模组通信功能，可以分别连接物联管理云平台和用电业务通信主站，把通过RS485接口接收的载波转换器、用电采集终端的用电信息上传；双4G模组通信可以实现无线公专网切换，构建边缘物联代理通信***，此***是整个智慧物联体系的重要组成部分。

作为本发明创造的进一步限定方案，还包括与主通信处理模块相连的信号指示灯。信号指示灯分别指示2路232、2路485、PLC通信、Lora功能、Wifi功能、4G通信、电源指示和***启动。

作为本发明创造的进一步限定方案，还包括一个终端外壳；电源处理模块、主通信处理模块、数据加密模块、以太网接口模块、串行数据接口模块、Mini-PCIE接口模块、GPS模块、PLC通信接口、模拟信号和数字信号接口模块均设置在终端外壳内的主板上；标准SIM卡接口、SD卡接口、4G天线接口、Wifi/Lora天线接口、USB接口、RS232和RS485串行接口、数字信号输入输出接口、以太网RJ45接口和Console接口、信号指示灯等设置在终端外壳外侧面上。

本发明创造的基于电力物联网的边缘物联代理装置外壳呈灰色长方体状。在装置外壳左侧，设有4G主、4G辅、Wifi和Lora四个天线接口；标准SIM卡接口和SD卡接口；还配有AC220V的电源插口。在终端外壳的正前面，设有信号指示灯组，分别显示2路RS232、2路RS485、PLC通信、Lora功能、Wifi功能、4G通信、电源指示和***启动。还设有DC电源插口、USB3.0接口，3个千兆以太网接口和1个Console口；1个24插口的组合插口，可分别接入RS232、RS485、DI、DO和电源等。

本发明创造的有益效果在于：边缘物联代理装置接口多，功能丰富，应用场景十分多样，（如用于配用电、动环监控、充电桩、新能源等方面）可实现各种业务的通信汇聚和边缘计算。其含有3个千兆以太网接口、1个USB3.0高速接口、Console接口、2路RS485串行接口、2路RS232串行接口、4路数字输入和1路数字输出接口、1路模拟输入接口、1路PLC接口可支持HPLC模块、2路Mini-PCIE接口，1路支持公专一体4G模组、1路支持Lora/wifi或者4G的模组、可实现无线公/专网传输。同时还有数据加密模块，支持国网安全加密和可信启动，实现国家商密产品所需的SM2和SM3算法加密，增强了数据通信安全性。其内部装有GPS模块可实时定位；还有温度监测，掉电监测等功能。

在本发明的边缘物联代理装置上运行边缘物联代理***，边缘物联代理***框架在功能架构上分为基础功能层、边缘服务层和交互协议，参见图3所示。其中：

基础功能层包括子设备接入、应用管理、安全管理、***监视等功能；边缘服务层包括流计算、函数计算等功能，并支撑资源协同、数据协同、智能协同、应用管理等的云边协同；交互协议定义了边缘物联代理与物联管理中心的基础协议、对主题内容、消息格式，报文语义进行规范。最终物联管理平台实现数据分析、应用开发、业务编排等。

边缘物联代理***解决了物联网设备的互操作问题与业务协议多样问题，各组件实现数据业务APP数据缓存与上送、命令控制转发与执行和复杂业务流程。

作为本发明创造的进一步限定方案，边缘物联代理***具有融合面向物联网与面向云边融合的边缘计算平台，设计实现了自主边缘计算框架，其包含：

后台管理引擎、数据缓存、子设备控制、模型管理、应用管理、数据转发、任务调度、规则引擎等基础APP。边缘计算APP基于采集APP的数据、物模型与规则引擎在边缘侧实现数据处理、数据转换与复杂业务逻辑。边缘物联代理装置及***的后台管理引擎作为后台守护进程实现对***、APP和边缘计算框架的管理。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、***、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备（***）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于电力物联网的边缘物联代理装置，其特征是，包括电源处理模块、主通信处理模块、数据加密模块、数据存储模块、以太网接口模块、串行数据接口模块、PLC通信接口、支持4G模组和Wifi/Lora模组的Mini-PCIE接口模块、GPS模块、模拟信号和数字信号接口模块、标准SIM卡接口、SD卡接口、USB接口和Console接口；

主通信处理模块分别与数据加密模块、数据存储模块、以太网接口模块、串行数据接口模块、PLC通信接口、Mini-PCIE接口模块、GPS模块、模拟信号和数字信号接口模块、SD卡接口、USB接口和Console接口相连；主通信处理模块用来控制各个模块的工作以及提供边缘服务；

标准SIM卡接口与Mini-PCIE接口相连；

电源处理模块连接其他各个模块为其他各个模块接口供电。

2.根据权利要求1所述的一种基于电力物联网的边缘物联代理装置，其特征是，所述数据加密模块包括一块电力专用南瑞3000加密芯片、一块国网智芯公司SC1187Y加密芯片、和一块国密公司的TPM可信计算芯片，用来提供安全密码算法服务、平台完整性保护、平台远程身份证明以及数据的加密功能。

3.根据权利要求1所述的一种基于电力物联网的边缘物联代理装置，其特征是，所述数据存储模块包括Flash模块和EMMC，Flash和EMMC芯片均用来存储内核和各种***文件。

4. 根据权利要求3所述的一种基于电力物联网的边缘物联代理装置，其特征是，所述Flash模块采用三片Flash芯片组成，分别是nand flash、nor flash还有QSPI flash，并且三种Flash芯片切换使用。

5.根据权利要求1所述的一种基于电力物联网的边缘物联代理装置，其特征是，所述串行数据接口模块包括2路RS232串口和2路RS485串口，用来收发电力信息采集数据。

6.根据权利要求1所述的一种基于电力物联网的边缘物联代理装置，其特征是，支持4G模组和Wifi/Lora模组的Mini-PCIE接口模块：当作为4G模组的接口时，与主通信处理模块连接实现4G通信，而作为Wifi/Lora模组的接口时，通过PCIE总线与主通信处理模块连接实现物联代理Wifi/Lora的功能。

7.根据权利要求6所述的一种基于电力物联网的边缘物联代理装置，其特征是，所述4G模组为两个，一个4G模组和MiniPCIE接口搭建第一路4G通信电路，而第二路4G通信电路复用Mini-PCIE接口模块。

8.根据权利要求7所述的一种基于电力物联网的边缘物联代理装置，其特征是，所述两个4G模组为一前一后的上电时序，上电时采用分配的串口节点来固定模组对应的串口节点。

9.根据权利要求1所述的一种基于电力物联网的边缘物联代理装置，其特征是，还包括与主通信处理模块相连的信号指示灯，信号指示灯分别指示2路232、2路485、PLC通信、Lora功能、Wifi功能、4G通信、电源指示和***启动。

10.根据权利要求1所述的一种基于电力物联网的边缘物联代理装置，其特征是，还包括一个终端外壳；电源处理模块、主通信处理模块、数据加密模块、以太网接口模块、串行数据接口模块、Mini-PCIE接口模块、GPS模块、PLC通信接口、模拟信号和数字信号接口模块均设置在终端外壳内的主板上；标准SIM卡接口、SD卡接口、4G天线接口、Wifi/Lora天线接口、USB接口、RS232和RS485串行接口、数字信号输入输出接口、以太网RJ45接口和Console接口、信号指示灯设置在终端外壳外侧面上。

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