CN117596095A - 一种基于边缘计算的水电集抄网关 - Google Patents

Abstract

一种基于边缘计算数据的水电集抄网关，包括网关硬件模块、网络容错模块、数据压缩模块、数据加密模块、网关交互模块、网关管理模块；所述水电集抄网关硬件集成微型计算处理器，利用边缘计算技术，在网关端口进行数据的采集、解析、压缩、加密，所述网关采用MQTT协议与服务器进行交互、所述网关设置业务通道和管理通道，对用户功能进行分类。

Description

一种基于边缘计算的水电集抄网关

技术领域

本发明涉及水电表集抄领域，具体地说，涉及一种基于边缘计算的水电集抄网关。

背景技术

传统水电表监测和数据采集领域，通常存在一系列挑战和问题。传统的水电表数据采集和监测方法往往面临数据传输延迟、网络可靠性、数据隐私和资源利用效率等方面的问题。在许多工业领域，包括水电站运营管理，住宅水电表的实时性和数据的准确性至关重要，而传统系统未能提供满足这些需求的有效解决方案。数据传输延迟限制了对及时变化数据的实时响应，网络故障容忍性有限性可能导致数据丢失和服务中断，数据隐私和安全性的问题使得敏感信息容易受到风险，而资源浪费问题也导致带宽和存储资源的低效利用，集中数据分析增加中央服务器的负担，造成数据延迟，因此，本发明提出一种基于边缘计算的水电集抄网关，基于边缘计算技术，会自动执行抄表任务、解析表计协议、传输密文数据，同时提供实时的远程维护服务，是一种更便捷、更安全、更智能的网关设备。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于边缘计算的水电集抄网关，以解决上述背景技术中提出的问题。

为了实现上述目的，本发明提出一种基于边缘计算的水电集抄网关，包括网关硬件模块、网络容错模块、数据压缩模块、数据加密模块、网关交互模块、网关管理模块；网关硬件模块将微型计算机处理器内置与网关中，网关安装大量接口，利用边缘计算技术，在网关中进行数据的处理；网络容错模块采用混合型拓扑结构，提高网关系统的容错能力和网络稳定性；数据压缩模块利用改进的数据匹配压缩算法，将网关数据进行压缩，减小数据大小，提高传输质量，数据加密模块利用网关内置的微型计算处理器，通过AES128算法对水电表业务数据进行校验和加密；网关交互模块通过MQTT协议，实现网关与服务器之间的交互；网关管理模块将网关设置业务通道和管理通道双网络通道，对用户和厂商提供单独的网关管理途径。

进一步的，所述网关硬件模块，在网关内部设置微型计算处理器，利用边缘计算技术，将水电表数据的分析处理设置在边缘设备上。

进一步的，所述网关硬件模块，集成了M-Bus、RS485、串口、以太网口、4G通信接口，网关可以设置M-Bus的工作模式，给M-Bus接口单独上电、下电，设置M-Bus接口周期性下电，接口丰富，集成度高，网关内部集成了CJ/T188户用计量仪表数据传输协议和DL/T645多功能电能表通信协议，满足国内主流冷热水表、热能表、电能表的抄读和解析，网关内部有精确的时钟单元，按照每一个小时对网关连接的水电表进行抄读。

进一步的，所述网络容错模块，采用混合型网络拓扑结构，提高网关系统的容错能力，定义网关条件概率γ，计算公式如下：

其中d_i表示网络地址目标精确定位，f_i表示目标检索，β_i表示目标与未知数的关系，T_i表示目标捕捉时间，V_p表示网络过滤，所述目标捕捉时间概率密度函数p_i(t)表示为：

其中μ_i表示目标捕捉时间T_i的期望，t表示目标捕捉时间T_i的未知数，网关条件概率在网络过滤条件下网关网络稳定条件概率，在网络收发中，定义平均数a_ave、最大数a_max、最小数a_min，基于所述平均数a_ave、最大数a_max、最小数a_min，得到正确资源参考数η，公式如下：

其中χ_c表示接口参数，d(·)表示参数随机函数，表示计数函数，基于资源参考数和网关条件概率，得到网络收发稳定的值，表示为综合技术数字D_h，公式如下：

D_h＝η×γ×d(χ_c·a_ave-χ_c·ε_k)

ε_k表示目标尺寸。本发明提出的混合型拓扑结构，提高了提高网关系统的容错能力和网络稳定性。

进一步的，所述数据压缩模块，提出改进的匹配压缩算法，对采集的数据进行压缩，定义数据的偏移量δ_i和匹配数据长度l_i，所有的偏移量δ_i与匹配数据长度l_i构成备选参数集合(δ_a,L_a)，表示为：

(δ_a,L_a)＝{(δ₁,l₁),(δ₂,l₂),…,(δ_n,l_n)}

δ₁、δ₂、δ_n分别表示在位置1处、2处、n处的偏移量，l₁、l₂、l_n分别表示位置1处、2处、n处的匹配数据长度，基于备选参数集合(δ_a,L_a)，进行参数择优，作为压缩编码参数，公式如下：

argmin(L(δ₁)+L(l₁),L(δ₂)+L(l₂),…,L(δ_n)+L(l_n))

其中L(·)表示压缩编码参数下的压缩输出比特数，返回的参数为压缩编码参数，构造决策函数公式如下：

基于决策函数，进行数据全局优化，计算压缩短流码长度L_min，公式如下：

其中分别表示由(δ₁,l₁)、(δ_n,l_n)进行构造的决策函数。本发明提出的压缩算法，相对于传统压缩算法，本发明提出的压缩算法提高数据压缩率，减小数据大小，提高了数据传输质量。

进一步的，所述数据加密模块，网关内部使用AES128算法对水电表业务数据进行校验和加密，在数据帧的结尾加入了4字节的校验，保证数据的合法性和完整性；数据帧的载荷部分进行了加密，保证传输信息的安全性，不知道密钥就不能解密数据也不能篡改数据；网关内部同时使用三个128位的密钥，密钥1用来做校验，密钥2用来做管理通道的加解密，密钥3用来做应用通道的加解密。

进一步的，所述网关交互模块，网关使用MQTT协议与服务器进行交互。

进一步的，所述网关管理模块，设置业务通道和管理通道双网络通道，业务通道连接业务服务器，提供产品交付的客户使用，接收抄表数据，提供控制接口对网关带载设备进行管理；管理通道连接管理服务器，提供给网关厂家使用，可以对网关进行诊断、修复和升级，包括带载设备管理、主动抄表管理、工作模式管理、M-Bus管理、业务数据管理、日志管理、远程升级功能。

有益效果：

本发明提出一种基于边缘计算的水电集抄网关，包括网关硬件模块、网络容错模块、数据压缩模块、数据加密模块、网关交互模块、网关管理模块；网关硬件模块将微型计算机处理器内置与网关中，网关安装大量接口，利用边缘计算技术，在网关中进行数据的处理，减少中央服务器的负担，降低数据解析处理的延迟；网络容错模块采用混合型拓扑结构，定义网关条件概率，考虑在网络过滤条件下，基于网络目标定位、目标检索、目标与未知数的卦象你，计算网关网络稳定的条件概率，考虑网关在数据收发状态下，定义正确资源参考数喝网关条件概率，计算网关综合技术数值，据此进行网络的调整，提高网关系统的容错能力和网络稳定性；数据压缩模块利用改进的数据匹配压缩算法，提出改进的压缩匹配算法，基于数据偏移量和数据匹配长度组成备选参数集合，利用备选参数集合，通过argmin函数，得到压缩编码参数，利用构建的决策函数，计算压缩短流码长度，相对于传统压缩算法，本发明提出的压缩算法通过在所有备选参数中择优压缩编码参数，提高数据压缩率，减小数据大小，提高传输质量；数据加密模块利用网关内置的微型计算处理器，通过AES128算法对水电表业务数据进行校验和加密，在数据帧的结尾加入了4字节的校验，网关内部同时使用三个128位的密钥，密钥1用来做校验，密钥2用来做管理通道的加解密，密钥3用来做应用通道的加解密，多重保险保证数据的合法性和完整性，；网关交互模块通过MQTT协议，实现网关与服务器之间的交互；网关管理模块将网关设置业务通道和管理通道双网络通道，对用户和厂商提供单独的网关管理途径。本发明提出的基于边缘计算的水电集抄网关，在硬件网关里完成对水表电表的采集、协议解析、加解密、网络上报功能，目前支持几十种水电表，具有双网络通道，业务通道给客户最新表计数据、提供控制接口；管理通道便于厂商进行故障诊断、修复、升级等功能，网关集成了M-Bus、RS485、串口、以太网口以及4G通信接口，接口丰富，集成度更高，采用MQTT物联网传输协议，资源占比小，实现更高效。

附图说明

利用附图对发明创造作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明创造的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。

图1是本发明结构示意图。

具体实施方式

结合以下实例对本发明作进一步描述。

参见图1，本发明的目的在于提供一种基于边缘计算的水电集抄网关，以解决上述背景技术中提出的问题。

为了实现上述目的，本发明提出一种基于边缘计算的水电集抄网关，包括网关硬件模块、网络容错模块、数据压缩模块、数据加密模块、网关交互模块、网关管理模块；网关硬件模块将微型计算机处理器内置与网关中，网关安装大量接口，利用边缘计算技术，在网关中进行数据的处理；网络容错模块采用混合型拓扑结构，提高网关系统的容错能力和网络稳定性；数据压缩模块利用改进的数据匹配压缩算法，将网关数据进行压缩，减小数据大小，提高传输质量，数据加密模块利用网关内置的微型计算处理器，通过AES128算法对水电表业务数据进行校验和加密；网关交互模块通过MQTT协议，实现网关与服务器之间的交互；网关管理模块将网关设置业务通道和管理通道双网络通道，对用户和厂商提供单独的网关管理途径。

具体的，所述网关硬件模块，在网关内部设置微型计算处理器，利用边缘计算技术，将水电表数据的分析处理设置在边缘设备上。

具体的，所述网关硬件模块，集成了M-Bus、RS485、串口、以太网口、4G通信接口，网关可以设置M-Bus的工作模式，给M-Bus接口单独上电、下电，设置M-Bus接口周期性下电，接口丰富，集成度高，网关内部集成了CJ/T188户用计量仪表数据传输协议和DL/T645多功能电能表通信协议，满足国内主流冷热水表、热能表、电能表的抄读和解析，网关内部有精确的时钟单元，按照每一个小时对网关连接的水电表进行抄读。

具体的，所述网络容错模块，采用混合型网络拓扑结构，提高网关系统的容错能力，定义网关条件概率γ，计算公式如下：

其中d_i表示网络地址目标精确定位，f_i表示目标检索，β_i表示目标与未知数的关系，T_i表示目标捕捉时间，V_p表示网络过滤，所述目标捕捉时间概率密度函数p_i(t)表示为：

其中μ_i表示目标捕捉时间T_i的期望，t表示目标捕捉时间T_i的未知数，网关条件概率在网络过滤条件下网关网络稳定条件概率，在网络收发中，定义平均数a_ave、最大数a_max、最小数a_min，基于所述平均数a_ave、最大数a_max、最小数a_min，得到正确资源参考数η，公式如下：

其中χ_c表示接口参数，d(·)表示参数随机函数，表示计数函数，基于资源参考数和网关条件概率，得到网络收发稳定的值，表示为综合技术数字D_h，公式如下：

D_h＝η×γ×d(χ_c·a_ave-χ_c·ε_k)

ε_k表示目标尺寸。

具体的，所述数据压缩模块，提出改进的匹配压缩算法，对采集的数据进行压缩，定义数据的偏移量δ_i和匹配数据长度l_i，所有的偏移量δ_i与匹配数据长度l_i构成备选参数集合(δ_a,L_a)，表示为：

(δ_a,L_a)＝{(δ₁,l₁),(δ₂,l₂),…,(δ_n,l_n)}

δ₁、δ₂、δ_n分别表示在位置1处、2处、n处的偏移量，l₁、l₂、l_n分别表示位置1处、2处、n处的匹配数据长度，基于备选参数集合(δ_a,L_a)，进行参数择优，作为压缩编码参数，公式如下：

argmin(L(δ₁)+L(l₁),L(δ₂)+L(l₂),…,L(δ_n)+L(l_n))

其中L(·)表示压缩编码参数下的压缩输出比特数，返回的参数为压缩编码参数，构造决策函数公式如下：

基于决策函数，进行数据全局优化，计算压缩短流码长度L_min，公式如下：

其中分别表示由(δ1,l1)、(δn,ln)进行构造的决策函数。在具体实施例中，采用本发明提出的改进的匹配压缩算法，对1G的数据进行压缩，压缩比率相对于传统的压缩算法，压缩比率更高。

具体的，所述数据加密模块，网关内部使用AES128算法对水电表业务数据进行校验和加密，在数据帧的结尾加入了4字节的校验，保证数据的合法性和完整性；数据帧的载荷部分进行了加密，保证传输信息的安全性，不知道密钥就不能解密数据也不能篡改数据；网关内部同时使用三个128位的密钥，密钥1用来做校验，密钥2用来做管理通道的加解密，密钥3用来做应用通道的加解密。

具体的，所述网关交互模块，网关使用MQTT协议与服务器进行交互。

具体的，所述网关管理模块，设置业务通道和管理通道双网络通道，业务通道连接业务服务器，提供产品交付的客户使用，接收抄表数据，提供控制接口对网关带载设备进行管理；管理通道连接管理服务器，提供给网关厂家使用，可以对网关进行诊断、修复和升级，包括带载设备管理、主动抄表管理、工作模式管理、M-Bus管理、业务数据管理、日志管理、远程升级功能。

有益效果：

本发明提出一种基于边缘计算的水电集抄网关，包括网关硬件模块、网络容错模块、数据压缩模块、数据加密模块、网关交互模块、网关管理模块；网关硬件模块将微型计算机处理器内置与网关中，网关安装大量接口，利用边缘计算技术，在网关中进行数据的处理，减少中央服务器的负担，降低数据解析处理的延迟；网络容错模块采用混合型拓扑结构，定义网关条件概率，考虑在网络过滤条件下，基于网络目标定位、目标检索、目标与未知数的卦象你，计算网关网络稳定的条件概率，考虑网关在数据收发状态下，定义正确资源参考数喝网关条件概率，计算网关综合技术数值，据此进行网络的调整，提高网关系统的容错能力和网络稳定性；数据压缩模块利用改进的数据匹配压缩算法，提出改进的压缩匹配算法，基于数据偏移量和数据匹配长度组成备选参数集合，利用备选参数集合，通过argmin函数，得到压缩编码参数，利用构建的决策函数，计算压缩短流码长度，相对于传统压缩算法，本发明提出的压缩算法通过在所有备选参数中择优压缩编码参数，提高数据压缩率，减小数据大小，提高传输质量，数据加密模块利用网关内置的微型计算处理器，通过AES128算法对水电表业务数据进行校验和加密，在数据帧的结尾加入了4字节的校验，网关内部同时使用三个128位的密钥，密钥1用来做校验，密钥2用来做管理通道的加解密，密钥3用来做应用通道的加解密，多重保险保证数据的合法性和完整性，；网关交互模块通过MQTT协议，实现网关与服务器之间的交互；网关管理模块将网关设置业务通道和管理通道双网络通道，对用户和厂商提供单独的网关管理途径。本发明提出的基于边缘计算的水电集抄网关，在硬件网关里完成对水表电表的采集、协议解析、加解密、网络上报功能，目前支持几十种水电表，具有双网络通道，业务通道给客户最新表计数据、提供控制接口；管理通道便于厂商进行故障诊断、修复、升级等功能，网关集成了M-Bus、RS485、串口、以太网口以及4G通信接口，接口丰富，集成度更高，采用MQTT物联网传输协议，资源占比小，实现更高效。

本发明还提供了一种计算机可读存储介质，该存储介质中存储有至少一条指令，该指令由处理器加载并执行，以实现上述方法。其中，该计算机可读存储介质可以是ROM、随机存取存储器、CD-ROM、磁带、软盘和光数据存储设备等。其内存储的指令可由终端中的处理器加载并执行上述方法。

本发明实施方式是参照根据本发明实施例的方法、终端设备(系统)、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、嵌入式处理机或其他可编程数据处理终端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终端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终端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终端设备上，使得在计算机或其他可编程终端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终端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。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本发明中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本发明所示的这些实施例，而是要符合与本发明所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种基于边缘计算的水电集抄网关，包括网关硬件模块、网络容错模块、数据压缩模块、数据加密模块、网关交互模块、网关管理模块；网关硬件模块将微型计算机处理器内置与网关中，网关安装大量接口，利用边缘计算技术，在网关中进行数据的处理；网络容错模块采用混合型拓扑结构，提高网关系统的容错能力和网络稳定性；数据压缩模块利用改进的数据匹配压缩算法，将网关数据进行压缩，减小数据大小，提高传输质量，数据加密模块利用网关内置的微型计算处理器，通过AES128算法对水电表业务数据进行校验和加密；网关交互模块通过MQTT协议，实现网关与服务器之间的交互；网关管理模块将网关设置业务通道和管理通道双网络通道，对用户和厂商提供单独的网关管理途径。

2.根据权利要求1所述一种基于边缘计算的水电集抄网关，其特征在于，所述网关硬件模块，在网关内部设置微型计算处理器，利用边缘计算技术，将水电表数据的分析处理设置在边缘设备上。

3.根据权利要求1所述一种基于边缘计算的水电集抄网关，其特征在于，所述网关硬件模块，集成了M-Bus、RS485、串口、以太网口、4G通信接口，网关设置M-Bus的工作模式，给M-Bus接口单独上电、下电，设置M-Bus接口周期性下电，接口丰富，集成度高，网关内部集成了CJ/T188户用计量仪表数据传输协议和DL/T645多功能电能表通信协议，满足国内主流冷热水表、热能表、电能表的抄读和解析，网关内部有精确的时钟单元，按照每一个小时对网关连接的水电表进行抄读。

4.根据权利要求1所述一种基于边缘计算的水电集抄网关，其特征在于，所述网络容错模块，采用混合型网络拓扑结构，提高网关系统的容错能力，定义网关条件概率γ，计算公式如下：

其中d_i表示网络地址目标精确定位，f_i表示目标检索，β_i表示目标与未知数的关系，T_i表示目标捕捉时间，V_p表示网络过滤，网关条件概率表示在网络过滤条件下网络稳定条件概率，所述目标捕捉时间概率密度函数p_i(t)表示为：

其中μ_i表示目标捕捉时间T_i的期望，t表示目标捕捉时间T_i的未知数，在网络收发中，定义平均数a_ave、最大数a_max、最小数a_min，基于所述平均数a_ave、最大数a_max、最小数a_min，得到网络资源参考数η，公式如下：

其中χ_c表示接口参数，d(·)表示参数随机函数，表示计数函数，基于网络资源参考数和网关条件概率，得到网络收发稳定的值，表示为综合技术数字D_h，公式如下：

D_h＝η×γ×d(χ_c·a_ave-χ_c·ε_k)

ε_k表示目标尺寸。

5.根据权利要求1所述一种基于边缘计算的水电集抄网关，其特征在于，所述数据压缩模块，提出改进的匹配压缩算法，对采集的数据进行压缩，定义数据的偏移量δ_i和匹配数据长度l_i，所有的偏移量δ_i与匹配数据长度l_i构成备选参数集合(δ_a,L_a)，表示为：

(δ_a,L_a)＝{(δ₁,l₁),(δ₂,l₂),…,(δ_n,l_n)}

δ₁、δ₂、δ_n分别表示在位置1处、2处、n处的偏移量，l₁、l₂、l_n分别表示位置1处、2处、n处的匹配数据长度，基于备选参数集合(δ_a,L_a)，进行参数择优，作为压缩编码参数，公式如下：

argmin(L(δ₁)+L(l₁),L(δ₂)+L(l₂),…,L(δ_n)+L(l_n))

其中L(·)表示压缩编码参数下的压缩输出比特数，返回的参数为压缩编码参数，构造决策函数公式如下：

基于决策函数，进行数据全局优化，计算压缩短流码长度L_min，公式如下：

其中分别表示由(δ₁,l₁)、(δ_n,l_n)进行构造的决策函数。

6.根据权利要求1所述一种基于边缘计算的水电集抄网关，其特征在于，所述数据加密模块，网关内部使用AES128算法对水电表业务数据进行校验和加密，在数据帧的结尾加入了4字节的校验，保证数据的合法性和完整性；数据帧的载荷部分进行了加密，保证传输信息的安全性，不知道密钥就不能解密数据也不能篡改数据；网关内部同时使用三个128位的密钥，密钥1用来做校验，密钥2用来做管理通道的加解密，密钥3用来做应用通道的加解密。

7.根据权利要求1所述一种基于边缘计算的水电集抄网关，其特征在于，所述网关交互模块，网关使用MQTT协议与服务器进行交互。

8.根据权利要求1所述一种基于边缘计算的水电集抄网关，其特征在于，所述网关管理模块，设置业务通道和管理通道双网络通道，业务通道连接业务服务器，提供产品交付的客户使用，接收抄表数据，提供控制接口对网关带载设备进行管理；管理通道连接管理服务器，提供给网关厂家使用，可以对网关进行诊断、修复和升级，包括带载设备管理、主动抄表管理、工作模式管理、M-Bus管理、业务数据管理、日志管理、远程升级功能。