一种监测终端边缘物联代理系统的制作方法

1.本发明涉及智慧物联网管理技术领域，尤其涉及一种监测终端边缘物联代理系统。


背景技术：

2.边缘计算是在靠近物或者数据源头的网络边缘侧，融合网络、计算、存储、应用核心能力的分布式开放平台(架构)，就近提供边缘智能服务。边缘计算框架作为支撑边缘计算的开放式平台软件，满足行业数字化在敏捷连接、实时业务、数据优化、应用智能、安全与隐私保护等方面的关键需求。
3.边缘物联代理作为边缘计算感知层，能满足多专业多类型终端统一接入；现场巡检、调试、升级成本高难度大，需支持远程维护；根据不同业务场景部署分类分等级的边缘物联代理，提高建设经济性；边缘物联代理支持对不同业务的优先级管理，满足高优先级业务的处理；支持现有业务(用采、配变监测)的透明传输与数据汇集。最终实现数据“一次采集、多处应用”。
4.现有面向电力物联网的适用于不同电力场景下的通信转换设备主要有通信管理机、规约转换器和边缘物联网关等。
5.通信管理机主要应用于各个变电站，负责处理电力保护装置、各种智能设备、不同管理后台等综合通信数据，可提供包含以太网、标准rs232、标准rs485等不同通信接口，其主要功能是处理上行、下行的信息，完成不同协议的转发、实现不同系统的应用软件的透明传输。规约转换器主要用于电力自动化网络通信场合，进行通讯规约的转换，通过rs232/422/485 等串行接口以及以太网接口与继电保护、故障录波器、电度表、直流屏等装置进行数据通讯，经程序处理后通过网络或串口按照用户指定的通信规约标准送往监控后台或其他应用系统；变电站内的规约转换器是将变电站内的不同厂家的各类设备的通信协议转换成统一的61850 报文，与变电站监控系统建立通信网络，从而实现监控功能。边缘物联网关支持tcp/ip、udp、 ftp、http等多种网络协议，可接入互联网，实现数据传输。
6.在电力物联网中的应用中，通讯管理机功耗大、尺寸大、部署成本高，现场通信需要部署大量的线缆，不便于日后的维护；每个串口通道必须接入相同的规约、相同厂家、相同型号的装置，兼容性较差，不利于不同厂家之间建立通信连接，难以满足电力物联网对于采集器和物联平台的通信要求。与通信管理机类似，规约转换器仅适用于电力自动化场景，无法有效处理电力物联网中丰富的传感器信息，其转换成的61850报文仅限于智能变电站的网络传输，无法适用于电力物联网的通信特点。边缘物联网关面向机房、配电房等场景下，普通边缘物联网关接口较为单一，难以应对多种设备下接口样式繁多的问题，无法满足大多电力物联网应用需求。
7.目前，物联网边缘物联代理装置设备厂商、类型较多，各类边缘物联代理装置、云边协同类终端和应用规范不统一，随着智慧物联体系建设逐步深入和终端接入规模不断增大，现有边缘物联代理应用技术由于接入方式不标准、配置复杂，已不满足需求，难以支撑
后期大量终端快速、标准接入，为后期终端接入留下隐患。
8.因此，有必要研究一种边缘物联代理免配置快捷应用技术，实现边缘物联代理装置自动配置快捷应用。


技术实现要素：

9.本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的不足提供一种监测终端边缘物联代理系统。
10.本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
11.一种监测终端边缘物联代理系统，包含传感器模块、采集控制终端、边缘物联通信解析模块、边缘物联代理终端、物联管理平台，所述传感器模块与采集控制终端连接，所述采集控制终端与边缘物联通信解析模块连接，所述边缘物联通信解析模块与边缘物联代理终端连接，所述边缘物联代理终端与物联管理平台连接；
12.其中，传感器模块，用于采集输电线路监测数据；
13.采集控制终端，用于接收所述输电线路检测数据；
14.边缘物联通信解析模块，用于对接收到的数据进行数据识别和格式转换，并为转换后的数据进行上行传输；
15.边缘物联代理终端，用于接收所述输电线路检测数据，进而通过统一管理上传到物联管理平台；
16.所述边缘物联通信解析模块包含通信解析单元和通信单元；
17.其中，通信单元，用于给采集控制终端提供通信，完成采集的数据的上行传输，以及给通信解析单元提供通信；
18.通信解析单元，位于边缘物联代理装置一侧，用于对接收到的数据进行数据识别和格式转换，并为转换后的数据进行上行传输。
19.作为本发明一种监测终端边缘物联代理系统的进一步优选方案，所述传感器模块包含气象传感器阵列、杆塔倾斜传感器阵列、振动传感器阵列和舞动传感器阵列、多路复用开关、信号处理模块、模数转换器、第一lora模块，所述气象传感器阵列、杆塔倾斜传感器阵列、振动传感器阵列和舞动传感器阵列依次经过多路复用开关、信号处理模块、模数转换器连接第一lora模块。
20.作为本发明一种监测终端边缘物联代理系统的进一步优选方案，所述信号处理模块包含放大电路和双运放带通滤波器，所述放大电路由opa277运算放大器及电阻电容组成，所述双运带通滤波器由2个opa277运算放大器组成；具体包含第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器，其中，信号输入-in端连接第一电阻的一端，第一电阻的另一端分别连接第一电容的一端、第三电阻的一端和第一运算放大器的负电源脚，第一电容的另一端分别连接第三电阻的另一端、第一运算放大器的输出脚，信号输入+in端连接第二电阻的一端，第二电阻的另一端分别连接第一运算放大器的正电源脚、第四电阻的一端、第二电容的一端，第二电容的另一端连接第四电阻的另一端并接地，第一运算放大器的输出脚连接第五电阻的一端，第五电阻的另一端连接第二运算放大器的正电源脚，第二运算放大器的负电源脚连接第三运算放大器的负电源
脚，第三运算放大器的正电源脚分别连接第八电阻的一端、第九电阻的一端，第九电阻的另一端接地，第八电阻的另一端分别连接第七电阻的一端和第第二运算放大器的输出脚，第七电阻的另一端连接第四电容的一端，第四电容的另一端分别连接第九电阻的一端，第九电阻的另一端连接第三电容的一端，第三电容的另一端接地。
21.作为本发明一种监测终端边缘物联代理系统的进一步优选方案，所述采集控制终端包含第二lora模块、控制器模块、接口模块、串口模块，所述第二lora模块、接口模块、串口模块分别与控制器模块连接。
22.作为本发明一种监测终端边缘物联代理系统的进一步优选方案，所述通信解析单元包含处理器模块、以太网控制器、串口收发器、wifi模块、第三lora模块和电源模块；所述以太网控制器、串口收发器、wifi单元和第三lora模块分别与处理器模块连接，所述电源模分别与处理器模块、以太网控制器、串口收发器、wifi模块、第三lora模块连接，用于提供所需电源。
23.作为本发明一种监测终端边缘物联代理系统的进一步优选方案，所述wifi模块包含天线 ant1、电容c1、电容c2、电容c3、电容c4、电容c5、电容c6、电阻r1、电阻r2、电感 l1、电感l2、芯片u1、芯片u2、芯片u3、vdd端；
24.其中，天线ant1分别连接电感l1的一端、电容c6的一端，电感l1的另一端接地，电容c6的另一端分别连接电感l2的一端和芯片u1的引脚2，电感l2的另一端接地，芯片u1 的引脚3和芯片u1的引脚4分别连接电容c4的一端、电容c5的一端和vdd端，电容c4的另一端、电容c5的另一端分别接地，芯片u1的引脚1分别连接电容c3的一端、vdd端、芯片u1的引脚30和芯片u1的引脚29，电容c3的另一端接地，芯片u1的引脚31连接电阻r1 的一端，电阻r1的另一端接地，芯片u1的引脚28分别连接电容c1的一端和芯片u2的引脚 1，芯片u2的引脚2接地，电容c1的另一端接地，芯片u2的引脚4接地，芯片u2的引脚3 分别连接电容c2的一端和芯片u1的引脚27，电容c2的另一端接地，芯片u1的引脚18连接芯片u3的引脚7，芯片u1的引脚19连接芯片u3的引脚3，芯片u1的引脚20连接芯片 u3的引脚1，芯片u1的引脚21经过电阻r2连接芯片u3的引脚6，芯片u1的引脚22连接芯片u3的引脚2，芯片u1的引脚23连接芯片u3的引脚5，芯片u1的引脚17分别连接芯片 u1的引脚11和vdd端。
25.作为本发明一种监测终端边缘物联代理系统的进一步优选方案，所述边缘物联代理终端的型号为fd-ccd-gea。
26.作为本发明一种监测终端边缘物联代理系统的进一步优选方案，所述环境传感器阵列包含pm2.5传感器、一氧化碳传感器、二氧化碳传感器、空气质量检测仪、粉尘浓度检测仪、臭氧检测仪和温湿度传感器。
27.作为本发明一种监测终端边缘物联代理系统的进一步优选方案，所述模数转换模块采用型号为ad7794的模数转换器。
28.作为本发明一种监测终端边缘物联代理系统的进一步优选方案，所述通信解析单元与边缘物联代理装置之间通过以太网、rs485接口、无线wifi或无线lora方式实现通信连本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
29.1)本发明一种监测终端边缘物联代理系统基于lora的物联网通信技术，利用气象传感器、杆塔倾斜传感器、振动传感器和舞动传感器组成2*2的阵列，采用分布阵列式多点平均测量方式，有效地消除了由于传感器个体本身的缺陷带来的测量误差和减少了由于传
感器芯片蠕变而产生的随机误差或重复性误差；
30.2)本发明一种监测终端边缘物联代理系统包含传感器模块、采集控制终端、边缘物联通信解析模块、边缘物联代理终端、物联管理平台实现边缘物联代理免配置快捷应用，推动数据标准化采集和调用，加强物联管理平台对边缘物联代理及终端的统一接入和管控能力，助力电力物联网海量边缘管理，实现边缘侧设备统一管理、标准化数据接入，提升电力物联设备管理效率。
31.3)改善现有设备接入方式，提高运维人员方便实用性，降低运维工作量及检修难度，建立标准化规约，实现软件功能在硬件平台上动态迁移及可靠运行，与常用的通信协议与标准兼容、实现互联互通，降低其他应用开发和构建成本；实现各类终端进行统一接入，降低运维难度及运维成本，产生显著的经济效益，规范不同厂商的边缘物联代理装置，提升各类型终端数据采集、传输和计算的效率，有效支撑物联网建设，提高电网建设水平和服务水平。
附图说明
32.图1是本发明一种监测终端边缘物联代理系统的整体结构原理图；
33.图2是本发明传感器模块的结构原理图；
34.图3是本发明信号处理模块的电路图；
35.图4是本发明采集控制终端的结构原理图；
36.图5是本发明通信解析单元的结构原理图；
37.图6是本发明wifi模块电路图；
38.图7是本发明传感器与多路复用模拟开关示意图。
具体实施方式
39.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。
40.边缘代理位于电力物联网的感知层，利用本地的通讯接口对各类的传感器、终端等设备接入并边缘代理统一进行管理，通过协议解析将业务数据提取、沉余、汇聚及保存，按照一定的物模型要求进行标准化进行建模，利用边缘计算对模型数据进行数据加工，加工后的数据获得真实有效数据，这些真实有效数据在边缘计算模块中利用sm2的算法对这些数据进行加密，将加密后的数据通过4g gprs将数据发送至服务端的数据网关，服务器端的数据网关进行数据解密，获得真实有效的数据，供服务端使用。
41.边缘物联代理在功能架构分为硬件层、操作系统层、基础功能层和边缘服务层。其中，硬件层包括设备唯一标识、可信计算模块等功能；操作系统层包括系统监测、安全接入、应用隔离、可信度量等功能；基础功能层包括子设备接入、物模型管理、消息队列等功能；边缘服务层包括流计算、规则引擎等功能，并支撑资源、数据、智能、应用管理等的云边协同。
42.边缘物联代理可作为向物联管理中心传送数据的代理网关，对于一场一边，区域自治而言，所有子设备可被边缘物联代理统一管理。
43.边缘物联代理提供了多个通信设备接口，如串口、485、网口、载波plc、4g、lora等，内置国网芯加密芯片。边缘计算能力开放框架主要分为核心服务层、设备管理层、应用容器层，同时提供了统一管理的agent。应用容器层可为业务app提供轻量化的虚拟化运行环境，设备管理层提供对设备的物模型定义、设备注册等，核心服务层提供基于规则引擎的数据处理，边缘计算、任务调度等，边缘物联代理的采集信息通过统一管理agent上传到物联管理平台。
44.下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
45.一种监测终端边缘物联代理系统，如图1所示，包含传感器模块、采集控制终端、边缘物联通信解析模块、边缘物联代理终端、物联管理平台，所述传感器模块与采集控制终端连接，所述采集控制终端与边缘物联通信解析模块连接，所述边缘物联通信解析模块与边缘物联代理终端连接，所述边缘物联代理终端与物联管理平台连接；
46.其中，传感器模块，用于采集输电线路监测数据；
47.采集控制终端，用于接收所述输电线路检测数据；
48.边缘物联通信解析模块，用于对接收到的数据进行数据识别和格式转换，并为转换后的数据进行上行传输；
49.边缘物联代理终端，用于接收所述输电线路检测数据，进而通过统一管理上传到物联管理平台；
50.所述边缘物联通信解析模块包含通信解析单元和通信单元；
51.其中，通信单元，用于给采集控制终端提供通信，完成采集的数据的上行传输，以及给通信解析单元提供通信；
52.通信解析单元，位于边缘物联代理装置一侧，用于对接收到的数据进行数据识别和格式转换，并为转换后的数据进行上行传输。
53.如图2所示，所述传感器模块包含气象传感器阵列、杆塔倾斜传感器阵列、振动传感器阵列和舞动传感器阵列、多路复用开关、信号处理模块、模数转换器、第一lora模块，所述气象传感器阵列、杆塔倾斜传感器阵列、振动传感器阵列和舞动传感器阵列依次经过多路复用开关、信号处理模块、模数转换器连接第一lora模块。
54.本发明采用基于lora的物联网通信技术，利用气象传感器、杆塔倾斜传感器、振动传感器和舞动传感器组成2*2的阵列，采用分布阵列式多点平均测量方式，有效地消除了由于传感器个体本身的缺陷带来的测量误差和减少了由于传感器芯片蠕变而产生的随机误差或重复性误差，此外，在该阵列式测量方式中，采用多路复用模拟开关选择分时输出给后续的信号处理电路模块。图7所示，本发明传感器与多路复用模拟开关示意图。
55.如图3所示，所述信号处理模块包含放大电路和双运放带通滤波器，所述放大电路由 opa277运算放大器及电阻电容组成，所述双运带通滤波器由2个opa277运算放大器组成；具体包含第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器，其中，信号输入-in端连接第一电阻的一端，第一电阻的另一端分别连接第一电容的一端、第三电阻的一端和第一运算放大器的负电源脚，第一电容的另一端分别连接第三电阻的另一端、第一运算放大器的输出脚，信号输入+in端连接第二电阻的一端，第二电阻的另一端分别连接第一运算放大器的正电源脚、第四电阻的一端、第二电容的
一端，第二电容的另一端连接第四电阻的另一端并接地，第一运算放大器的输出脚连接第五电阻的一端，第五电阻的另一端连接第二运算放大器的正电源脚，第二运算放大器的负电源脚连接第三运算放大器的负电源脚，第三运算放大器的正电源脚分别连接第八电阻的一端、第九电阻的一端，第九电阻的另一端接地，第八电阻的另一端分别连接第七电阻的一端和第第二运算放大器的输出脚，第七电阻的另一端连接第四电容的一端，第四电容的另一端分别连接第九电阻的一端，第九电阻的另一端连接第三电容的一端，第三电容的另一端接地。
56.本发明信号处理模块将阵列式传感器采取的的数据进行放大和滤波处理后输入到信号转换电路，大大减小测量中的信号噪声以及信号的损耗，其中放大电路部分由opa277运算放大器及电阻电容组成的放大电路，该电路是典型的差分放大电路，同时，c3和r6，c4 与r7组成低通滤波器。
57.由两个opa277运算放大器组成双运放带通滤波器，本设计的带通滤波器q值和中心频率可调，调节r9可以调节电路的谐振频率，调节r8可以调节电路的q值。值得注意的是，阵列式凝露传感器将各点的凝露信号采集后由多路复用模拟开关选择输出给信号处理电路后再输入到ad7794进行数模转换，将模拟信号转换为数字信号，有利于信号的长距离无线传输。值得注意的是，24位σ-δ型模数转换器ad7794的噪声只有40nv，功耗电流仅400μa，特别适合要求低功耗和高精度测量的应用。
58.如图4所示，所述采集控制终端包含第二lora模块、控制器模块、接口模块、串口模块，所述第二lora模块、接口模块、串口模块分别与控制器模块连接。
59.如图5所示：所述通信解析单元包含处理器模块、以太网控制器、串口收发器、wifi模块、第三lora模块和电源模块；所述以太网控制器、串口收发器、wifi单元和第三lora模块分别与处理器模块连接，所述电源模分别与处理器模块、以太网控制器、串口收发器、wifi模块、第三lora模块连接，用于提供所需电源。
60.如图6所示，所述wifi模块包含天线ant1、电容c1、电容c2、电容c3、电容c4、电容c5、电容c6、电阻r1、电阻r2、电感l1、电感l2、芯片u1、芯片u2、芯片u3、vdd端；
61.其中，天线ant1分别连接电感l1的一端、电容c6的一端，电感l1的另一端接地，电容c6的另一端分别连接电感l2的一端和芯片u1的引脚2，电感l2的另一端接地，芯片u1 的引脚3和芯片u1的引脚4分别连接电容c4的一端、电容c5的一端和vdd端，电容c4的另一端、电容c5的另一端分别接地，芯片u1的引脚1分别连接电容c3的一端、vdd端、芯片u1的引脚30和芯片u1的引脚29，电容c3的另一端接地，芯片u1的引脚31连接电阻r1 的一端，电阻r1的另一端接地，芯片u1的引脚28分别连接电容c1的一端和芯片u2的引脚 1，芯片u2的引脚2接地，电容c1的另一端接地，芯片u2的引脚4接地，芯片u2的引脚3 分别连接电容c2的一端和芯片u1的引脚27，电容c2的另一端接地，芯片u1的引脚18连接芯片u3的引脚7，芯片u1的引脚19连接芯片u3的引脚3，芯片u1的引脚20连接芯片 u3的引脚1，芯片u1的引脚21经过电阻r2连接芯片u3的引脚6，芯片u1的引脚22连接芯片u3的引脚2，芯片u1的引脚23连接芯片u3的引脚5，芯片u1的引脚17分别连接芯片 u1的引脚11和vdd端。
62.本发明选用esp8266作为主控芯片使用，另外作为通信模块应用时通过串口转wifi 将终端设备接入互联网进行数据传输，通信方式采用基础网拓扑结构，esp8266是串口转无线模芯片，内部自带固件，用户操作简单，无需编写时序信号等。
63.esp8266是一个完整且自成体系的wi-fi网络解决方案，能够搭载软件应用，或通过另一个应用处理器卸载所有wi-fi网络功能。
64.esp8266在搭载应用并作为设备中唯一的应用处理器时，能够直接从外接闪存中启动。内置的高速缓冲存储器有利于提高系统性能，并减少内存需求。
65.esp8266强大的片上处理和存储能力，使其可通过gpio口集成传感器及其他应用的特定设备，实现了最低前期的开发和运行中最少地占用系统资源。
66.esp8266高度片内集成，包括天线开关、电源管理转换器，因此仅需极少的外部电路，且包括前端模块在内的整个解决方案在设计时将所占pcb空间降到最低。
67.所述边缘物联代理的型号为fd-ccd-gea。
68.所述多路复用开关的芯片型号为amc4601。
69.所述环境传感器阵列包含pm2.5传感器、一氧化碳传感器、二氧化碳传感器、空气质量检测仪、粉尘浓度检测仪、臭氧检测仪和温湿度传感器。
70.所述通信解析单元与边缘物联代理装置之间通过以太网、rs485接口、无线wifi或无线 lora方式实现通信连。
71.实现边缘物联代理免配置快捷应用，推动数据标准化采集和调用，加强物联管理平台对边缘物联代理及终端的统一接入和管控能力，助力电力物联网海量边缘管理，实现边缘侧设备统一管理、标准化数据接入，提升电力物联设备管理效率；边缘代理位于电力物联网的感知层，利用本地的通讯接口对各类的传感器、终端等设备接入并边缘代理统一进行管理，通过协议解析将业务数据提取、沉余、汇聚及保存，按照一定的物模型要求进行标准化进行建模，利用边缘计算对模型数据进行数据加工，加工后的数据获得真实有效数据，这些真实有效数据在边缘计算模块中利用sm2的算法对这些数据进行加密，将加密后的数据通过4g gprs 将数据发送至服务端的数据网关，服务器端的数据网关进行数据解密，获得真实有效的数据，供服务端使用。改善现有设备接入方式，提高运维人员方便实用性，降低运维工作量及检修难度。建立标准化规约，实现软件功能在硬件平台上动态迁移及可靠运行，与常用的通信协议与标准兼容、实现互联互通，降低其他应用开发和构建成本；实现各类终端进行统一接入，降低运维难度及运维成本，产生显著的经济效益。规范不同厂商的边缘物联代理装置，提升各类型终端数据采集、传输和计算的效率，有效支撑物联网建设，提高电网建设水平和服务水平。
72.本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
73.以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。上面对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
74.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽
75.管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理
解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。