一种支持边缘计算部署的智能化物联网网关系统及方法

本发明涉及物联网应用，特别是一种支持边缘计算部署的智能化物联网网关系统及方法。

背景技术：

1、物联网技术旨在实现万物互联，而物联网网关是实现这一愿景的关键设备。不同的物联网应用场景需要不同的物联网网关来实现多种物联网应用开发，当前已经针对不同应用场景设计了不同的物联网网关，如面向智慧农业场景的网关、工业应用环境的网关以及基于sdn技术的智能物联网网关等。

2、这些物联网网关主要实现数据采集、数据传输、协议转换、管理控制等功能，并采用层次化的方式设计多个应用模块。然而，这些物联网网关存在以下问题：无法实现物联网网关之间的组网，无法实现不同的网关部署模式，无法支持物联网功能的边缘计算模式。

技术实现思路

1、鉴于现有的物联网网关主要集中于提供各种异构装置的接入，功能往往比较单一，无法灵活将应用动态部署边缘于边缘网关等所存在的问题，提出了本发明。

2、因此，本发明所要解决的问题在于如何设计一种功能更为丰富、具备灵活性、可自适应动态部署边缘计算功能的物联网网关以满足不同应用场景的需求，推动物联网技术的发展和应用。

3、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

4、第一方面，本发明实施例提供了一种支持边缘计算部署的智能化物联网网关系统，其包括互联模块，用于在需求输入模块、状态采集模块和部署处理模块之间进行信息传递；需求输入模块，用于获取用户或物联网应用程序对边缘计算功能的部署需求，并将部署需求通过所述互联模块传输至所述部署处理模块；状态采集模块，用于监测和采集网关的状态信息，并将所述状态信息通过所述互联模块传输至所述部署处理模块；部署处理模块，用于接收所述部署需求和所述状态信息，执行智能边缘部署位置决策算法，并根据所述智能边缘部署位置决策算法的决策结果在选定的网关上部署边缘计算功能；南向接口代理层，用于标识和处理不同网络设备之间的通信，并将处理后的数据和信息传输至网关层；网关层，用于接收并处理所述南向接口代理层发送的数据，并根据所述决策结果执行数据处理、服务管理和/或路由管理操作。

5、作为本发明所述支持边缘计算部署的智能化物联网网关系统的一种优选方案，其中：边缘部署位置决策算法的执行包括以下内容：获得相关输入包括所部署的功能代码f、所需的感知资源集合r＝{r1,r2,r3,...}、可用网关列表gw＝{gw1,gw2,gw3,...}、时间约束条件(包括传输时延t和处理时延p)、地理位置约束条件d以及优先级参数α、β、γ；通过计算评估值scorei，评估网关在特定约束条件下与所部署功能需求之间的满足程度；根据网关的评分情况从高到低进行排序，以找到最能符合用户要求的网关进行部署；根据排序结果选择网关gwi，并判断网关所提供的物联网资源能否完全满足服务功能所需要的资源；若满足，则选择此网关作为部署网关并将其返回后，同时结束运行；若无法完全满足或无法满足，则从其余的网关中确定s1+s2+...+sn＝r是否成立；若成立，则寻找满足条件s1+s2+...+sn＝r的若干网关gwi的共同祖先节点gwdep作为部署节点并返回，若不成立，则返回空。

6、作为本发明所述支持边缘计算部署的智能化物联网网关系统的一种优选方案，其中：评估值scorei的具体公式如下：

7、

8、其中，α、β、γ均表示优先级参数，cpui表示第i个网关的cpu能力，bi表示第i个网关的网络带宽能力，distance()表示距离函数，requestresource表示所部署的功能所需要使用的感知资源，gwi表示第i个网关，n表示网关总数。

9、作为本发明所述支持边缘计算部署的智能化物联网网关系统的一种优选方案，其中：南向接口代理层包括以下内容：南向接口代理层为网关的接入提供多种部署方式，所述部署方式包括内部部署、专有硬件装置部署和pc电脑部署；根据系统实际情况进行above分析，选择最适合的部署方式；当系统评估确定当前架构复杂或处理效率低下时，选择内部部署方式，以保证系统功能强大且性能优异的同时简化配置与管理；当系统面临安全威胁增加、攻击行为复杂化或软硬件漏洞增多时，选择专有硬件装置部署方式，以避免部署处理模块受到网络攻击与数据泄露的风险；当系统需要支持多变业务、兼容多种设备或利用现有计算资源处理大数据时，选择pc电脑部署方式，以实现数据采集与网关的通信；在部署实施后持续监测和评估部署效果。

10、作为本发明所述支持边缘计算部署的智能化物联网网关系统的一种优选方案，其中：应用层，用于实现各种物联网应用服务，并通过接口与网关层进行交互；感知层，包括多个感知装置，用于对外部环境信息进行采集，并将采集到的信息传递至南向接口代理层；南向接口代理层包括标识管理模块、终端管理模块、状态管理模块以及配置管理模块，所述标识管理模块用于提供身份验证，所述终端管理模块通过标识管理模块验证终端的合法性，所述状态管理模块用于监控和管理各个模块的运行状态，所述配置管理模块用于根据需要对各个模块的行为进行配置和管理；网关层包括数据及协议转换模块、设备管理模块、数据处理模块、服务管理模块、智能决策管理模块、路由管理模块、安全认证管理模块以及可嵌入的网关服务器模块。

11、作为本发明所述支持边缘计算部署的智能化物联网网关系统的一种优选方案，其中：南向接口代理层的工作流程如下：标识生成模块在感知设备接入时生成唯一标识，并将生成的标识存储至标识存储模块中；终端管理模块对接入的感知设备进行身份验证，确定感知设备是否合法；若身份验证通过，则将感知设备与南向接口代理层建立连接，并通过接口向上报设备状态信息；感知设备通过心跳机制定时向南向接口代理层发送心跳报文，状态管理模块接收并获取设备的最新状态信息；感知设备启动时，从网关、服务器或本地读取配置信息，并根据配置信息进行相应的配置；南向接口代理层将接收到的数据按照约定的数据格式传输至应用层的应用服务；应用服务根据接收的数据进行处理和分析，并向感知设备发送指令以实现对感知设备的控制和管理。

12、作为本发明所述支持边缘计算部署的智能化物联网网关系统的一种优选方案，其中：部署处理模块的具体流程如下：服务器主动采集所连接网关的动态状态参数，并将动态状态参数汇聚至服务器集群共享的状态库中；根据所有网关的静态属性和动态状态参数，利用关系图数据库技术构建网络全局状态实时图；当用户或应用程序输入功能部署需求时，描述所需部署的功能属性、资源需求和时间约束；根据用户的部署需求和全局状态信息，执行智能边缘部署位置决策算法以确定最佳部署方案；服务器下发部署指令，选择的网关下载并执行功能代码，并在完成部署后反馈状态。

13、第二方面，本发明实施例提供了一种支持边缘计算部署的智能化物联网网关方法，其包括开机启动南向接口代理层的南向接口代理程序sip；sip通过配置管理模块的配置文件对网关进行自动扫描，并连接网关以读取感知装置的配置信息；sip根据配置信息对接入的感知装置进行初始化；sip通过状态管理模块向网关层发送心跳报文，网关层转发至服务器程序，服务器程序利用网关层的智能决策控制模块生成数据转发路由表；感知装置将感知数据发送至南向接口代理程序sip，sip将数据转发至网关层；网关层对数据进行处理，并根据路由表信息将数据转发至应用层的物联网应用程序；应用层的物联网应用程序发送控制命令至网关层，网关层根据本身路由信息进行转发，直到目标感知装置的接入网关；网关的sip根据deviceid和物理接口将控制命令转发至相应的感知装置进行执行。

14、第三方面，本发明实施例提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其中：所述计算机程序指令被处理器执行时实现如本发明第一方面所述的支持边缘计算部署的智能化物联网网关系统的步骤。

15、第四方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其中：所述计算机程序指令被处理器执行时实现如本发明第一方面所述的支持边缘计算部署的智能化物联网网关系统的步骤。

16、本发明有益效果为：本发明的网关具有广泛的适应性，可应用于智能工厂、智慧家居、智慧农业等多种应用场景，实现从感知装置到应用的端到端能力，保障数据独立性与安全性；可根据需求灵活部署功能于不同级别的网关，提供边缘计算能力，支持异构装置的统一接入，提供多种部署模式，灵活性高；动态建立数据与应用之间的路由，实现数据传输与处理的灵活集成，并实现物联网应用之间以及物联网应用与网关之间的松耦合。