一种基于边缘计算的水电集抄网关的制作方法

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：

1、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。

技术实现思路

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。

2、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。

3、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。

4、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。

5、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：

6、

7、其中di表示网络地址目标精确定位，fi表示目标检索，βi表示目标与未知数的关系，ti表示目标捕捉时间，vp表示网络过滤，所述目标捕捉时间概率密度函数pi(t)表示为：

8、

9、其中μi表示目标捕捉时间ti的期望，t表示目标捕捉时间ti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aave、最大数amax、最小数amin，基于所述平均数aave、最大数amax、最小数amin，得到正确资源参考数η，公式如下：

10、

11、其中χc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dh，公式如下：

12、dh＝η×γ×d(χc·aave-χc·εk)

13、εk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。

14、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δi和匹配数据长度li，所有的偏移量δi与匹配数据长度li构成备选参数集合(δa,la)，表示为：

15、(δa,la)＝{(δ1,l1),(δ2,l2),…,(δn,ln)}

16、δ1、δ2、δn分别表示在位置1处、2处、n处的偏移量，l1、l2、ln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(δa,la)，进行参数择优，作为压缩编码参数，公式如下：

17、argmin(l(δ1)+l(l1),l(δ2)+l(l2),…,l(δn)+l(ln))

18、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：

19、

20、基于决策函数，进行数据全局优化，计算压缩短流码长度lmin，公式如下：

21、

22、其中分别表示由(δ1,l1)、(δn,ln)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。

23、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。

24、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。

25、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。

26、有益效果：

27、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。