一种嵌入式工业物联网控制器

本发明涉及工业物联网控制器，具体为一种嵌入式工业物联网控制器。

背景技术：

1、物联网是指通过网络将各种物理设备、传感器、系统和人连接起来，实现数据共享和智能交互的全球网络。随着传感器技术、无线通信技术和云计算技术的发展，物联网应用越来越广泛，涵盖了工业、农业、医疗、交通、家居等多个领域，嵌入式系统是一种专为特定应用设计的计算机系统，通常包含微处理器、内存、存储器和其他外围设备，随着微电子技术的进步和成本的降低，嵌入式系统在各种设备和系统中得到了广泛应用，包括工业自动化、汽车电子、消费电子产品等，随着物联网、大数据、人工智能等先进技术实现智能化生产和供应链管理，嵌入式工业物联网控制器作为连接物理世界和数字世界的桥梁，并且物联网设备数量的快速增长和数据量的爆炸性增加，将所有数据传输到云端进行处理变得越来越困难和昂贵，因此，边缘计算应运而生，它将部分数据处理和分析任务迁移到网络边缘的设备上，如嵌入式工业物联网控制器，以减少延迟、节省带宽并提高数据安全性，所以，在此提出了一种嵌入式工业物联网控制器。

2、目前，传统的嵌入式工业物联网控制器通常是将数据传输到云端进行处理和分析，这种方式往往会存在延迟和带宽限制以及数据丢失和泄露的安全风险，导致在实时性要求较高的应用场景中，会对实时决策和响应产生不利影响，所以，在此提出了一种嵌入式工业物联网控制器，通过在控制器上增强边缘计算能力，可以在本地进行实时数据处理和分析，减少对云端资源的依赖，提高响应速度和数据安全性，同时引入aes数据加密算法对数据进行保护，提高了数据计算效率的同时还提高了嵌入式工业物联网控制器的安全性。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在延迟和带宽限制以及数据丢失和泄露的安全风险的不足，本发明提供了一种嵌入式工业物联网控制器，具备提高数据计算效率的和安全性的优点。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种嵌入式工业物联网控制器，工业物联网控制器模块包括：用于负责与物联网传感器和系统进行通信，收集实时的工业数据的数据采集接口模块；

3、用于对采集到的数据进行初步处理提高数据的质量的数据预处理模块；

4、用于使用边缘端处理数据减少网络延迟节省带宽的边缘计算模块；

5、用于与控制器中设备、网关和云平台之间进行数据交换网络通信模块；

6、用于管理和协调不同任务的执行顺序和优先级，确保系统的实时性和效率的任务调度模块；

7、用于监控嵌入式设备的状态和性能识别潜在问题并进行故障诊断的设备监控模块；

8、用于提供用户与嵌入式设备之间的交互方式的交互界面模块；

9、所述边缘计算模块中设置有数据存储与缓存模块，所述数据存储与缓存模块中设置有安全与加密模块，所述任务调度模块中设置有时间响应计算模块，所述设备监控模块中设置有接口控制模块。

10、所述数据采集接口模块基于adc模拟数字转换器将模拟信号转换为数字信号，使用uart与工业物联网控制器的传感器和系统进行串行通信，收集实时的工业数据，数据包括温度数据、湿度数据、压力数据、振动数据、电流数据、电压数据物理量，传输至数据预处理模块。

11、所述数据预处理模块对数据采集接口模块采集到的数据进行初步处理，进行数据清洗去除噪声、异常值和无效数据和格式转换，将数据转换为统一的格式和单位，使用数据清洗算法iqr和数据转换函数对数据进行处理，iqr异常检测算法：

12、iqr＝q3-q1

13、其中q和q分别表示数据的第一四分位数和第三四分位数，通常将数据点超过上下四分位距.倍的值视为异常值，数据转换函数基于min-max标准化将原始数据映射到新的范围内，基于公式：

14、x'＝(x-min)/(max-min)

15、其中，x表示原始数据，x'表示转换后的数据，min和max分别为原始数据的最小值和最大值,经过该转换函数处理后，数据范围会被缩放-之间,得到预处理后的数据传输至边缘计算模块。

16、所述边缘计算模块基于实时操作系统rtos提供了实时环境，边缘计算任务能够在规定的时间内得到处理，首先处理和分析从数据预处理模块收集的数据，使用线性回归提取有用信息并做出决策，基于线性回归建立因变量与一个或多个自变量之间的线性关系，设定有一个简单的线性回归模型：

17、y＝w1x1+w2x2+b

18、其中y是预测的目标变量，设定为设备的温度，x和x是输入的特征变量，设定为设备的使用时间和工作负载，w和w是特征变量对应的权重表示各特征对目标变量的影响程度，b是截距表示当所有特征为时的目标变量值，然后基于损失函数最小的权重和截距值：

19、loss(w1,w2,b)＝∑(yi-(w1xi1+w2xi2+b))2

20、其中，i表示样本索引，∑表示对所有样本求和，再通过梯度下降法更新权重和截距的值，基于最小化损失函数：

21、

22、其中，α是学习率，分别是损失函数关于权重和截距的偏导数，模型训练完成后预测新的观测值的目标变量值，给定新的使用时间和工作负载值，计算出设备的预测温度，实现基于边缘计算的实时监控和预警功能，边缘计算产生的数据存储至数据存储与缓存模块中。

23、所述网络通信模块使用tcp/ip协议栈、mqtt物联网通信协议与其他设备、网关和云平台之间的数据交换，网络通信模块基于安全与加密模块保护通信安全性，使用aes加密算法进行数据保护，所述网络通信模块同时对数据存储与缓存模块进行数据加密，将输入的密钥进行扩展，生成一系列轮密钥round keys，用于后续的轮函数，初始轮将明文分块与第一个轮密钥进行异或操作，轮函数包括字节替代、行移位、列混淆和轮密钥加，字节替代将每个字节替换为s盒中对应的值，行移位对每一行进行循环左移操作，列混淆通过特定的矩阵乘法混淆列的值，轮密钥加将结果与当前轮的轮密钥进行异或操作，在最后一轮中，轮函数不包括列混淆步骤，最后进行密文输出，输出经过多轮迭代后得到的密文。

24、所述任务调度模块使用rtos中的任务调度算法优先级调度管理和协调不同任务的执行顺序和优先级，根据任务的性质和资源需求进行动态调度，所述任务调度模块中的时间响应计算模块基于时间戳计算和优化系统的实时响应能力，包括测量和预测任务的执行时间、确定任务的优先级和调度策略，所述任务调度模块基于时间响应计算模块系统启动，所有任务根据其优先级值被分配到就绪队列中，调度器按照任务的优先级值进行排序，选择优先级最高的任务放入执行队列，有多个任务拥有相同的最高优先级，采用抢占式和非抢占式调度方式，任务完成工作或阻塞后，调度器将其移出执行队列并选择下一个优先级最高的任务执行，为避免饥饿现象，采用动态优先级分配技术进行调度。

25、所述设备监控模块基于数据采集接口模块中的设备传感器和日志记录系统监控嵌入式设备的状态和性能，包括cpu使用率、内存占用、网络流量、电源管理，日志记录系统可以定期收集和记录系统的cpu使用率信息，记录每个时间段内cpu的利用率，记录系统内存的使用量、可用内存以及内存泄漏信息，分析内存占用情况，发现内存溢出、内存泄漏问题，并采取相应的优化措施，监控和记录网络流量的情况，记录每个时间段内的网络数据传输量、带宽利用率、网络连接状态信息，分析网络性能和瓶颈，所述接口控制模块硬件接口控制和驱动程序控制设备的硬件接口gpio通用输入输出、pwm脉冲宽度调制、adc实现对外部设备的控制和监测。

26、所述交互界面模块基于gui图形用户界面设计和驱动程序配合显示屏提供用户与嵌入式设备之间的交互方式，显示实时数据、设置参数、查看报警和历史记录。

27、有益效果：

28、1、该嵌入式工业物联网控制器，通过边缘计算，能够在设备本地处理数据，减少了数据传输到云端的时间，从而降低了延迟，同时由于大部分数据在本地处理和分析，只有必要的信息需要上传到云端，减少了网络带宽的需求，节省了通信成本。

29、2、该嵌入式工业物联网控制器，通过在边缘设备上处理大量数据，可以减少对云资源的依赖，降低云计算服务的使用成本，同时通过使用aes加密算法进行数据保护，提高了数据的访问以及传输的安全性。