[发明专利]一种基于边缘计算的物联网智慧网关及其工作方法

说明书

本发明公开了一种基于边缘计算的物联网智慧网关及其工作方法，并将其应用于分布式物联网远程系统中，包括：物联网智慧网关接收、转化并压缩/解压物联网系统中与该网关通信的实时数据；所述边缘网关对注册连接的边缘终端设备进行状态监测与设备管控。本发明基于字典压缩思想，采用朴素贝叶斯分类器与Huffman原理实现边缘终端数据自适应无损压缩；基于模糊控制，采用知识蒸馏与迁移学习的方式实现边缘终端设备高效管控。

技术领域

本发明属于物联网技术领域，尤其涉及物联网边缘控制领域，具体涉及一种基于边缘计算的物联网智慧网关及其工作方法。

背景技术

随着社会的发展，越来越多的智能电器走进人们生活，由此带来的大量的物联网设备接入，使得物联网数据传输与通信压力大大增加，对物联网设备数据的实时性提出了挑战。

在传统的云计算架构中，往往是边缘侧物联网设备提供数据，云端根据数据进行处理并下发控制指令，达到边缘侧物联网设备智能化管控。但是，此种方式需要较好的网络通讯，一旦网络产生波动，控制效果将会大打折扣。且大量传感器数据上云，往往会造成带宽的浪费与数据阻塞现象，既不经济又影响控制效果。

发明内容

发明目的：为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种基于边缘计算的物联网智慧网关，对边缘侧物联设备的实时数据进行预处理，实现数据格式统一，并使用字典压缩进行数据压缩，较少数据传输，降低带宽占用。同时，边缘网关对于连接的边缘物联网设备进行管控，设置设备连接白名单，保障安全性。利用模糊控制表与迁移学习的方式，进行边云协同，将云端训练的控制方法运行在物联网智慧网关中，实现就近服务，减少控制响应时延。

技术方案：一种基于边缘计算的物联网智慧网关，包括边缘计算线程、MQTT客户端与MySQL数据库这三部分；其中：

所述的边缘计算线程包括边缘控制线程、协议解析线程与数据压缩线程三个并行程序；

所述的MQTT客户端包括数据转发与指令下达两部分，数据转发将压缩后的实时数据转发至物联网云服务器，实现数据上报；指令下达包含接收云端控制指令、压缩字典以及模糊控制表；

所述的MySQL数据库实现数据存储功能，存储模糊控制表，实时数据与设备连接白名单，配合边缘控制线程，实现边缘侧设备高效管控。

作为优化：物联网智慧网关基于树莓派CM4开发，由两个支持Modbus协议的COM口，一个BCM43438WiFi模块、一个千兆以太网口一以及张16GB的SD卡组成，保障算力需求、硬件通讯与数据存储。

作为优化：物联网智慧网关基于ubuntu20.04开发，内部安装python运行环境与MySQL数据库，通过调用python库函数实现多线程边缘计算与MQTT通讯，完成智慧网关功能。

作为优化：所述的协议解析线程通过WiFi接入支持TCP/IP协议的边缘设备如：单片机与PLC等边缘控制器；采用Modbus现场总线技术采集边缘设备中传感器的参数；将采集的数据按约定的报文格式进行解析，并转化为JSON格式，保存至MySQL数据库，完成实时数据转化。

作为优化：所述的数据压缩线程，通过压缩字典实现数据压缩与解压；其中，压缩字典保存在MySQL数据库中，进行自适应更新，并与物联网云服务器进行实时同步；解压与压缩后的数据作为历史数据存储在MySQL数据库中。

作为优化：所述的数据压缩线程中，压缩字典通过经朴素贝叶斯分类器分类后的边缘设备数据，按Huffman编码原理生成，当边缘数据压缩率压缩率未达到设定值时，智慧网关进行实时字典更新。

作为优化：所述的数据压缩线程中，压缩字典通过边云协同的方式，实现压缩字典快速更新，物联网云端服务器根据智慧网关上传云端的实时数据，进行边缘设备判别，通过大数据查找类似设备压缩字典，同步至智慧网关作为初始压缩字典，加快压缩字典生成效率。