一种提供边缘计算服务的网关设备建立方法技术

一种提供边缘计算服务的网关设备建立方法属于物联网技术以及应用领域。根据Raspberry Pi自身的特性，结合Home Assistant系统自身的特点，在普通Raspberry Pi中构建无线路由器模块、数据分析模块和设备管理模块，得到提供边缘计算服务的网关设备，实现路由器功能、数据分析功能、设备管理功能。所述的Raspberry Pi中无线路由器模块用于实现IOT设备的上网功能，并可以与云服务器中心、其他设备终端通信；数据分析模收集IOT设备产生的数据，在数据抵达云中心之前对其进行分析处理；设备管理模块实现对传感器数据作出对应的设备控制响应。本发明专利技术不仅具有狭义的路由器，同时承担了为边缘计算提供服务的任务，能够满足未来物联网网关设备发展的要求。

A gateway device building method for providing edge computing services

A gateway device providing edge computing services is built in the Internet of things technology and application area. According to the characteristics of Raspberry Pi and the characteristics of Home Assistant system, a wireless router module, a data analysis module and a device management module are constructed in Raspberry Pi. The gateway device which provides edge computing service is obtained, and the router function, the data analysis function and the device management function are realized. The wireless router module in Raspberry Pi is used to realize the Internet access function of the IOT device and can communicate with the cloud server center and other device terminals; the data analysis module collects the data generated by the IOT device and analyzes the data before it reaches the cloud center; and the device management module realizes the sensor data processing. The corresponding device control response. The invention not only has a narrow sense router, but also undertakes the task of providing services for edge computing, and can meet the requirements of the future development of Internet of Things gateway equipment.

【技术实现步骤摘要】
一种提供边缘计算服务的网关设备建立方法
本专利技术涉及一种提供边缘计算服务的网关设备的建立方法，属于物联网技术以及应用领域。
技术介绍
预计到2030年，全球移动终端连接数量将接近180亿，其中中国将达到30亿；而全球的物联网设备连接数量增长更是惊人，预计2030年，全球物联网设备连接数量将超过1千亿，其中中国的物联网设备连接数量会超过200亿。现在海量的IOT设备存储在云服务中心上，用户与云中心实时的交互需要高速的传输速率，这样会在热点区域对网络造成巨大的流量压力；而高实时性的业务需要端到端毫秒级的低延时，这样让现在一般云计算网络架构很难满足上述需求。而边缘计算概念的提出，有效的解决了上述问题。众所周知，物联网网关在未来的物联网时代将会扮演非常重要的角色，它将成为连接感知网络与传统通信网络的纽带。作为网关设备，现阶段的物联网网关只是可以实现感知网络与通信网络，以及不同类型感知网络之间的协议转换，但是不具有数据分析、设备管理等功能。但是随着边缘计算概念的提出，未来网络架构中的物联网网关还要求需要具有数据分析、设备管理等功能，这样开发者可以通过物联网网关设备来管理底层的各感知节点，了解各节点的相关信息，并实现远程控制。而本文提出的方法建立的网关设备就融合路由、数据分析、设备管理功能，凭借自身的运算和处理能力可直接就近处理绝大部分物联网任务，不仅降低了云服务中心工作负担，还提升了网关设备对不同状态做出响应的准确度和效率。综上所述，边缘计算中网关设备起到了至关重要的作用，所以，网关设备的建立是边缘计算框架中重要的一环。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提供一种提供边缘计算服务的网关设备建立方法。根据RaspberryPi(树莓派)自身的特性：1)具有轻便、便携、性价比高；2)支持多种编程语言；3)能同时运行多线程和多任务,4)具有可扩展性和丰富的网络功能；5)还拥有不错的计算能力以及PC所有的基本功能等特性，这是以往普通网关设备所不具备的。结合HomeAssistant系统自身的特点，开发者可以屏蔽平台底层网络通信的细节，专注与程序功能的实现，所以本文将RaspberryPi构建成一个网关设备。通过给RaspberryPi建立无线路由模块、数据分析模块、设备管理模块，从而完成对提供边缘计算服务的网关设备的单个独立的建立。实现数据到达网关设备这一层就能完成聚合、优化、筛选；通过将采集数据进行预分析处理，从而让设备直接做出反应，于此同时将结果和高价值数据再上传云端；此外，还可以对接入RaspberryPi的设备进行统一的管理。通过本文方法设计的网关设备就不仅具有狭义的路由器，同时承担了为边缘计算提供服务的任务，满足了未来物联网网关设备发展的要求。为了达到上述目的，本专利技术的技术方案为：一种提供边缘计算服务的网关设备的建立方法，该建立方法通过在普通RaspberryPi中构建无线路由器模块、数据分析模块和设备管理模块，得到提供边缘计算服务的网关设备，实现路由器功能、数据分析功能、设备管理功能。所述的RaspberryPi中构建无线路由器模块，用于实现IOT设备的上网功能，并可以与云服务器中心、其他设备终端相互通信，具体步骤如下：(1)选取OpenWRT作为路由器的操作系统，负责路由器的硬件资源和软件系统的管理。(2)采用OpenWRT提供的框架，选取支持802.11ac标准的无线网卡，RaspberryPi通过调用hostapd进程开启RaspberryPi的无线网络适配器的AP功能模块，并且共享其有线网络。(3)再调用DHCP网络协议，RaspberryPi可以集中管理和动态分派IP地址，使连接到RaspberryPi的IOT设备可以动态的获得IP地址、Gateway地址、DNS服务器地址等信息。(4)为了保证IOT设备可以与外部网络通信，本文通过用Linux内核集成的iptables来定义nat规则实现ipv4转发。这样，IOT设备可以按照连接普通路由器的方式来连接RaspberryPi，实现上网功能，并可以和云服务器中心、其他设备终端相互通信。所述的RaspberryPi中构建数据分析模块，可以收集IOT设备产生的大量数据，在数据抵达云中心之前对其进行分析或处理，减少了上传数据到云服务器中心的数据量和数据往返的延迟。所述的数据分析模块包括数据收集子模块、训练模型建立子模块、模型训练子模块、数据预测分析子模块。本文将数据分析处理部署到RaspberryPi的数据分析模块上，因为Tensorflow人工智能学习系统可在各个平台上自动运行模型；并且支持异构设备分布式计算；还支持目前最流行的深度神经网络模型等特性。所以选取Tensorflow进行数据的分析处理，具体步骤如下:1)通过IOT设备(比如温湿传感器)收集到的一系列数据，RaspberryPi将这些数据按照一定方式存储；2)然后用特定工具选取所需的数据，读出数据并作为输入；3)然后按照数据的特点进行训练模型的选取与建立；4)将所要分析预测的数据用Tensorflow进行迭代训练，直到收敛并把训练好的模型保存；5)最后调用现有数据输入到模型中进行数据分析和预测。所述的数据收集子模块：主要是负责各项数据的收集，并自动保存到系统数据库；所述的训练模型建立子模块：主要是根据收集到的数据所具有的特性，选取合适的训练模型；所述的模型训练子模块：主要是负责通过选取好的训练模型进行迭代训练，将最后收敛的模型保存；所述的数据预测分析子模块：主要是将想要分析预测的数据带入到训练好的模型中得出最终结果。所述的RaspberryPi中构建设备管理模块，实现了对传感器数据作出对应的设备控制响应；可以调用服务查看设备历史数据；并对IOT设备的统一管理；还可以根据用户喜好自定义UI界面。设备管理模块还包括设备数据管理模块、数据整合模块、设备注册模块、设备控制模块、设备跟踪模块、UI自定义模块、第三方服务模块。将设备管理功能部署到RaspberryPi上设备管理模块上，具体步骤如下：1)RaspberryPi选取HomeAssistant系统作为功能模块的开发基础，HomeAssistant是一个成熟完整的基于Python的系统，支持多功能高度定制化设置；2)调用SMB服务，开启系统的网络共享功能；3)将系统自带的configuration模块设计成一个容器，在这个容器内运行系统自身的服务、第三方的服务、用户自己编写的代码等；4)将传感器数据收集显示、设备控制、设备的跟踪、等功能部署到configuration模块中；5)根据用户喜好，可以对UI自定义模块进行修改；6)RaspberryPi调用configuration模块；7)最后还可以对多个RaspberryPi进行分布式的部署，从而构成一个边缘计算整体框架。所述的数据管理模块：主要是负责对收集到的数据进行界面显示、保存；所述的数据整合模块：主要是负责对收集到的数据进行整合、优化，选取优化后的数据传输到云服务中心；所述的设备注册模块：主要是负责对接入到该网关设备中的终端设备登记注册；所述的设备控制模：主要是根据设备传输到网关设备的数据，自动或者手动进行相关联设备的控制动作；所述的设备跟踪模块：主要是对接入到该网关设备本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种提供边缘计算服务的网关设备的建立方法，其特征在于，所述的建立方法通过在普通Raspberry Pi中构建无线路由器模块、数据分析模块和设备管理模块，得到提供边缘计算服务的网关设备，实现路由器功能、数据分析功能、设备管理功能；所述的Raspberry Pi中构建无线路由器模块，用于实现IOT设备的上网功能，并可以与云服务器中心、其他设备终端相互通信，具体步骤如下：(1)选取OpenWRT作为路由器的操作系统，负责路由器的硬件资源和软件系统的管理；(2)采用OpenWRT提供的框架，选取支持802.11ac标准的无线网卡，Raspberry Pi通过调用hostapd进程开启Raspberry Pi的无线网络适配器的AP功能模块，并且共享其有线网络；(3)再调用DHCP网络协议，Raspberry Pi集中管理和动态分派IP地址，使连接到Raspberry Pi的IOT设备能够动态的获得IP地址、Gateway地址、DNS服务器地址信息；(4)通过采用Linux内核集成的iptables定义nat规则实现ipv4转发，保证IOT设备与外部网络通信；所述的Raspberry Pi中构建数据分析模块，用于收集IOT设备产生的数据，在数据抵达云中心之前对其进行分析或处理；所述的数据分析模块包括数据收集子模块、训练模型建立子模块、模型训练子模块、数据预测分析子模块；所述的数据收集子模块负责各项数据的收集，并自动保存到系统数据库；所述的训练模型建立子模块根据收集到的数据所具有的特性，选取合适的训练模型；所述的模型训练子模块负责通过选取好的训练模型进行迭代训练，将最后收敛的模型保存；所述的数据预测分析子模块将想要分析预测的数据带入到训练好的模型中得出最终结果；将数据分析处理部署到Raspberry Pi的数据分析模块上，选取Tensorflow进行数据的分析处理，具体步骤如下:1)通过IOT设备收集数据，并通过Raspberry Pi存储数据；2)选取所需数据，读出数据并作为输入；3)按照数据特点进行训练模型的选取与建立；4)将所要分析预测的数据采用Tensorflow进行迭代训练，直到收敛，并保存训练好的模型；5)最后调用现有数据输入到模型中进行数据分析和预测；所述的Raspberry Pi中构建设备管理模块，实现对传感器数据作出对应的设备控制响应；可以调用服务查看设备历史数据，并对IOT设备的统一管理；还可以通过用户自定义UI界面；设备管理模块还包括设备数据管理模块、数据整合模块、设备注册模块、设备控制模块、设备跟踪模块、UI自定义模块、第三方服务模块；所述的数据管理模块负责对收集到的数据进行界面显示、保存；所述的数据整合模块负责对收集到的数据进行整合、优化，选取优化后的数据传输到云服务中心；所述的设备注册模块负责对接入到该网关设备中的终端设备登记注册；所述的设备控制模根据设备传输到网关设备的数据，自动或者手动进行相关联设备的控制动作；所述的设备跟踪模块对接入到该网关设备的移动终端进行离线/在线管理，并对其简单的定位；所述的UI自定义模块，用户自行对系统界面进行修改；将设备管理功能部署到Raspberry Pi上设备管理模块上，具体步骤如下：1)Raspberry Pi选取Home Assistant系统作为功能模块的开发基础；2)调用SMB服务，开启系统的网络共享功能；3)将系统自带的configuration模块设计成一个容器，在该容器内运行系统自身的服务、第三方的服务、用户编写的代码；4)将传感器数据收集显示、设备控制、设备的跟踪功能部署到configuration模块中；5)根据用户喜好对UI自定义模块进行修改；6)Raspberry Pi调用configuration模块；7)最后还可以对多个Raspberry Pi进行分布式的部署，从而构成一个边缘计算整体框架。...

【技术特征摘要】
1.一种提供边缘计算服务的网关设备的建立方法，其特征在于，所述的建立方法通过在普通RaspberryPi中构建无线路由器模块、数据分析模块和设备管理模块，得到提供边缘计算服务的网关设备，实现路由器功能、数据分析功能、设备管理功能；所述的RaspberryPi中构建无线路由器模块，用于实现IOT设备的上网功能，并可以与云服务器中心、其他设备终端相互通信，具体步骤如下：(1)选取OpenWRT作为路由器的操作系统，负责路由器的硬件资源和软件系统的管理；(2)采用OpenWRT提供的框架，选取支持802.11ac标准的无线网卡，RaspberryPi通过调用hostapd进程开启RaspberryPi的无线网络适配器的AP功能模块，并且共享其有线网络；(3)再调用DHCP网络协议，RaspberryPi集中管理和动态分派IP地址，使连接到RaspberryPi的IOT设备能够动态的获得IP地址、Gateway地址、DNS服务器地址信息；(4)通过采用Linux内核集成的iptables定义nat规则实现ipv4转发，保证IOT设备与外部网络通信；所述的RaspberryPi中构建数据分析模块，用于收集IOT设备产生的数据，在数据抵达云中心之前对其进行分析或处理；所述的数据分析模块包括数据收集子模块、训练模型建立子模块、模型训练子模块、数据预测分析子模块；所述的数据收集子模块负责各项数据的收集，并自动保存到系统数据库；所述的训练模型建立子模块根据收集到的数据所具有的特性，选取合适的训练模型；所述的模型训练子模块负责通过选取好的训练模型进行迭代训练，将最后收敛的模型保存；所述的数据预测分析子模块将想要分析预测的数据带入到训练好的模型中得出最终结果；将数据分析处理部署到RaspberryPi的数据分析模块上，选取Tensorflow进行数据的分析处理，具体步骤如下:1)通过IOT设备...

【专利技术属性】
技术研发人员：李克秋，赵佶，齐恒，王军晓，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21