(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202011200641.3
(22)申请日 2020.11.02
(71)申请人 之江实验室
地址 310023 浙江省杭州市余杭区文一西
路1818号人工智能小镇10号楼
(72)发明人 汪明军 高丰 梁松涛 杨涛
施佩琦 郁善金 王晓江 郑欢欢
(74)专利代理机构 杭州浙科专利事务所(普通
合伙) 33213
代理人 杨小凡
(51)Int.Cl.
H04L 12/24(2006.01)
H04L 29/06(2006.01)
H04L 29/08(2006.01)
(54)发明名称
基于KubeEdge和EdgeX Foundry的智能边缘 (57)摘要
本发明公开了基于K u b e E d g e 和E d g e X
F o u n d r y 的智能边缘设备控制平台，包括
KubeEdge系统和EdgeX
Foundry平台，KubeEdge 系统包括云端模块和边缘模块，通过KubeEdge系 统将EdgeX Foundry平台部署到边缘节点，并通
过边缘模块控制EdgeX Foundry平台；所述云端
模块，通过边缘模块控制边缘节点和发布边缘应
用；所述边缘模块，用于资源对象的控制，上报边
缘信息到云端模块，执行边缘节点应用部署和数
据同步到云端。权利要求书2页 说明书6页 附图3页CN 112383416 A 2021.02.19
C N 112383416
A
1.基于KubeEdge和EdgeX Foundry的智能边缘设备控制平台，包括KubeEdge系统和EdgeX Foundry平台，KubeEdge系统包括云端模块和边缘模块，其特征在于通过KubeEdge系统将EdgeX Foundry平台部署到边缘节点，并通过边缘模块控制EdgeX Foundry平台；
所述云端模块，通过边缘模块控制边缘节点和发布边缘应用；
所述边缘模块，用于资源对象的控制，上报边缘信息到云端模块，执行边缘节点应用部署和数据同步到云端。
2.如权利要求1所述的基于KubeEdge和EdgeX Foundry的智能边缘设备控制平台，其特征在于所述EdgeX Foundry平台包括导出服务模块、核心服务模块和设备服务模块，核心服务模块分别与导出服务模块和设备服务模块连接，导出服务模块，将需要的数据导出到云端或第三方接收者；核心服务模块，接收并存储边缘设备数据，并对边缘设备发送控制命令；设备服务模块，用于接入不同的边缘设备。 3.如权利要求2所述的基于KubeEdge和EdgeX Foundry的智能边缘设备控制平台，其特征在于所述导出服务模块，提供对边缘设备数据有需求的客户端注册服务；及时通知，将边缘设备数据发送到已经注册的客户端；对边缘设备数据的格式进行处理再发送。
4.如权利要求2所述的基于KubeEdge和EdgeX Foundry的智能边缘设备控制平台，其特征在于所述核心
服务模块，包括核心数据微服务模块、命令控制微服务模块和元数据微服务模块，核心数据微服务模块与设备服务模块连接，用于存储边缘设备收集的信息；命令控制微服务模块，接收云端或第三方发送者发送的请求，并通过设备服务模块，对边缘设备发送控制命令；元数据微服务模块分别与核心数据微服务模块和命令控制微服务模块连接，存储和控制与平台连接的边缘设备元数据，为新边缘设备和设备服务模块之间的匹配提供元数据参考。
5.如权利要求2所述的基于KubeEdge和EdgeX Foundry的智能边缘设备控制平台，其特征在于所述设备服务模块，南向处理边缘设备协议转换和数据格式标准化，北向将边缘设备信息转发到核心服务模块，接收核心服务模块的指令并转给边缘设备。
6.如权利要求1所述的基于KubeEdge和EdgeX Foundry的智能边缘设备控制平台，其特征在于所述云端模块包括主控节点模块和云端核心模块，主控节点模块，接收客户端请求，并通过云端核心模块控制边缘节点，同步边缘节点信息到云端。
7.如权利要求6所述的基于KubeEdge和EdgeX Foundry的智能边缘设备控制平台，其特征在于所述主控节点模块包括API-Server模块、Scheduler模块和Kube-Controller-Manager模块，API-Server模块用于接收客户端请求，Scheduler模块用于调度云端应用部署，kube-controller-manager模块用于控制系统的微控制器。
8.如权利要求6所述的基于KubeEdge和EdgeX Foundry的智能边缘设备控制平台，其特征在于所述云端核心模块，包括EdgeController模块、DeviceController模块和CloudHub 模块，EdgeController模块用于边缘节点和主控节点模块同步信息，控制边缘节点和边缘模块的元数据；DeviceController模块用于将边缘设备与主控节点模块同步，控制边缘设备；CloudHub模块，基于协议连接与边缘节点通信，监听云端变化。
9.如权利要求1所述的基于KubeEdge和EdgeX Foundry的智能边缘设备控制平台，其特征在于所述边缘模块包括边缘核心模块，边缘核心模块包括EdgeHub模块、MetaManager模块、DeviceTwin模块、Edged模块和EventBus模块，EdgeHub模块与云端模块交互，从云端接
收信息转发到边缘模块的其他模块，同时将其他模块的消息发送到云端模块；MetaManager 模块，是消息处理器，位于Edged模块和Edgehub模块之间，用于向本地数据库存储或检索元数据，其他模块与云端模块通信的内容都会被保存到本地数据库中；DeviceTwin模块分别与EdgeHub模块和EventBus模块连接，用于存储和处理边缘设备信息，将边缘设备信息同步到云端模块，并为应用程序提供查询接口；Edged模块，是运行在边缘节点的代理，用于控制容器化的应用程序；EventBus模块，用于发送/接收主题的消息接口，提供消息订阅和发布。
10.如权利要求1所述的基于KubeEdge和EdgeX Foundry的智能边缘设备控制平台，其特征在于平台的部署，包括如下步骤：
S1，在云端部署KubeEdge系统的云端模块，在边缘节点部署KubeEdge系统的边缘模块，云端模块用于控制边缘节点和发布边缘应用；边缘模块，用于资源对象的控制，上报边缘信息到云端，执行边缘节点应用部署和数据同步到云端；
S2，通过KubeEdge系统中主控节点模块的API-Server发送部署请求，通过容器化方式将EdgeX Foundry平台部署到边缘节点；
S3，根据边缘设备支持的协议类型对接边缘节点，采用的EdgeX Foundry平台，包括如下服务：
导出服务，根据特定需求将处理后的设备数据进行导出；
核心服务，包括核心数据服务、元数据服务和设备命令服务，核心数据服务接收边缘设备的事件信息，并将数据转发到基于消息队列的库中，供其他微服务订阅使用；元数据服务控制注册进来的边缘设备数据；设备命令服务接收外部请求对边缘设备发送控制指令；
设备服务，对接边缘设备的特定协议驱动，进行协议转换，并将协议转换的数据发送到核心数据服务中。
基于KubeEdge和EdgeX Foundry的智能边缘设备控制平台
技术领域
[0001]本发明涉及边缘计算领域，尤其是涉及了基于KubeEdge和EdgeX Foundry的智能边缘设备控制平台。
背景技术
[0002]随着物联网和5G技术不断地推进和发展，云计算应用的逐渐增加以及智能设备数据的急剧增加，企业对设备的管理不断升级。对设备的接入和数据采集需求必然空前高涨。传统的设备实时监控、数据采集使用技术不能满足低延时和高带宽的要求。另一方面设备终端、底层系统、设备接入协议转换等功能模块都以单体模式开发，实现数据收集、处理、导出、设备控制等功能。这种系统设计和实现方式存在运维困难、功能模块不可重用。在后期的开发当中，系统适应性非常差，系统数据共享不方便。传统系统部署方式以进程方式部署，应用发布和升级流程比较繁琐。
[0003]中国专利文献CN201811353747.X，申请日2018.11.14，专利名称为：基于边缘计算的智能设备以及接入和与设备解析方法，公开了一种边缘设备的接入方法，所述方法包括设备管理、设备接入、协议配置、数据存储和外部数据接口。解决了原有的数据信息孤岛，系统可维护性差、可扩展性低的问题。
[0004]上述专利文献的基于边缘计算的智能设备以及接入和与设备解析方法，其通过模块化解决了边缘设备的接入和设备分析方法。但缺乏解决边缘设管理系统的自动化部署和维护以及实现云端应用和边缘
端设备协同，实现AI推理下沉边缘与边缘设备协同功能的相关技术。
[0005]综上所述，亟需一种解决边缘设备控制平台的自动化部署以及实现云边协同和边边协同问题的方法。实现智能边缘设备控制平台的更智能化，提高平台的扩展性；节约用户系统升级和回退的维护成本；将应用或AI推理模型在边缘部署，减少应用对设备数据管理和分析延时，提升用户体验。
发明内容
[0006]为解决现有技术的不足，实现边缘与云端的协同，并通过云边协同实现AI推理模型下沉到边缘节点的目的，本发明采用如下的技术方案：
基于KubeEdge和EdgeX Foundry的智能边缘设备控制平台，包括KubeEdge系统和EdgeX Foundry平台，KubeEdge系统包括云端模块和边缘模块，通过KubeEdge系统将EdgeX Foundry平台部署到边缘节点，并通过边缘模块控制EdgeX Foundry平台；将数据交互协议从物联网通信协议转换为互联网协议，然后将转换后数据发送到其他微服务中进行数据的存储、分析以及触发对设备进行控制的请求命令，避免物联网设备的数据大量的在网络上传输，节省网络资源，提高响应速度；
所述云端模块，通过边缘模块控制边缘节点和发布边缘应用，实现智能边缘设备控制平台自动化部署及实现平台弹性扩缩容，完成AI推理模型等应用下沉到边缘端；
所述边缘模块，用于资源对象的控制，上报边缘信息到云端模块，执行边缘节点应用部署和数据同步到云端。
[0007]所述EdgeX Foundry平台包括导出服务模块、核心服务模块和设备服务模块，核心服务模块分别与导出服务模块和设备服务模块连接，导出服务模块，将需要的数据导出到云端或第三方接收者；核心服务模块，接收并存储边缘设备数据，并对边缘设备发送控制命令；设备服务模块，用于接入不同的边缘设备。
[0008]所述导出服务模块，提供对边缘设备数据有需求的客户端注册服务；及时通知，将边缘设备数据发送到已经注册的客户端；对边缘设备数据的格式进行处理再发送。[0009]所述核心服务模块，包括核心数据微服务模块、命令控制微服务模块和元数据微服务模块，核心数据微服务模块与设备服务模块连接，用于存储边缘设备收集的信息；命令控制微服务模块，接收云端或第三方发送者发送的请求，并通过设备服务模块，对边缘设备发送控制命令；元数据微服务模块分别与核心数据微服务模块和命令控制微服务模块连接，存储和控制与平台连接的边缘设备元数据，为新边缘设备和设备服务模块之间的匹配提供元数据参考。
[0010]所述核心服务模块还包括注册和配置微服务模块，为平台其他微服务提供对应的配置信息，支持动态配置修改。
[0011]所述设备服务模块，南向处理边缘设备协议转换和数据格式标准化，北向将边缘设备信息转发到核心服务模块，接收核心服务模块的指令并转给边缘设备。
[0012]所述EdgeX Foundry平台还包括支持服务模块，提供微服务来实现边缘数据处理分析和智能决策，包括规则引擎微服务，用于提供边缘事件触发机制，监控边缘设备数据；调度微服务模块，用户定时清理设备数据；告警微服务模块，负责设备故障生成告警并发送告警；日志微服务模块，用于接收写日志请求。
[0013]所述EdgeX Foundry平台还包括系统服务模块，包括安全基础设施，用于保护平台内外部设备的数据及控制命令；系统控制，集中地对平台服务进行控制。
[0014]所述云端模块包括主控节点模块和云端核心模块，主控节点模块，接收客户端请求，并通过云端核心模块控制边缘节点，同步边缘节点信息到云端，实现云边协同功能。[0015]所述主控节点模块包括API-Server模块、Scheduler模块和Kube-Controller-Manager模块，API-Server模块用于接收客户端请求，Scheduler模块用于调度云端应用部署，kube-controller-manager模块用于控制系统的微控制器。
[0016]所述云端核心模块，包括EdgeController模块、DeviceController模块和CloudHub模块，EdgeController模块用于边缘节点和主控节点模块同步信息，控制边缘节点和边缘模块的元数据，确保数据能够传递到指定的边缘节点；DeviceController模块用于将边缘设备与主控节点模块同步，控制边缘
设备，确保设备信息、设备状态和云边同步；CloudHub模块，基于协议连接与边缘节点通信，监听云端变化，实现云边通信。
[0017]所述边缘模块包括边缘核心模块，边缘核心模块包括EdgeHub模块、MetaManager 模块、DeviceTwin模块、Edged模块和EventBus模块，EdgeHub模块与云端模块交互，从云端接收信息转发到边缘模块的其他模块，同时将其他模块的消息发送到云端模块；MetaManager模块，是消息处理器，位于Edged模块和Edgehub模块之间，用于向本地数据库存储或检索元数据，其他模块与云端模块通信的内容都会被保存到本地数据库中，当需要
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