边缘设备接入技术的研究

胡涛 王前慧 邓小红 刘明鸣 郑敏

摘  要： 对边缘设备接入技术的相关内容进行了研究。分析了云计算和边缘计算的区别，以及云计算接入和边缘计算接入面临的问题。提出了一种基于规则式协议转换引擎的统一虚拟设备接入管理框架，阐述了这种设备接入框架的设计思路、组成部分和实现方案的关键步骤。经实验验证，该框架能广泛兼容和支持各种协议的智能设备的接入。

关键词： 边缘计算; 边缘设备; 接入管理; 协议转换

中图分类号：TP399          文献标识码：A     文章编号：1006-8228（2021）03-07-03

Research on edge device access technology

Hu Tao， Wang Qianhui， Deng Xiahong， Liu Mingming， Zheng Min

（Sichuan Changhong Electric Appliance Co. LTD， Mianyang， Sichuan 621000， China）

Abstract： In this paper， the edge device access technology is studied. The difference between cloud computing and edge computing is analyzed， as well as the problems faced by cloud computing access and edge computing access. A unified virtual device access management framework with rule-based protocol conversion engine is proposed， and the design idea， components and key steps of the implementation of this framework are described. The experiment verification shows that the framework is widely compatible with and supports the access of the intelligent devices with various protocols.

Key words： edge computing; edge device; access management; protocol conversion

0 引言

隨着全球数字化浪潮的到来，5G、AI、大数据等新技术不断涌现，边缘计算[1]成为新时代改变通信信息服务模式的关键创新技术之一。现有“云管端”物联网模型[2]下构建的系统，设备间的互联互通[3]主要通过云网关进行汇聚后，在云设备管理中心实现。在面临海量设备类型和连接数量增长时，存在数据中心、系统扩充实施成本不断增长、用户数据隐私泄露[4]等诸多问题。利用边缘计算的模式，系统可以直接将数据处理逻辑推送至系统内部设施，能有效减少数据的外流，减少从外部接收指令的频率，提升系统的隐私性和安全性，并能够显著提升系统响应效率。边缘计算关键技术在于边缘设备的接入，边缘设备的接入涉及设备的种类繁多，技术复杂，因此，边缘设备接入技术具有巨大的发展和提升的空间。

1 边缘设备接入面临的问题

由于设备的种类和数量不断增加，这些设备相互之间异构，开发成本高;设备接入领域缺乏统一的技术标准和协作平台，各大产品商的产品不能相互适配;设备存在计算、存储和通信等资源受限问题，需要考虑降低功率消耗;同时，接入设备的安全和隐私也是物联网安全的前提和保障。因此成本问题、标准化问题、功耗问题和安全问题[5]是边缘计算接入和云计算接入所面临的共同问题。

同时，传统的“云管端”物联网模型由于大规模的设备接入，如超过百万级的并发设备接入，需要面临高并发量的巨大挑战。相较于云计算的集中式管理，边缘计算的设备接入数量较少，系统相对稳定，但是设备种类繁多[6]，这就要求边缘设备接入需要满足多样性的需求。

在多样性接入格局下，接入设备种类和协议规范的格式多种多样。①传统的物联网关接入方式，采取直接针对协议进行定向对接的模式，针对一个协议，写一个协议转换器，其要求网关在发布时必须已经完成对设备的协议支持，增加新的设备协议，需要对网关进行重新开发，编程实现协议的转换，因此支持新设备协议的网关开发比较复杂。②同时，随着智能设备的增加，越来越多的智能设备作为边缘网关，当需要接入新的设备协议时，需要对每个网关进行编程，即对已经发布的网关通过程序进行升级，使其具备对新的设备协议接入的支持能力。③一些边缘系统厂商尝试采用JavaScript或Lua等开发语言作为载体，通过远程推送的方式，使得网关发布后能具备对新的设备协议接入的支持能力，其新协议开发、测试周期较长以及协议转换引擎较为复杂。

2 边缘设备接入框架

介于上述所提出的问题，我们提出了一种统一虚拟设备接入管理框架，通过对各种格式协议的处理过程进行了抽象、形成了一种基于规则式的通用协议转换引擎、网络通道管理器和虚拟设备管理器。

如图1所示，该框架由协议转换引擎、网络通道管理以及虚拟设备管理三个部分组成。

2.1 协议转换引擎

协议转换模块负责将各设备间通信的字节流数据与系统传输数据进行相互转化。由于JSON语言灵活简单、可读性强、且传输过程占用带宽较小等特点，本文采用JSON作为系统内部数据传输结构。转化过程中存在的映射关系使用自定义的规则文件进行描述，在编解码时根据规则文件描述的映射关系进行编解码，通用协议转换引擎结构如图2所示。

其中，规则文件，采用可递归描述结构，对任意结构的字节流数据消息形成通用性复杂结构向层次数据结构的映射、使得数据可被通用的消息处理后端程序对消息进行结构无关的数据访问。协议转换引擎包括规则式文件解析引擎、协议消息转换器，规则式文件解析引擎用于解析从规则式文件服务器获取到的规则式文件;协议消息转换器用于构建协议转换规则结构和计算方法，并定义各消息的编解码数据处理、计算逻辑和规则的结构，协议消息转换器包括解码和编码过程;解码包括转义、字节解码、校验和生成消息，编码包括消息预处理、字段编码、校验码和转义等过程。

2.2 网络通道管理器

网络通道主要为每种设备的协议提供相对应的通道，将不同设备上传的数据发送至上层。通过协议转换引擎模块转化成的JSON数据将交给该协议对应的网络通道，再由通道发送至上层模块;同样的，上层下发的JSON数据将根据需要发送的设备类型，分配给对应的通道，然后通道再交给对应的通用协议转换引擎模块转化成字节流，最后发送给设备端。

2.3 虚拟设备管理器

为了简化上层对设备发送数据的过程，需提供透明的、统一的设备管理服务，因此，需要将设备的物理特性封装起来，主要使用特定的数据结构对设备进行描述，记录设备的物理硬件信息，这样，当上层对设备发送数据时，也不需要关心具体的设备MAC地址等相关信息。

本框架的改进和创新性在于：

⑴ 当新增设备协议时，手动编辑生成与新增设备协议相对应的规则配置文件，并将其保存在边缘控制端和云端，然后通过协议转换引擎加载规则文件，将设备的消息文件转换成系统需要的格式文件，即可完成设备的连接，新增设备协议时，只需要对规则配置文件进行修改即可，而不需要对网关重新进行编程开发;

⑵ 同时，当针对一个新的设备协议编辑生成规则配置文件后，其他安装有协议装换引擎的网关设备均可以通过加载规则配置文件，而实现与新增设备的连接，而不需要对所有网关进行编程远程推送升级。

3 实验验证

基于规则式协议转换引擎的统一虚拟设备接入管理框架，以上行为例，主要分为以下步骤。

步骤1：首先根据设备协议，编辑生成其对应的协议转换规则配置文件，并保存在云端和邊缘端。

步骤2：规则式文件解析引擎加载，并解析协议转换规则配置文件。

步骤3：消息转化器将设备消息的字节流文件转化成系统需要的JSON格式文件。

步骤4：网络通道管理器为每种设备的协议提供相对应的通道。

步骤5：虚拟设备管理将设备的物理特性封装起来，使用特定的数据结构对设备进行描述，记录设备的物理硬件信息。

基于本文提出的统一虚拟设备接入管理框架，已经使用C/C++语音开发出系统框架，能同时接入了BLE Mesh、Zigbee3.0等网络，并对应用消息进行统一转换，实现了对接入设备的统一管理。

以蓝牙协议为例，先针对蓝牙协议生成一个规则配置文件，然后通过协议转换引擎将蓝牙设备的字节流文件转换成边缘控制系统需要的JSON格式文件，实现蓝牙设备和控制系统的连接，图3给出的分别是蓝牙设备的字节流文件和通过转换引擎转化成系统需要的JSON格式文件。

如图4、图5所示，通过使用本文提出的框架实现了对设备的接入，通过手机实现了对蓝牙协议的智能灯和ZigBee协议的智能开关的控制。

图6是网关设备，系统框架在树莓派、安卓TV、Linux虚拟机等系统平台上皆可运行，支持多种ZigBee设备和蓝牙设备的接入，包括智能灯、智能开关、智能插座、门窗/门禁传感器、智能安防设备等，并且系统运行稳定。

4 结束语

本文提出了一种统一虚拟设备管理框架，通过对各种格式协议的处理过程进行抽象，形成了一种基于规则式协议转换引擎的统一虚拟设备接入管理框架，该框架可以广泛兼容各种协议、支持不同消息格式的边缘设备接入，通过实验验证了该框架的可行性。该框架完成了边缘网关对边缘设备的连接，关于框架性能的优化，以及规则文件生成方式的优化将在后续的工作中进行研究。

参考文献（References）：

[1] Shi Weisong，CaoJie，ZhangQuan，et al. Edge Computing：Vision and challenges[J].IEEE Internet of Things Journal，2016.3（5）：637-646

[2] 张子木.物联网接入技术研究与系统设计[J].电子设计工程，2016.24（2）：157-160

[3] 傅仁轩.智能工厂设备互联的通信系统设计[J].工业控制计算机，2020.33（8）：13-15

[4] 施巍，松孙辉，曹杰等.边缘计算：万物互联时代新型计算模型[J].计算机研究与发展，2017.54（5）：907-924

[5] 王书龙.物联网接入系统架构及关键技术研究[D].北京工业大学，2017.

[6] 王学.蓝牙Mesh在物联网中的应用[J].科技智囊， 2020.7：66-68