面向WIA-PA网络的边缘网关的研究与实现
这是一篇关于WIA-PA网络,边缘计算,微服务,边缘网关的论文, 主要内容为边缘计算是一种在靠近数据产生的网络边缘侧,包含计算、存储和网络资源的分布式处理架构,能够加快数据的处理速度,就近提供边缘智能服务。WIA-PA(Wireless Networks for Industrial Automation Process Automation,面向工业过程自动化的工业无线网络)是我国自主制定的工业无线网络标准,具备部署方便、能耗低和实时性高的优势。将边缘计算应用到WIA-PA网络,不仅能够发挥边缘计算的本地与云端结合的处理能力,还能够使WIA-PA网络适应工业的数字化转型。WIA-PA网络与边缘计算相结合,网关是其中的关键环节。但现有的WIA-PA网关,在网关结构、设备服务以及云端交互等方面尚未提供对边缘计算有效的支持,阻碍了边缘计算在WIA-PA网络中的应用。针对上述问题,本文对面向WIA-PA网络的边缘网关进行了系统探讨,对基于边缘计算的WIA-PA网关新型结构、组态微服务、边云数据处理方法等进行了重点研究。论文的主要工作如下:1.分析了WIA-PA网络的特征以及与WIA-PA网关实现相关的技术,研究了边缘计算的特点与优势及异构计算、数据存储、虚拟化等关键技术,探讨了微服务架构和Docker容器部署微服务技术。2.针对现有WIA-PA网关对边缘计算支持不完善的问题,设计一种边缘网关结构,使WIA-PA网络不仅支持边缘计算,也能够与云端交互。考虑数据的优先级特征,提出一种WIA-PA网络数据处理方法,实现了WIA-PA网络数据的边云协同分发。3.利用边缘计算在异构设备关联、管理和数据处理等方面的优势,提出一种基于边缘计算的异构工业网络设备组态微服务方法。将该方法集成到WIA-PA边缘网关中,能够为异构工业设备提供组态管理服务,提高了异构设备间组态服务建立的效率。4.使用EdgeX Foundry开源平台对设计的边缘网关结构进行实现,完成WIA-PA网络管理微服务和协议适配微服务模块。以边缘网关为基础,使用边云交互接口,实现提出的边云数据处理方法。同时,对提出的异构工业网络设备组态微服务方法的进行实现,并详细描述了该方法的实现过程。5.搭建WIA-PA边缘网关的软硬件测试环境,测试本文实现的异构工业网络设备组态微服务方法和WIA-PA数据处理方法,并对测试结果进行记录和分析。测试结果表明,本文所研究和实现的WIA-PA边缘网关,能够有效管理WIA-PA设备,转换数据格式;通过边云数据处理方法,完成了对WIA-PA数据的分类处理;所提出的异构网络组态微服务方法,实现了对异构工业设备的组态管理。本文的研究,对边缘计算技术在工业无线网络中的应用,具有一定的参考价值。
多功能智慧灯杆系统研究与设计
这是一篇关于智慧灯杆,5G通信,边缘网关,深度神经网络,模糊控制的论文, 主要内容为在当前先进的网络通信和人工智能技术的推动下,路灯系统作为城市基础设施的核心,正呈现出数字化、网络化和智能化的发展趋势。智慧灯杆作为智慧城市的重要载体,能够智能感知环境信息,进行数据计算与处理,稳定、安全、可靠地传输数据,同时满足具有多总线接口的外设拓展、路灯节能、智能监控等需要。尤其是智慧灯杆作为网络边缘设备,其自身数据计算与处理能力是城市安防与路灯智能管控的关键保障,对城市智慧化具有重要研究及应用价值。本文以面向智慧灯杆应用场景的5G智能网关为信息处理与传输载体,进行了系统需求分析与架构设计,研究了核心处理算法理论与技术,完成了基于边缘网关的数据采集、计算处理、网络传输等核心功能设计开发,搭建了多功能智慧灯杆系统实验平台并完成测试验证。本文主要研究内容如下:1.研究分析了智慧灯杆外设接口总线特征,根据系统架构与集成需求,设计了基于MCU协处理器的多总线数据采集与路灯控制方案,完成了环境传感器数据采集与路灯外设控制的硬件模块电路设计、嵌入式固件开发,并基于epoll机制实现边缘网关对多源环境信息感知与高清视频图像采集。2.研究了基于边缘网关的自适应路灯控制算法,设计实现了边缘处理核心模块应用程序与软件系统。基于模糊控制理论实现路灯自适应控制器,仿真与测试结果表明对比路灯控制节能14%;利用深度神经网络智能方法实现了基于开源框架下的环境人车密度检测与车牌提取,实现了30 fps的实时目标检测边缘计算处理;基于多进程/多线程实现了环境目标检测与模糊控制任务并发处理,将环境目标检测输出结果作为模糊控制器决策输入完成协同任务处理。3.设计了基于5G通信的智慧灯杆消息数据与高清视频数据传输模块,搭建基于消息队列与流媒体服务器的数据传输系统,实现基于边缘网关的数据采集、计算处理与5G通信传输,基于嵌入式Web技术实现了网关状态监控人机交互界面设计与系统测试。本文所研究的5G多功能智慧灯杆系统以网关为载体,具备网络边缘侧数据采集、计算、缓存、传输等多种能力,实现了5G通信、深度学习、物联网等前沿技术在智慧灯杆系统中的融合应用,为进一步研究边缘计算处理在智能照明策略、实时环境监测等领域工程应用提供参考。
多功能智慧灯杆系统研究与设计
这是一篇关于智慧灯杆,5G通信,边缘网关,深度神经网络,模糊控制的论文, 主要内容为在当前先进的网络通信和人工智能技术的推动下,路灯系统作为城市基础设施的核心,正呈现出数字化、网络化和智能化的发展趋势。智慧灯杆作为智慧城市的重要载体,能够智能感知环境信息,进行数据计算与处理,稳定、安全、可靠地传输数据,同时满足具有多总线接口的外设拓展、路灯节能、智能监控等需要。尤其是智慧灯杆作为网络边缘设备,其自身数据计算与处理能力是城市安防与路灯智能管控的关键保障,对城市智慧化具有重要研究及应用价值。本文以面向智慧灯杆应用场景的5G智能网关为信息处理与传输载体,进行了系统需求分析与架构设计,研究了核心处理算法理论与技术,完成了基于边缘网关的数据采集、计算处理、网络传输等核心功能设计开发,搭建了多功能智慧灯杆系统实验平台并完成测试验证。本文主要研究内容如下:1.研究分析了智慧灯杆外设接口总线特征,根据系统架构与集成需求,设计了基于MCU协处理器的多总线数据采集与路灯控制方案,完成了环境传感器数据采集与路灯外设控制的硬件模块电路设计、嵌入式固件开发,并基于epoll机制实现边缘网关对多源环境信息感知与高清视频图像采集。2.研究了基于边缘网关的自适应路灯控制算法,设计实现了边缘处理核心模块应用程序与软件系统。基于模糊控制理论实现路灯自适应控制器,仿真与测试结果表明对比路灯控制节能14%;利用深度神经网络智能方法实现了基于开源框架下的环境人车密度检测与车牌提取,实现了30 fps的实时目标检测边缘计算处理;基于多进程/多线程实现了环境目标检测与模糊控制任务并发处理,将环境目标检测输出结果作为模糊控制器决策输入完成协同任务处理。3.设计了基于5G通信的智慧灯杆消息数据与高清视频数据传输模块,搭建基于消息队列与流媒体服务器的数据传输系统,实现基于边缘网关的数据采集、计算处理与5G通信传输,基于嵌入式Web技术实现了网关状态监控人机交互界面设计与系统测试。本文所研究的5G多功能智慧灯杆系统以网关为载体,具备网络边缘侧数据采集、计算、缓存、传输等多种能力,实现了5G通信、深度学习、物联网等前沿技术在智慧灯杆系统中的融合应用,为进一步研究边缘计算处理在智能照明策略、实时环境监测等领域工程应用提供参考。
基于知识图谱的OPC UA信息模型研究与应用
这是一篇关于OPC UA,信息模型,知识图谱,边缘网关,数据采集系统的论文, 主要内容为在世界各国积极推进制造业向数字化方向发展的背景下,工厂内设备数据的互联互通亟待实现。OPCUA(Unified Architecture)作为一种新兴的工业数据交互规范,有助于实现异构设备数据的统一传输。然而,OPCUA数据通信的基础—一OPCUA信息模型目前多采用手工构建方式,对专业知识要求高且费时费力。同时,传统工厂中仍存在大量不支持OPC UA的设备,通过更换新设备来实现OPCUA改造的方式会带来昂贵的成本。针对上述问题,本文创新性地提出了一种基于知识图谱技术的OPCUA信息模型自动构建方法,设计了一种通过边缘网关实现OPC UA数据采集的三层架构,有助于加快传统工厂的改造速度,降低改造成本。为了验证所提出的自动构建方法和三层系统架构的可行性,本文搭建了一套离散制造实验平台,并对该平台的数据采集系统进行了 OPCUA改造,自动构建了平台内各设备的信息模型,实现了对异构设备数据的统一采集。本文的研究内容具体包括:1.设计实现了 一种基于知识图谱的OPC UA信息模型自动构建方法,选用传统工厂已有的结构化数据库作为信息源,以有效匹配数据采集需求;通过分析数据库模式信息、知识图谱本体与OPCUA信息模型内知识组织方式的相似性,设计了一套映射规则;并选用了 UA-ModelCompiler工具来生成合规的信息模型文件,保证了模型的质量,降低了对建模人员专业知识的要求,减轻了工作量。2.设计了一种基于边缘网关的工业设备数据采集系统架构,包括现场设备层、网络接入层和企业网络层三部分;重点研究了网络接入层内边缘网关设备的具体功能、组成模块以及各模块之间的信息交互方式,使得无需更换传统设备,仅添加网关设备即可帮助上层应用实现对异构设备数据的统一采集,降低了改造成本。3.通过抽取离散制造业生产线的共性加工单元,搭建了 一套具有装配、刻印和检测功能的防水盒制造实验平台;基于所设计的信息模型构建方法和数据采集系统架构,为实验平台内的各设备自动构建了 OPCUA信息模型,在实验平台上实现了基于OPCUA的统一数据采集系统,验证了本文研究内容的可行性与合理性。
面向边缘节点的可信访问控制技术研究
这是一篇关于区块链,访问控制,边缘网关,属性加密,属性撤销的论文, 主要内容为近年来,随着物联网技术与互联网的不断发展,物联网中数据与设备的规模不断扩大,风险因素也成倍的增加。多数物联网终端在设计之初都没有考虑太多的安全性,存在身份认证机制弱、访问控制效果差、入侵容易等问题。且物联网终端与网络云端相互关联,攻击者可能利用终端的脆弱性间接攻击云服务平台,窃取到用户的隐私数据,提高物联网设备的安全性刻不容缓。但大部分物联网设备受到内存不足、算力低的限制,无法更好地配置安全防护策略。边缘计算技术为以上问题提供了解决方案,边缘节点具备更高的计算能力,可以在边缘侧直接处理大多数终端产生的数据,能够对物联网设备进行统一管理,配置安全管理策略。然而,边缘计算节点采用分布式的架构,这使得边缘节点处在不信任的环境中,云计算环境下数据安全和隐私保护机制难以满足其安全需求,一旦出现安全风险,可能对大量的用户和设备造成影响。攻击者可以利用节点处理逻辑的漏洞,对连接在边缘节点上的设备进行控制或监听,或伪造用户身份对边缘节点中的数据进行窃取和篡改。且边缘节点属于轻量型设备,为了充分利用它的计算能力需要使用高效的访问控制方法。因此,本文对边缘节点的访问控制机制开展研究,主要工作如下:(1)针对以上边缘节点环境受限,安全性弱的问题,提出一种面向边缘节点数据流转的链上链下认证方法。通过将区块链技术、基于属性和权益的访问控制方法相结合,以文件分组、属性加密、权能令牌认证等方式实现边缘节点侧细粒度高效地认证方法。并通过在边缘节点上部署云存储服务,使用户只能以远程连接的方式读取其访问权限内的数据,避免了数据的二次流转,同时能对用户使用数据的全生命周期进行监测上链,实现主动上报的数据使用监管机制。(2)针对节点更新、权限变更、私钥泄露等问题,提出面向边缘节点的多场景下动态访问权限更新机制。通过部署相对应的智能合约事务,自动化地实现用户访问权限更新机制,并在区块链上实时记录用户的访问记录,根据链上存储的访问行为对用户进行信誉评估,根据不同信任值对用户进行惩罚,保证边缘节点内访问控制机制的灵活性和安全性以及保证用户身份的合法性和有效性,避免权限滥用、管理困难的问题。(3)在多个边缘节点上搭建联盟链,部署可信边缘平台,通过设计对照实验来验证所提方法的有效性。同时,对系统中几个关键合约执行过程都进行测试,实验结果表明本文所设计的访问控制系统能满足实际场景下的应用需求,且与以往方法相比能够在边缘侧提供质量更高的服务。
面向边缘节点的可信访问控制技术研究
这是一篇关于区块链,访问控制,边缘网关,属性加密,属性撤销的论文, 主要内容为近年来,随着物联网技术与互联网的不断发展,物联网中数据与设备的规模不断扩大,风险因素也成倍的增加。多数物联网终端在设计之初都没有考虑太多的安全性,存在身份认证机制弱、访问控制效果差、入侵容易等问题。且物联网终端与网络云端相互关联,攻击者可能利用终端的脆弱性间接攻击云服务平台,窃取到用户的隐私数据,提高物联网设备的安全性刻不容缓。但大部分物联网设备受到内存不足、算力低的限制,无法更好地配置安全防护策略。边缘计算技术为以上问题提供了解决方案,边缘节点具备更高的计算能力,可以在边缘侧直接处理大多数终端产生的数据,能够对物联网设备进行统一管理,配置安全管理策略。然而,边缘计算节点采用分布式的架构,这使得边缘节点处在不信任的环境中,云计算环境下数据安全和隐私保护机制难以满足其安全需求,一旦出现安全风险,可能对大量的用户和设备造成影响。攻击者可以利用节点处理逻辑的漏洞,对连接在边缘节点上的设备进行控制或监听,或伪造用户身份对边缘节点中的数据进行窃取和篡改。且边缘节点属于轻量型设备,为了充分利用它的计算能力需要使用高效的访问控制方法。因此,本文对边缘节点的访问控制机制开展研究,主要工作如下:(1)针对以上边缘节点环境受限,安全性弱的问题,提出一种面向边缘节点数据流转的链上链下认证方法。通过将区块链技术、基于属性和权益的访问控制方法相结合,以文件分组、属性加密、权能令牌认证等方式实现边缘节点侧细粒度高效地认证方法。并通过在边缘节点上部署云存储服务,使用户只能以远程连接的方式读取其访问权限内的数据,避免了数据的二次流转,同时能对用户使用数据的全生命周期进行监测上链,实现主动上报的数据使用监管机制。(2)针对节点更新、权限变更、私钥泄露等问题,提出面向边缘节点的多场景下动态访问权限更新机制。通过部署相对应的智能合约事务,自动化地实现用户访问权限更新机制,并在区块链上实时记录用户的访问记录,根据链上存储的访问行为对用户进行信誉评估,根据不同信任值对用户进行惩罚,保证边缘节点内访问控制机制的灵活性和安全性以及保证用户身份的合法性和有效性,避免权限滥用、管理困难的问题。(3)在多个边缘节点上搭建联盟链,部署可信边缘平台,通过设计对照实验来验证所提方法的有效性。同时,对系统中几个关键合约执行过程都进行测试,实验结果表明本文所设计的访问控制系统能满足实际场景下的应用需求,且与以往方法相比能够在边缘侧提供质量更高的服务。
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