基于云边端架构的工业智能网关软件管理平台的设计与实现

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近些年,随着AI和5G技术的发展以及云边协同理念的提出,在工业物联网领域,“云-边-端”一体化平台建设进程飞速,尤其在传统制造行业产生了巨大影响和革新。然而在“云-边-端”技术架构实践过程中,一系列的技术难题也随之出现,如网络安全问题、集成问题、以及业务需求问题。其中业务需求问题尤为突出,如为了实现“端”侧工业生产设备的管理,以及数据的采集和转发等需求问题,需要在“端”侧引入工业智能网关,对于工业智能网关概念的定义,目前工业物联网领域并没统一标准。工业智能网关作为一种小型的工业物联网设备,通过内部安装的自定义软件来实现基本功能,主要负责工业生产设备数据的采集、发送、以及与云端平台的交互。由此可见,在“云-边-端”架构体系中,确保工业智能网关的软件稳定可靠尤为重要。目前,对于工业智能网关这种部署于“端”侧的工业物联网设备,缺少配套的软件管理平台。即使,市面上主流的工业物联网云平台基本都提供了多类设备的软件管理功能,但是存在软件升级策略单一、升级时间长、对于“边”和“端”中高度定制化的设备,难以实现自定义的升级管理任务。本论文针对上述问题,对工业智能网关软件管理方案及平台进行研究,主要工作内容包含以下几点:(1)基于“云-边-端”架构理念及平台应用场景,对工业智能网关的软件管理存在的问题进行分析,得出平台整体功能需求。根据平台功能需求,设计了在中小型制造企业中具有一定通用性的工业智能网关的软件管理平台架构。(2)根据工业视觉质检项目需求,令工业智能网关作为PLC、工业相机、传感器等工业生产设备的集成接入节点,进行数据的采集和转发等工作,以此形成“一关多设备,一关一节点”的设备布局。通过对该工业智能网关的管理,来验证本论文设计的工业智能网关的软件管理平台架构的合理性。(3)针对软件升级这一难点问题,设计并实现基于多技术点的软件升级策略。首先,针对升级包上传超时问题采用大文件传输技术,实现文件分块、断点续传、秒传等功能,可支持单体10GB文件上传。其次,在整包升级中对“双目备份”进行改进,提出并实现“三目备份”的升级回滚策略,确保升级失败软件正常可用。实现基于Rsync+带宽监测的升级包传输策略,提高网络的利用率,降低升级包传输时间,实现并发传输任务。在差分升级中实现Hdiffpatch+bzip2+MD5差分策略,并结合多种同类型算法进行效率比对,验证了方案的合理性。最后,基于Jenkins集群管理,实现多种类型任务构建,解决定时、批量构建任务的不可控难题。在工业智能网关端,开发升级检测脚本,确保整个升级流程安全可靠。(4)实现工业智能网关的软件管理平台所有功能,并将其应用于实际的生产项目。通过平台功能和性能测试,验证了本平台架构的合理性,功能的正确性,以及在实际生产中的可用性。
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