楊光晨， 張坤乾

(安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

0 引 言

近些年，因用電安全引起的火災(zāi)比例不斷攀升。根據(jù)公安部消防局火災(zāi)統(tǒng)計(jì)年鑒，我國(guó)平均每年由于電氣故障引發(fā)的火災(zāi)起數(shù)，占總火災(zāi)起數(shù)的比例在30%左右，占重特大火災(zāi)起數(shù)的比例在40%-50%[1]。針對(duì)電氣火災(zāi)的問題，目前常用的解決辦法是基于物聯(lián)網(wǎng)對(duì)電氣節(jié)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，這類系統(tǒng)通常是由云和端兩部分構(gòu)成。但是該類系統(tǒng)存在以下幾個(gè)問題：第一,通信帶寬要求高，實(shí)時(shí)性不夠。這一方面主要是由于端側(cè)會(huì)產(chǎn)生大量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)需要較高的帶寬進(jìn)行傳輸，另一方面云和部分端節(jié)點(diǎn)之間有著較遠(yuǎn)的傳輸距離。第二,可靠性不足。當(dāng)云和端之間的通信意外中斷時(shí)，該類系統(tǒng)則會(huì)失去作用。第三,數(shù)據(jù)安全存在隱患。電力能源作為國(guó)家的戰(zhàn)略資源，如果對(duì)其監(jiān)測(cè)采集的數(shù)據(jù)全部上傳并存儲(chǔ)在公有云或者商業(yè)云中是有一定安全隱患的。針對(duì)存在的問題，提出了將邊緣計(jì)算應(yīng)用到電氣火災(zāi)監(jiān)測(cè)中。邊緣計(jì)算是指在網(wǎng)絡(luò)邊緣執(zhí)行計(jì)算的一種新型計(jì)算模型，邊緣計(jì)算操作的對(duì)象包括來(lái)自于云服務(wù)的下行數(shù)據(jù)和來(lái)自于萬(wàn)物互聯(lián)服務(wù)的上行數(shù)據(jù)，而邊緣計(jì)算的邊緣是指從數(shù)據(jù)源到云計(jì)算中心路徑之間的任意計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)資源[2]。邊緣計(jì)算并不是代替云計(jì)算，是相輔相成互相協(xié)同合作的關(guān)系。2016年，華為等單位聯(lián)合倡議發(fā)起邊緣計(jì)算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟(Edge Computing Consortium, ECC)并發(fā)布邊緣計(jì)算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟白皮書[3]。隨著邊緣計(jì)算技術(shù)的迅猛發(fā)展，邊緣計(jì)算也開始逐漸應(yīng)用到安防監(jiān)控、消防火災(zāi)、物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、智慧城市等領(lǐng)域中。

1 典型邊緣計(jì)算平臺(tái)

在網(wǎng)絡(luò)的邊緣等端設(shè)備會(huì)采集大量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，且需要對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行快速的計(jì)算分析,計(jì)算任務(wù)繁重，這些監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集設(shè)備在空間上也是分散的。為了能夠更加高效的利用資源，針對(duì)在不同的領(lǐng)域應(yīng)用、不同的設(shè)計(jì)目標(biāo)、不同的平臺(tái)的特點(diǎn)，邊緣計(jì)算平臺(tái)的選擇也大不相同。邊緣計(jì)算的平臺(tái)通常包括軟硬件采集、數(shù)據(jù)處理、邊緣緩存等功能。圖1是典型的邊緣計(jì)算平臺(tái)架構(gòu)。下面就對(duì)主要的邊緣計(jì)算平臺(tái)進(jìn)行簡(jiǎn)略的介紹。

圖1 邊緣計(jì)算的典型架構(gòu)

Edge X Foundry是針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的、開放框架、開源的邊緣計(jì)算應(yīng)用平臺(tái)。其宗旨是創(chuàng)造一個(gè)即插即用、互操性強(qiáng)、模塊化的物聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算的生態(tài)系統(tǒng)[4]。Edge X Foundry具有良好的兼容性，可以在不同的設(shè)備，不同的操作系統(tǒng)之間使用不同的協(xié)議進(jìn)行通信。EdgeXFoundry架構(gòu)分為南、北兩側(cè)、4個(gè)基于微服務(wù)架構(gòu)設(shè)計(jì)的邏輯層和貫穿始終的安全以及管理服務(wù)，該架構(gòu)有效的提高應(yīng)用與服務(wù)開發(fā)效率[5]。微服務(wù)可以根據(jù)需求進(jìn)行裁剪,因此EdgeXFoundry能夠在嵌入式、路由器、網(wǎng)關(guān)、本地服務(wù)器等計(jì)算能力不同的設(shè)備上使用。

圖2 Edge X Foundry架構(gòu)

霧計(jì)算是在半虛擬化的計(jì)算架構(gòu)模型上搭建而來(lái)的平臺(tái)，處于個(gè)人計(jì)算和云計(jì)算之間。是由分散的各類的計(jì)算功能構(gòu)成，能夠?yàn)榻K端和云提供存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)以及計(jì)算等的服務(wù)。霧計(jì)算的優(yōu)勢(shì)在于支持不同種類的設(shè)備間不同協(xié)議的通信，具有很好的兼容性。這也得益于霧計(jì)算抽象層、編排層、服務(wù)層的三層體系架構(gòu)[6]。利用霧計(jì)算的三層體系結(jié)構(gòu)，霧計(jì)算將云計(jì)算擴(kuò)展到網(wǎng)絡(luò)邊緣，可以在邊緣設(shè)備中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，減少傳輸帶來(lái)的時(shí)延，并能夠降低傳輸網(wǎng)絡(luò)壓力。

2 電氣火災(zāi)監(jiān)測(cè)中的邊緣計(jì)算平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1 邊緣網(wǎng)關(guān)的硬件設(shè)計(jì)

電氣火災(zāi)監(jiān)測(cè)中的邊緣網(wǎng)關(guān)的硬件主要包括數(shù)據(jù)傳輸接口、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及數(shù)據(jù)處理三個(gè)部分。

數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕涌谟上蛏蠈?duì)云端的傳輸和向下接收傳感器等設(shè)備采集的數(shù)據(jù)兩部分組成。針對(duì)電力檢測(cè)節(jié)點(diǎn)較多，還有較多的一部分位于較為偏遠(yuǎn)的地方，采用無(wú)線的方式。在向上對(duì)云端的傳輸中采用4G的通信方式。選擇的是上海合宙公司的AIR720，該模塊可以同時(shí)在4G頻段和2G頻段使用。在網(wǎng)關(guān)和數(shù)據(jù)采集設(shè)備直接的無(wú)線通信方式主要有藍(lán)牙、Zigbee、LoRa等。選擇使用LoRa模塊作為通訊方式。LoRa所具有的較強(qiáng)的抗干擾能力和傳輸距[7]離更適合電氣火災(zāi)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的部署環(huán)境。

數(shù)據(jù)處理選用的硬件是以S3C2440為主處理器的開發(fā)板，內(nèi)置Linux的開發(fā)環(huán)境，可以直接適配大多數(shù)的邊緣計(jì)算的軟件平臺(tái)。其功耗較低且有較強(qiáng)的計(jì)算能力。邊緣網(wǎng)關(guān)中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)可以根據(jù)實(shí)際采集數(shù)據(jù)的大小選擇合適的硬件。

2.2 邊緣網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計(jì)

邊緣網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計(jì)采用前面介紹的Edge X Foundry平臺(tái)。該平臺(tái)可以在Linux,Windows等環(huán)境下運(yùn)行，具有良好的兼容性[8]。軟件上需要準(zhǔn)備docker,docker-composer,MobgoDB,tensorflowJava以及Eclipse。docker用于提供EdgeX為服務(wù)運(yùn)行的容器；EdgeXFoundry使用MongoDB作為連接設(shè)備/傳感器元數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù);對(duì)Java的需求是因?yàn)镋dgeXFoundry的開源微服務(wù)是用Java編寫的；最后需要EdgeXFoundry微服務(wù)在Eclipse中使用JavaMaven項(xiàng)目創(chuàng)建。基于EdgeX Foundry 平臺(tái)的邊緣網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 基于邊緣網(wǎng)關(guān)的電氣火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

3 與傳統(tǒng)電氣火災(zāi)監(jiān)測(cè)的對(duì)比

現(xiàn)有的電氣火災(zāi)監(jiān)測(cè)主要是通過(guò)采集CO,O2,CO2溫濕度等數(shù)據(jù)在加以處理來(lái)判斷是否發(fā)生火災(zāi)或者發(fā)生火災(zāi)的可能性。更先進(jìn)的做法有采用圖像識(shí)別、視頻識(shí)別等方式來(lái)進(jìn)行電氣火災(zāi)監(jiān)測(cè)。通過(guò)對(duì)比傳統(tǒng)電氣火災(zāi)監(jiān)測(cè)和基于邊緣計(jì)算的電氣火災(zāi)監(jiān)測(cè)分析處置流程來(lái)說(shuō)明二者的區(qū)別。

傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)首先將傳感器等數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)上傳到微控制器，微控制器在通過(guò)通信模塊將數(shù)據(jù)上傳到云服務(wù)器，云服務(wù)器中的火災(zāi)分析模型在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。然后云服務(wù)器再將處理方式通過(guò)通信模塊下發(fā)到微控制器，微控制器再下發(fā)命令給執(zhí)行設(shè)備采取動(dòng)作。處置流程圖如圖4所示。

圖4 傳統(tǒng)電氣火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)處理流程

基于邊緣計(jì)算的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，將采集的數(shù)據(jù)直接上傳到邊緣網(wǎng)關(guān)中，火災(zāi)分析模型可以在邊緣網(wǎng)關(guān)中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并將處理方式下發(fā)至執(zhí)行設(shè)。再把必要的數(shù)據(jù)和處理方式上傳至云端供工作人員查看。當(dāng)數(shù)據(jù)過(guò)于復(fù)雜邊緣網(wǎng)關(guān)不能分析處理時(shí)，可以將復(fù)雜數(shù)據(jù)上傳到云服務(wù)器進(jìn)行分析處理。處置流程圖如圖5所示。

圖5 基于邊緣計(jì)算的電氣火災(zāi)處置流程

對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)將邊緣計(jì)算應(yīng)用到電氣火災(zāi)監(jiān)測(cè)中可以優(yōu)化火災(zāi)的處置步驟，對(duì)于火災(zāi)的處理也將更為迅速，更具有實(shí)時(shí)性。同時(shí)上傳到云端的數(shù)據(jù)也較少，只上傳關(guān)鍵的數(shù)據(jù)到云端，可以有效地減輕通信帶寬的壓力。特別是對(duì)于電氣火災(zāi)監(jiān)測(cè)這樣范圍廣，節(jié)點(diǎn)多的系統(tǒng)，可以極大減輕云端的數(shù)據(jù)量，讓云服務(wù)器工作的重點(diǎn)放在分析復(fù)雜數(shù)據(jù)。另外傳統(tǒng)的電氣火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)極度依賴和云端的通信模塊，一旦和云端通信中斷時(shí)則會(huì)失去作用。而基于邊緣計(jì)算的系統(tǒng)在云端中斷的情況下依然可以使用，具有較高的可靠性。

4 結(jié) 語(yǔ)

介紹了邊緣計(jì)算的概念以及國(guó)內(nèi)外發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀，對(duì)幾種主要的邊緣計(jì)算平臺(tái)架構(gòu)進(jìn)行說(shuō)明。為邊緣計(jì)算在電氣火災(zāi)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用設(shè)計(jì)了一種具體的邊緣網(wǎng)關(guān)。從邊緣網(wǎng)關(guān)的軟硬件兩個(gè)方面進(jìn)行說(shuō)明。通過(guò)和傳統(tǒng)的電氣火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比得出了邊緣計(jì)算在電氣火災(zāi)監(jiān)測(cè)中所具有的優(yōu)勢(shì)。第一，優(yōu)化了火災(zāi)處置的步驟，具有較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性;第二，可以在邊緣側(cè)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，只向云端上傳必要的數(shù)據(jù)，減輕通信的帶寬，減小云服務(wù)器的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理壓力;第三，可以在和云端通信意外中斷的情況下，繼續(xù)監(jiān)測(cè)和處置可能發(fā)生的火災(zāi)，具有更高的可靠性;第四，對(duì)于電力這樣的國(guó)家戰(zhàn)略性資源，邊緣計(jì)算也能夠提高監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的安全性;綜上，邊緣計(jì)算在電火災(zāi)監(jiān)測(cè)中有著較大的應(yīng)用前景。