KubeEdge边缘设备管理系列(一):基于物模型的设备管理API设计与实现

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云容器大未来 发表于 2024/11/22 10:47:32 2024/11/22
【摘要】 针对新版本 Device-IoT 领域的更新,我们计划推出一系列的文章对这些特性进行详细的介绍,本篇文章是系列文章的第一篇,主要介绍基于物模型的设备管理 API。

作者:王彬丞、杨志佳、刘家伟

随着万物互联时代快速到来,5G网络普及导致边缘设备产生的数据量快速增长。普通的边缘设备计算能力不足,因此传统方法会将边缘侧数据集中汇聚到云端数据中心进行处理,容易对响应实时性、网络稳定性以及数据安全性产生挑战。

为满足用户在大规模设备场景中更高的可用性需求,KubeEdge Device-IoT在1.12版本推出设备管理框架(Device Management Interface,DMI)。DMI整合设备管理接口,将管理面和业务面数据解耦,优化边缘计算场景下的设备管理能力,打造基于云原生技术的设备数字孪生管理平台。

kubeedge.png

在 1.15 版本中,我们根据边缘设备管理的用户需求迭代更新 v1beta1 版本的设备管理  API,并以此为基础完善 DMI 数据面功能,承载于南向的 Mapper 开发框架 Mapper-Framework 中。Mapper-Framework 提供了全新的 Mapper 自动生成框架,框架中集成了 DMI 设备管理面与数据面能力,能够自动生成 Mapper 工程,用户只需实现其中的设备驱动的功能即可使用 Mapper 管理边缘设备,简化用户设计开发 Mapper 的复杂度,提升开发效率。针对新版本 Device-IoT 领域的更新,我们计划推出一系列的文章对这些特性进行详细的介绍,大致的文章大纲为:

  1. 基于物模型的设备管理 API 设计与实现

  2. DMI 数据面能力设计与实现

  3. Mapper 开发框架 Mapper-Framework 设计与实现

  4. 如何使用 Mapper 完成视频流数据处理

  5. 如何使用 Mapper 实现设备数据写入

  6. 如何从头开发一个 Mapper(以 modbus 为例) 

本篇文章是系列文章的第一篇,主要介绍基于物模型的设备管理 API


    基于物模型的设备管理 API  

为适应用户需求,在 v1.15.0 版本中,KubeEdge SIG Device-IoT 提出基于物模型的设备管理 API,将 Device Model 与 Device Instance从 v1alpha2 版本升级为 v1beta1 版本。新版本的设备管理 API 能够更全面的描述物理设备,新增了边缘设备数据处理的相关字段,能够适配 DMI 数据面能力增强功能。北向设备  API 结合南向的 DMI 接口,实现设备管理与设备数据处理,API 的主要更新包括:

▍1. Device Model

Device Model 用以描述一类边缘设备共同的设备属性。按照物模型的定义,Device Model 中新增了设备属性描述、设备属性类型、设备属性取值范围、设备属性单位等字段,如下图所示:

// ModelProperty describes an individual device property / attribute like temperature / humidity etc.
type ModelProperty struct {
    // Required: The device property name.
    // Note: If you need to use the built-in stream data processing function, you need to define Name as saveFrame or saveVideo
    Name string `json:"name,omitempty"`
    // The device property description.
    // +optional
    Description string `json:"description,omitempty"`
    // Required: Type of device property, ENUM: INT,FLOAT,DOUBLE,STRING,BOOLEAN,BYTES,STREAM
    Type PropertyType `json:"type,omitempty"`
    // Required: Access mode of property, ReadWrite or ReadOnly.
    AccessMode PropertyAccessMode `json:"accessMode,omitempty"`
    // +optional
    Minimum string `json:"minimum,omitempty"`
    // +optional
    Maximum string `json:"maximum,omitempty"`
    // The unit of the property
    // +optional
    Unit string `json:"unit,omitempty"`
}

上图展示了 Device Model 的核心 ModelProperty 字段,其中 Type 字段定义该属性的数据类型,AccessMode 定义该属性的访问方式,包括读写和只读两种。当访问方式设置为只读时,Mapper 会直接返回采集到的设备数据,反之当设置为读写后,Mapper 会对采集到的设备数据进行归一化等处理后再返回。Minimum 与 Maximum 则定义了设备属性的最大最小值,Unit 字段定义了设备属性的单位。下图展示了一个 Device Model 配置文件的示例:

apiVersion: devices.kubeedge.io/v1beta1
kind: DeviceModel
metadata:
  name: beta1-model
spec:
  properties:
    - name: temp                      # define device property
      description: beta1-model
      type: INT                       # date type of device property
      accessMode: ReadWrite
      maximum: "100"                  # range of device property (optional)
      minimum: "1"
      unit: "Celsius"                 # unit of device property
  protocol: modbus                    # protocol for device, need to be same with device instance

2. Device Instance

一个 Device Instance 代表一个实际的设备对象。v1beta1 版本中,Device Instance 中内置的协议配置全部移除,包括 Modbus、OPC-UA、Bluetooth 等。用户可以通过可扩展的 Protocol 配置来设置设备协议,能够实现任何协议的设备接入。Modbus、OPC-UA、Bluetooth 等内置协议的 Mapper 仍会保留在 Mappers-go 仓库中,同时也会不断增加其他协议的内置 Mapper。

type ProtocolConfig struct {
    // Unique protocol name
    // Required.
    ProtocolName string `json:"protocolName,omitempty"`
    // Any config data
    // +optional
    // +kubebuilder:validation:XPreserveUnknownFields
    ConfigData *CustomizedValue `json:"configData,omitempty"`
}

type CustomizedValue struct {
    Data map[string]interface{} `json:"-"`
}
此外,为增强 DMI 数据面功能,本次更新在 Device Instance 的设备属性中增加了设备数据处理的相关配置,例如设备上报频率、数据推送频率、属性是否上报云端、设备数据推送方式,如下图所示。
type DeviceProperty struct {
    ... 
    // Define how frequent mapper will report the value.
    // +optional
    ReportCycle int64 `json:"reportCycle,omitempty"`
    // Define how frequent mapper will collect from device.
    // +optional
    CollectCycle int64 `json:"collectCycle,omitempty"`
    // whether be reported to the cloud
    ReportToCloud bool `json:"reportToCloud,omitempty"`
    // PushMethod represents the protocol used to push data,
    // please ensure that the mapper can access the destination address.
    // +optional
    PushMethod *PushMethod `json:"pushMethod,omitempty"`
}
  • ReportCycle 字段定义了 Mapper 向用户数据库、用户应用推送数据的频率;
  • CollectCycle 字段定义了 Mapper 向云端上报数据的频率;
  • ReportToCloud 字段定义了 Mapper 采集到的设备数据是否需要上报云端;
  • PushMethod 字段定义了 Mapper 推送设备数据的方式。

目前提供 HTTP、MQTT 以及 OpenTelemetry 等方式向用户应用推送数据,并内置集成 InfluxDB、MySQL、Redis、TDengine 数据库。用户能够通过配置文件控制Mapper 向用户应用、用户数据库中定时推送设备数据,也能够通过 API 主动拉取设备数据,实现设备数据处理方式的多样化,相比于将所有数据推送至云端再行处理的传统方法,能够有效减少云边通信阻塞的风险。

下图展示了一个 Device Instance 配置文件的示例:

apiVersion: devices.kubeedge.io/v1beta1
kind: Device
...
spec:
  properties:
    - name: temp
      collectCycle: 2000      # The frequency of reporting data to cloud, 2 seconds
      reportCycle: 2000       # The frequency of data push to user applications or databases, 2 seconds
      reportToCloud: true     # Decide whether device data needs to be pushed to the cloud
      pushMethod:
        mqtt:                 # Define the MQTT config to push device data to user app
          address: tcp://127.0.0.1:1883
          topic: temp
          qos: 0
          retained: false
      visitors:               # Define the configuration required by the mapper to access device properties (e.g. register address)
        protocolName: modbus
        configData:
          register: "HoldingRegister"
          offset: 2
          limit: 1
  protocol:                   # Device protocol. The relevant configuration of the modbus protocol is defined in the example.
    protocolName: modbus
    configData:
      serialPort: '/dev/ttyS0'
      baudRate: 9600

基于 v1beta1版本的设备管理 API,我们以 Kubernetes CRD 的形式将 Device Model 与 Device Instance 引入 KubeEdge 集群。如需要更多详细的信息,可以参考设备管 API 的 proposal 文件[1] 以及相关 PR[2]。在本系列的下一篇文章中,我们会对 DMI 数据面能力的支持进行详细的介绍。

相关链接

[1]  docs/proposals/device-crd-v1beta1.md:https://github.com/kubeedge/kubeedge/blob/master/docs/proposals/device-crd-v1beta1.md
[2]  相关PR:device crd v1beta1 and API definition:https://github.com/kubeedge/kubeedge/pull/4983






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KubeEdge社区介绍:KubeEdge是业界首个云原生边缘计算框架、云原生计算基金会(CNCF)唯一毕业级边缘计算开源项目,社区已完成业界最大规模云原生边云协同高速公路项目(统一管理10万边缘节点/50万边缘应用)、业界首个云原生星地协同卫星、业界首个云原生车云协同汽车、业界首个云原生油田项目,开源业界首个分布式协同AI框架Sedna及业界首个边云协同终身学习范式,并在持续开拓创新中。

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