边缘计算网关的制作方法

1.本实用新型涉及工业控制及通信技术领域，特别涉及一种边缘计算网关。


背景技术：

2.随着科技技术的发展，融合了采矿技术、物联网技术和人工智能技术的智慧矿山是煤炭工业发展的必然趋势。
3.但因煤矿作业时存在的复杂性和高要求性，现有的边缘计算网关运用到智慧矿山的建设中，无法为智慧矿山的建设提供有效的帮助，反而会因其局限性而引起高时延、低计算效率和高成本的现象，从而给用户造成使用风险，在一定程度上降低了智慧矿山的建设进度。


技术实现要素：

4.本实用新型的主要目的是提出一种边缘计算网关，旨在解决现有的边缘计算网关运用到智慧矿山中存在高时延、低计算效率和高成本，从而给用户造成一定的使用风险的技术问题。
5.为实现上述目的，本实用新型提出一种边缘计算网关，所述边缘计算网关包括：
6.外壳；
7.背板，所述背板设置于外壳中；
8.核心控制板，所述核心控制板设置于所述背板上；
9.以太网通信板，所述以太网通信板设置于所述背板上，所述以太网通信板与所述核心控制板通过所述背板上的连接器电性连接；
10.现场总线通信板，所述现场总线通信板设置于所述背板上，所述现场总线通信板与所述核心控制板通过所述背板上的连接器电性连接。
11.可选地，所述现场总线通信板上设置有多个有线通信接口，所述有线通信接口包括rs-232总线接口、rs-485总线接口、can总线接口、数字量输入接口和数字量输出接口中一个或多个。
12.可选地，所述以太网通信板包括设备电源输入电路；
13.所述设备电源输入电路，用于为所述边缘计算网关提供主要供电和备用电源输入。
14.可选地，所述以太网通信板还包括以太网通信模块，所述以太网通信模块包括作为有线通信接口的千兆以太网双绞线通信模块和千兆以太网光纤通信模块；
15.所述千兆以太网双绞线通信模块，用于以太网通信，以及可增加pse功能向外部的pd设备进行供电；
16.所述千兆以太网光纤通信模块，用于将所述以太网通信模块的千兆位电信号转化为千兆位光信号。
17.可选地，所述核心控制板包括cpu控制单元和可拔插处理模块；
18.所述cpu控制单元与所述可拔插处理模块、现场总线通信板以及以太网通信板进行双向连接；
19.所述cpu控制单元，用于动态处理从所述可拔插处理模块、现场总线通信板以及以太网通信板上获取的信息数据；
20.所述可拔插处理模块，用于灵活扩展所述边缘计算网关的功能。
21.可选地，所述cpu控制单元包括arm芯片、dram芯片、emmc芯片和温湿度传感器芯片；
22.所述arm芯片、dram芯片、emmc芯片和温湿度传感器芯片分别安置在所述cpu控制单元的内部。
23.可选地，所述可拔插处理模块包括边缘智能加速卡、5g通信卡、wi-fi通信卡、zigbee卡和uwb卡；
24.所述边缘智能加速卡、5g通信卡、wi-fi通信卡分别与所述cpu控制单元进行双向连接；
25.所述边缘智能加速卡、5g通信卡、wi-fi通信卡分别与所述cpu控制单元进行信息数据交互；
26.所述zigbee卡和uwb卡的输出端分别与所述cpu控制单元的输入端；
27.所述边缘智能加速卡，用于优化所述边缘计算网关的算法程序。
28.可选地，所述所述边缘计算网关包括壳体；
29.所述外壳包括前面板、上盖、下壳、左侧板、右侧板、后盖和导轨，所述前面板上设有可供壳体外露的开口，所述前面板侧边与左侧板和右侧板可拆卸连接，所述上盖设有出气孔，所述上盖和下壳侧边分别与左侧板和右侧板可拆卸连接，所述后盖上与所述导轨可拆卸连接，所述后盖侧边与左侧板和右侧板可拆卸连接；
30.所述背板设置于所述壳体上。
31.本实用新型技术方案通过核心控制板、以太网通信板和现场总线通信板，实现有线通信技术和无线通信技术的结合，使得传感器和其他终端设备的通信协议不再受煤矿作业应用场景的限制，避免智慧矿山中控制协议和通信协议的多样性导致的在井下现场应用时，需要大量的设备进行配合使用的高成本的现象，通过在核心控制板上设置可拔插处理模块，使得边缘计算网关拥有多个可拔插式接口，实现在不同的煤矿作业应用场景时，根据应用场景的需求进行多种通信和/或控制功能的扩展，通过在可拔插处理模块上安置边缘智能加速卡，实现了高效的运行前沿技术的算法程序，为智慧矿山的建设提供了低时延、高计算能力和低成本的工业通信功能，进而推动了煤矿作业的高安全性、高可靠性和高效率性。
附图说明
32.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
33.图1为本实用新型边缘计算网关的背板结构示意图；
34.图2为本实用新型边缘计算网关的外壳结构示意图。
35.附图标号说明：
[0036][0037][0038]
本实用新型目的的实现、功能特点及可点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
[0039]
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
[0040]
需要说明，若本实用新型实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
[0041]
另外，若本实用新型实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。
[0042]
本实用新型提出一种边缘计算网关。
[0043]
在本实用新型一实施例中，如图1所示，所述边缘计算网关包括：
[0044]
外壳；
[0045]
背板10，所述背板10设置于外壳中；
[0046]
核心控制板20，所述核心控制板20设置于所述背板10上；
[0047]
以太网通信板40，所述以太网通信板40设置于所述背板10上，所述以太网通信板40与所述核心控制板20通过所述背板10上的连接器电性连接；
[0048]
现场总线通信板30，所述现场总线通信板30设置于所述背板10上，所述现场总线通信板30与所述核心控制板20通过所述背板10上的连接器电性连接。
[0049]
核心控制板20、以太网通信板40和现场总线通信板30为边缘计算网关提供了有线通信和无线通信的功能，扩展了边缘计算网关的通信方式，使得用户能够根据实际的煤矿作业场景选用合适的通信方式，例如，当煤矿作业场景的现场控制设备、传感器等应用设备较少时，就可选用现场总线通信板30中的有线通信，减低通信连接的开支和布线设计。当煤矿作业场景的现场控制设备、传感器等应用设备较多时，为了避免过多的布线造成现场总线过于复杂的情况，就可选用核心控制板20中的无线通信，实现煤矿作业时对设备的远程遥控和大规模数据传输。
[0050]
具体地，如图2所示的，所述现场总线通信板30上设置有多个有线通信接口，所述有线通信接口包括包括rs-232总线接口、rs-485总线接口、can(controller area network，控制器局域网络)总线接口、数字量输入接口和数字量输出接口。
[0051]
通过rs-232总线接口能够实现20m以内的有线通信。但当有线通信的距离超过20m时，此时使用rs-232总线接口存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题，因此在无需外接其他通信协议的基础上，此时用户只需将rs-232总线换成rs-485总线，就能实现具有抑制共模干扰能力的有线通信。
[0052]
当存在大型的煤矿作业场景时，此时依旧无需外接其他通信协议，只需将rs-485总线换成can总线，就能实现可靠的通信连接。
[0053]
通过数字量输入接口和数字量输出接口，方便核心控制板20向外界设备进行命令的发送和读取。
[0054]
另外，现场总线通信板30上的接口都与边缘计算网关的系统电路是电气隔离的，避免长距离的有线通信对系统电路的运行造成影响。
[0055]
具体地，如图1所示的，所述以太网通信板40包括设备电源输入电路50；
[0056]
所述设备电源输入电路50，用于为边缘计算网关提供主要供电和备用电源输入，即能够为本实施例中的核心控制板和现场总线通信板进行供电。
[0057]
在本实施例中，存在两个设备电源输入电路50，即第一设备电源输入电路和第二设备电源输入电路。
[0058]
第一设备电源输入电路和第二设备电源输入电路都是用于为边缘计算网关的系统进行直接供电的，为了避免电磁干扰的影响，第一设备电源输入电路和第二设备电源输入电路的输出端还连接了emc(electro magnetic compatibility，电磁兼容性)保护电路，用于增加边缘计算网关的系统的抗扰度。
[0059]
不同的是，第二设备电源输入电路作为备用电源输入，避免在第一设备电源输入电路突然掉电，导致的系统功能停滞未能及时保存关键数据。
[0060]
而本实施例分两路电源进行供电的目的是为了避免当以太网通信模块60出现故障时，其故障会影响到边缘计算网关的系统的正常运行。
[0061]
进一步的，所述以太网通信板40还包括以太网通信模块60，所述以太网通信模块60包括作为有线通信接口的千兆以太网双绞线通信模块和千兆以太网光纤通信模块；
[0062]
所述千兆以太网双绞线通信模块和千兆以太网光纤通信模块接收设备电源输入电路输入的电压；
[0063]
所述千兆以太网双绞线通信模块配备了pse(power sourcing equipment，供电端设备)设备功能，通过pse设备功能向外部的pd(power device，受电端设备)设备提供对应
的供电功率，另外，千兆以太网双绞线通信模块内部还存在继电器电路，用于在外部的pd设备发生异常掉地时为边缘计算网关提供警示功能；
[0064]
所述千兆以太网光纤通信模块配备了sfp(small form-factor pluggable，小型可插拔)收发器接口功能，可将千兆位电信号转化为千兆位光信号，进而实现系统数据的收发。
[0065]
其中，系统数据可指煤矿作业的终端设备所采集的大量传感器信息、数字开关量、图像数据、音视频数据等数据，也可指核心控制板20处理后的传感器信息、数字开关量、图像数据、音视频数据等数据。
[0066]
另外，poe电源控制板通过排针焊接在所述以太网通信板40上。
[0067]
poe电源控制板上采用了工规级poe协议芯片，用于识别外部的pd设备的poe国际标准协议，并针对pd设备进行分级，以控制pse设备为pd设备提供对应的供电功率，同时实时监测pd设备的供电状态，当pd设备出现超载或者短路的现象时，能够及时控制pse设备停止对pd设备的供电，并对pd设备进行重新的识别和检测。
[0068]
具体地，如图1所示的，所述核心控制板20包括cpu控制单元70和可拔插处理模块80；
[0069]
所述cpu(central processing unit，中央处理器)控制单元70与所述可拔插处理模块80、现场总线通信板30以及以太网通信板40进行双向连接；
[0070]
所述cpu控制单元70，用于动态处理所述所述可拔插处理模块80、现场总线通信板30以及以太网通信板40上发的系统数据，例如现场总线通信板30上传的系统数据，并对系统数据进行对应的存储和检测，例如将接收的系统数据通过可拔插处理模块80上发至云系统服务器中，实现了系数据的集中处理；
[0071]
所述可拔插处理模块80使得用户能够根据实际的煤矿作业场景进行不同的功能设置，只需将对应的功能卡插入可拔插处理模块80的卡槽中，就能达到灵活扩展边缘计算网关的功能的效果，避免为实现对应的功能而不得不安置大量的终端设备的情况，节省了智慧矿山的建设成本。
[0072]
进一步的，所述cpu控制单元70包括arm芯片、dram芯片、emmc芯片和温湿度传感器芯片；
[0073]
所述arm(advanced risc machines，高级精简指令集处理器)芯片、dram(dynamic random access memory，动态随机存取存储器)芯片、emmc(embedded multi media card，嵌入式多媒体卡)芯片和温湿度传感器芯片分别安置在所述cpu控制单元70的内部。
[0074]
cpu控制单元70上采用的处理器是工规级高性能arm芯片，能够支持linux和android操作系统，同时支持二次开发；
[0075]
dram芯片作为系统内存功能，用于暂存边缘计算网关的系统运行时产生的临时数据；
[0076]
emmc芯片作为边缘计算网关的系统非易失性存储功能，用于存储系统运行时生成的相关文件；
[0077]
温湿度传感器芯片用于实时监测终端设备的运行状态和运行环境，提高设备运行的可靠性。
[0078]
例如通过zigbee卡，使得温湿度传感器芯片能够对上传有关终端设备的运行状态
和运行环境进行处理，判断终端设备的运行是否正常，若正常，则不向与cpu控制单元70连接的警示器输出激活信号，若不正常，则向与cpu控制单元70连接的警示器输出激活信号，以激活警示器发出提示声，达到提示用户当前终端设备存在使用风险的情况。
[0079]
进一步的，所述可拔插处理模块80包括边缘智能加速卡、5g通信卡、wi-fi通信卡、zigbee(紫峰协议)卡和uwb(ultra wide band，超宽带)卡；
[0080]
所述边缘智能加速卡、5g通信卡、wi-fi通信卡分别与所述cpu控制单元70进行双向连接；
[0081]
所述边缘智能加速卡、5g通信卡、wi-fi通信卡分别与所述cpu控制单元进行信息数据交互；
[0082]
所述zigbee卡和uwb卡的输出端分别与所述cpu控制单元70的输入端；
[0083]
所述边缘智能加速卡，用于实现智慧矿山的智能学习、模型训练的处理器模块，能够实现系统数据的本地高效处理，其高ai(artificial intelligence，人工智能)算力，即人工智能算力，可以高效运行前沿技术的算法程序，比如人形识别、人脸识别、姿态识别、物体移动侦测等算法，使得边缘计算网关能够实时监控煤矿作业人员的状态，还能实现煤矿作业的无人作业和自动化作业，。
[0084]
其中，5g通信卡用于无线通信，5g技术具有“高速率、低延时、大连接”的技术特点，能够实现煤矿作业时对终端设备的实时远程遥控和大规模数据传输。wi-fi通信卡同样用于无线通信，wi-fi通信在建设成本和使用成本上相对于5g通信更低，应用范围广，使用方式便捷，适合短距离高速率通信。
[0085]
而zigbee通信卡和uwb通信卡相对于为cpu提供了技术支持，其中zigbee通信卡具有低功耗、安全性高、可连接设备数量多的技术特点，适合边缘计算网关与大量的微小传感器自组网，能够实时监测煤炭开采时的环境，减少安全事故的发生。
[0086]
uwb通信卡可实现对井下人、机的实时精确定位，保障作业人员和物资的安全。
[0087]
具体地，如图2所示的，该边缘计算网关包括外壳和壳体；
[0088]
所述外壳由前面板1、上盖2、下壳5、左侧板3、右侧板4、后盖6和导轨7组成，所述前面板1上设有可供壳体外露的开口，所述前面板1侧边还设有左侧板3和右侧板4的螺丝孔，所述上盖2设有出气孔，所述上盖2和下壳5侧边分别设有左侧板3和右侧板4的螺丝孔，所述左侧板3和所述右侧板4表面有矩阵型凹槽，有利于增加散热面积，提升边缘计算网关设备在高温环境下作业的可靠性和安全性，所述后盖6上设有螺母用于固定连接所述导轨7，使得边缘计算网关设备能够纵向安装至网络机柜，减小占用的网络机柜体积，所述后盖6侧边还设有螺丝孔用于固定左侧板3和右侧板4；
[0089]
所述壳体包括背板10，背板10上的接口和扩展口通过前面板1上的开口外露。
[0090]
实施例
[0091]
通过核心控制板中的可拔插处理模块的通信接口、现场总线通信接口和/或以太网通信功能对煤矿作业的终端设备进行传感器信息、数字开关量、图像数据、音视频数据等系统数据进行采集，并将采集到的系统数据传输至cpu控制单元，通过cpu控制单元对系统数据的处理，将待计算的系统数据发送至边缘智能加速卡中进行存储、加密、计算和分析，实现高效的本地数据处理，并将处理后的系统数据返回至cpu控制单元中，通过与cpu控制单元相连的无线通信接口和/或以太网通信功能将处理后的系统数据上传至云系统服务器
中，减少无效冗余的系统数据的传输，实现工业通信功能的高效性。
[0092]
以上所述仅为本实用新型的可选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是在本实用新型的实用新型构思下，利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本实用新型的专利保护范围内。