一种面向边缘计算网关的电源管理装置及方法与流程

本发明涉及边缘计算网关电源管理，具体是一种面向边缘计算网关的电源管理装置及方法。

背景技术：

1、边缘计算是一种分布式计算范式，它将计算资源放置在离数据源和终端设备更近的位置，以降低延迟和提高性能。了解边缘计算的原理和架构对于开发面向边缘计算的数据采集和处理方法至关重要。

2、在嵌入式系统中，低功耗设计是电源管理的核心。采用先进的低功耗组件、算法和硬件设计，以确保系统在高效能和长续航时间之间取得平衡。故障检测技术采用各种传感器，如电流传感器、电压传感器等，用于实时监测电源状态。综合考虑电源管理与故障检测技术，不仅有助于优化系统性能和能效，还提供了对电源健康状态的全面监测和管理。

3、现有的电源管理与故障检测技术在一些方面存在挑战。一方面，一些先进的电源管理技术在追求低功耗的同时可能影响系统性能，产生难以平衡的问题。复杂性也是一个普遍存在的问题，高级技术的实施可能涉及复杂的硬件和软件设计，增加了系统的设计和维护难度。此外，一些技术可能增加了硬件成本，对于成本敏感的应用构成限制。在实时性、可靠性和适应性方面，当前技术还存在一些限制，对于特定故障或异常情况的检测和响应可能不够迅速和可靠。综合而言，这些挑战表明电源管理与故障检测领域仍需要进一步研究和创新，以提高系统的可靠性、性能和适应性。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提出了一种面向边缘计算网关的电源管理装置及方法，实现在追求高效性能的同时保持低功耗状态，延长边缘计算网关续航时间。

2、为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现的：

3、本发明的一种面向边缘计算网关的电源管理装置，包括主板，所述电源管理装置位于所述主板上，包括控制器、继电器、按键、电压采集模块、电流采集模块、蜂鸣器和数个io板卡，其中，所述io板卡通过rj45接口接入主板，由主板供电，并通过rs485通信，io板卡与所述主板的连接可随时通断；

4、所述按键触发控制器向主板发送关机信号，所述主板执行关机流程，关机流程结束后，主板向控制器回传确认信号；

5、所述控制器通过电压采集模块、电流采集模块采集为主板供电的电压和电流信号，并根据电压、电流信号判断是否发生故障，若发生故障，则向主板发送关机信号，主板在接收到关机信号后执行关机流程。

6、本发明的进一步改进在于：数个io板卡分为6种类型，分别是模拟量输入板卡、模拟量输出板卡、模拟量输入输出板卡、数字量输入板卡、数字量输出板卡，数字量输入输出板卡。

7、本发明的进一步改进在于：控制器对主板的功率波动进行检测，并根据功率波动判断出io板卡的接入和退出，具体包括如下操作：

8、a1,利用万用表测量每个io板卡工作状态的电压和电流，并计算出io板卡的功率：

9、a2,控制器根据电流采集模块采集的电流信号、主板的功率波动，判断io板卡的接入和退出,具体包括：

10、a2.1,利用电流采集模块的电流互感器将为主板供电的电流信号转换为与电流成正比的电压信号，控制器的adc转换器对电压信号进行转换，得到电流值 ,利用电流值计算当前实时功率：

11、

12、采用卡尔曼滤波算法对实时功率进行滤波处理，其中为给定电源电压，为实时功率；

13、a2.2, 根据主板基准功率计算出波动百分比：

14、

15、设定功率波动阈值，当波动百分比超过设定功率波动阈值时，则判定有io板卡的接入或退出；

16、a2.3, 根据功率波动的方向以及数值，确定io板是接入还是退出，确定io板卡对应的类型，并更新主板接入io板卡的信息。

17、本发明的进一步改进在于：按键触发控制器向主板发送关机信号，具体包括：

18、b1, 将按键连接到控制器的gpio引脚，利用设定的电阻上拉；

19、b2, 配置gpio引脚为输入模式，设置中断上升沿触发进入中断服务函数；

20、b3, 进入中断服务函数，开启主板的关机流程；

21、b4, 初始化控制器串口通信程序，打开串口设备，同时配置波特率、数据位、停止位参数，使控制器与主板串口通信配置一致；

22、b5, 在中断服务函数中，通过串口调用hal_uart_transmit函数发送关机信号至主板，通知主板启动关机流程。

23、本发明的进一步改进在于：主板执行关机流程，关机流程结束后，主板向控制器回传确认信号，具体包括：

24、c1, 主板执行关机流程，包括主板通过串口接收通过自定义协议，即控制器通过串口发送的关机信号后，进行以下操作：保存关键数据，包含io板卡的注册信息、io板卡的工作模式以及io板卡的读写的电流电压数据、执行存储操作，将关键数据存入闪存中以确保数据完整性，与连接的io板卡进行通信，控制io板卡进入关机模式，在io板卡保存注册信息和状态后，向主板发送确认信号，表明关机流程已经成功执行，此时主板断开与io板卡的连接；

25、c2,关机流程完成，主板向控制器发送确认信号，具体包括：主板通过串口发送信号至控制器，确认已完成关机流程，并发出指令让控制器控制继电器断开；

26、c3, 继电器控制主板断电。

27、本发明的进一步改进在于：控制器通过电压采集模块、电流采集模块采集为主板供电的电压和电流信号，并根据电压、电流信号判断是否发生故障，若发生故障，则向主板发送关机信号，主板执行关机流程，具体包括：

28、d1, 所述控制器通过电压采集模块、电流采集模块采集为主板供电的电压信号、电流信号，具体包括：

29、电压采集模块将电压经过运算放大器转换为可被控制器的adc转换器检测的电压信号，adc转换器采集为主板供电的电压信号；

30、电流采集模块使用电流互感器将为主板供电的电流信号转换为与电流成正比的电压信号，电压信号通过adc转换器检测，得到为主板供电的电流信号；

31、d2, 控制器根据电压、电流的大小，控制主板进行断电，即进入关机流程，具体包括：

32、给定电源电压为，实时采集到的电压为，当满足：

33、

34、则视为无故障，等待按键触发进入关机流程；

35、若或，则判定为出现故障，电源不稳，启动主板关机流程，保护数据安全，同时控制蜂鸣器提示出现电源故障，

36、当采集到的电流小于等于主板最小电流时，表示io板卡未连接主板，且维持可设定时间t时后，则控制器控制主板启动关机流程。

37、本发明的一种面向边缘计算网关的电源管理方法，所述方法是基于电源管理装置实现的，所述电源管理装置包括主板、控制器、继电器、按键、电压采集模块、电流采集模块、蜂鸣器和数个io板卡，io板卡通过rj45接口接入主板，由主板供电，并通过rs485通信，io板卡与所述主板的连接可随时通断，所述方法包括如下操作步骤：

38、按键触发控制器发送开关机信号至主板；

39、主板执行关机流程并向控制器发回确认信号；

40、控制器通过电压采集模块、电流采集模块采集为主板供电的电压和电流信号，并根据电压、电流信号判断是否发生故障，若发生故障，则向主板发送关机信号，主板在接收到关机信号后执行关机流程，具体包括：

41、步骤1, 所述控制器通过电压采集模块、电流采集模块采集为主板供电的电压、电流信号，具体包括：

42、电压采集模块将电压经过运算放大器转换为可被控制器的adc转换器检测的电压信号，adc转换器采集为主板供电的电压信号；

43、电流采集模块使用电流互感器将为主板供电的电流信号转换为与电流成正比的电压信号，电压信号通过adc转换器检测，得到为主板供电的电流信号；

44、步骤2,控制器根据电压、电流的大小，控制主板进行断电，即进入关机流程，具体包括：

45、给定电源电压为，实时采集到的电压为，当满足：

46、，

47、则视为无故障，等待按键触发进入关机流程；

48、若或，则判定为出现故障，电源不稳，启动主板关机流程，保护数据安全，同时控制蜂鸣器提示出现电源故障；

49、当采集到的电流小于等于主板最小电流时，表示io板卡未连接主板，且维持可设定时间t时后，则控制器控制主板启动关机流程。

50、本发明的进一步改进在于：按键触发控制器发送开关机信号至主板，具体包括：

51、s1-1, 将按键连接到控制器的gpio引脚，利用设定的电阻上拉；

52、s1-2, 配置gpio引脚为输入模式，设置中断上升沿触发进入中断服务函数；

53、s1-3, 进入中断服务函数，开启主板的关机流程；

54、s1-4, 初始化控制器串口通信程序，打开串口设备，同时配置波特率、数据位、停止位参数，使控制器与主板串口通信配置一致；

55、s1-5, 在中断服务函数中，通过串口调用hal_uart_transmit函数发送关机信号至主板，通知主板启动关机流程。

56、本发明的进一步改进在于：主板执行关机流程并向控制器发回确认信号，具体包括：

57、s2-1，主板执行关机流程，包括主板通过串口接收控制器发送的关机信号后，进行以下操作：保存关键数据，包含io板卡的注册信息、io板卡的工作模式以及io板卡的读写的电流电压数据、执行存储操作，将数据存入闪存中以确保数据完整性，并与连接的io板卡进行通信，控制io板卡进入关机模式，在io板卡保存注册信息和状态后，向主板发送确认信号，表明关机流程已经成功执行，此时关闭与io板卡的连接；

58、s2-2，关机流程完成，主板向控制器发送确认信号，具体包括：主板通过串口发送信号至控制器，确认已完成关机流程，并发出指令让控制器控制继电器断开；

59、s2-3，继电器控制主板断电。

60、本发明的进一步改进在于：方法还包括控制器对主板的功率波动进行检测，并根据功率波动判断出io板卡的接入和退出，具体包括如下操作：

61、s3-1, 利用万用表测量每个io板卡工作状态的电压和电流，并计算出io板卡的功率：

62、s3-2,控制器根据电源的电流、主板的功率波动，判断io板卡的接入和退出,具体包括：

63、s3-2.1, 利用电流采集模块的电流互感器将为主板供电的电流信号转换为与电流成正比的电压信号，控制器的adc转换器对电压信号进行转换，得到电流值,利用电流值计算当前实时功率：

64、

65、采用卡尔曼滤波算法对实时功率进行滤波处理；

66、s3-2.2, 根据主板基准功率计算出波动百分比：

67、

68、设定功率波动阈值，当波动百分比超过设定功率波动阈值时，则判定有io板卡的接入或退出；

69、s3-2.3, 根据功率波动的方向以及数值，确定io板是接入还是退出，以及io板卡对应的类型，并更新io板卡接入信息；

70、其中，io板卡对应的类型分为：模拟量输入板卡、模拟量输出板卡、模拟量输入输出板卡、数字量输入板卡、数字量输出板卡，数字量输入输出板卡。

71、本发明的有益效果是：1、通过自定义的协议，控制器通过串口通信发送关机信号通知主板进行关机流程，主板执行玩关机前数据保存等工作后发送确认关机信息，实现主板、io板卡的延时关机，有利于主板的现场保护，实现安全稳定关机；

72、通过对继电器控制，实现主板电源通断控制，降低了边缘计算网关整体功耗；

73、通过对电流、电压的动态采集，实现主板的故障检测，提高装置工作稳定性；

74、通过对主板整体功率的实时采集，配合不同io板卡额定功率测试与存储，可以实现io板卡的插入、退出的实时判断，实现对io板卡高效管理。