CN114640899B - 一种基于物联网的边缘盒子 - Google Patents

Abstract

本发明涉及边缘计算技术技术领域，公开了一种基于物联网的边缘盒子，壳体内部设有硬件电路板，沿内环体的径向在其外圆周壁上设有多个初级翅片，内环体通过初级翅片与外环体连接，且在相邻的两个初级翅片侧壁之间设有多个热管，在内环体内部固定有铜柱；底板上开有多个溢流孔，在底板上间隔设置多个引流翅片，底板中部设有导向管，导向管上端连接有多个分流管，在壳体外壁的上段开有多个排风孔，在壳体外壁下段开有多个进风孔。本发明采用无风扇的散热结构，实时对硬件电路板上的元器件进行散热工序，并利用边缘盒子内部的差压，在不断引进空气的同时，将热量快速外排，以确保边缘盒子内部元器件的正常工作。

Description

一种基于物联网的边缘盒子

技术领域

本发明涉及边缘计算技术领域，涉及一种基于物联网的边缘盒子。

背景技术

随着智慧城市建设在如火如荼地进行着，边缘计算的应用需求也越来越多，传统的云计算已经无法满足现今许多场景下的应用计算，减少终端延迟的边缘计算应运而生。边缘盒子是面向边缘计算场景打造的集硬件设备、软件管理系统及算法模型为一体的AI解决方案,硬件整体成盒子造型，采用宽温，整体式无风扇被动散热设计；相比传统的服务器，边缘盒子机身轻巧，通过采用摆放、壁挂安装等方式灵活部署在现场，更能适应现场的部署环境。

软件管理系统主要用于管理系统的参数及设置，将硬件设备，算法模型，场景需求结合，从而实现智能AI识别或决策等功能，主要包括：配置前端采集的摄像机设备，根据应用场景制定工作任务，绑定算法模型，设置算法模型参数，将算法分析结果经物联网推送到指定服务器等功能。边缘盒子具备以下优势：实现缓解网络宽带压力及后台结构化对服务器的要求；提高智能场景的落地效率和复制速度；对存量终端设备快速AI赋能,提高了海量数据处理能力；有效管理设备到云端的数据流，降低用户隐私泄露风险；并且边缘盒子内部的硬件集成在一起，为确保边缘盒子的稳定性，需要在其内部设置散热结构，以便整个硬件设备的正常工作。现有的散热结构大都依靠风冷模式进行降温，采用间接接触冷却的方式进行，传热过程复杂，存在接触热阻及对流换热热阻，热阻总和大、换热效率较低，需要较低的室外低温热源引导换热过程进行，对于由多台服务器构成的高热流密度的数据中心，仅靠风冷模式散热，已经不足以满足边缘盒子使用时的散热要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于物联网的边缘盒子，解决现有技术中边缘盒子内高度集成的硬件散热不佳的问题。

本发明的目的通过以下述技术方案来实现，包括壳体，壳体内部设有硬件电路板，壳体外壁设有与硬件电路板电连接的接口模块，在所述硬件电路板上方设有散热系统，所述散热系统包括同轴的内环体与外环体，沿内环体的径向在其外圆周壁上设有多个初级翅片，内环体通过初级翅片与外环体连接，且在相邻的两个初级翅片侧壁之间间隔设置有多个热管，在内环体内部固定有铜柱；

还包括设置在外环体上端面的底板，底板上开有多个溢流孔，且每一个溢流孔正对相邻两个热管之间的间隙，在底板上间隔设置多个同轴且呈环形的引流翅片，底板中部设有与内环体内部连通且与引流翅片同轴的导向管，导向管上端连接有多个水平放置的分流管，在壳体外壁的上段开有多个与分流管对应的排风孔，在壳体外壁的下段开有多个进风孔。

边缘计算盒子面向边缘计算场景打造的集硬件设备、软件管理系统及算法模型为一体的AI解决方案，且通过与物联网操作系统互通，以实现智能AI识别或决策等功能，其中边缘盒子中的算法模型主要包括：人员识别（性别、年龄、衣着、穿戴物等）、人员行为（奔跑、摔倒、徘徊、抽烟、打电话等）、车辆（汽车\摩托车\电瓶车识别、车型、车牌、颜色等）、周界、消防（火焰、烟雾、消防设施等）等；其中与之互联的物联网操作系统是指以操作系统内核(可以是 RTOS、Linux 等)为基础，包括如文件系统、图形库等较为完整的中间件组件，具备低功耗、安全、通信协议支持和云端连接能力的软件平台；但是正是由于边缘盒子具备超强的算力，其内部集成的硬件电路板的产热需要散热结构实时对其进行外排，传统的风冷散热的散热效率不佳，同时还会产生噪音与振动，进而影响硬件电路板及集成在其上的各种硬件和软件。针对上述缺陷，申请人设计出一种基于物联网的边缘盒子，采用无风扇的散热结构，实时对硬件电路板上的元器件进行散热工序，并利用边缘盒子内部的差压，在不断引进空气的同时，将热量快速外排，以确保边缘盒子内部元器件的正常工作。

具体操作时，硬件电路板上集成有AI芯片、通信模块等元器件，在运算时产生热量加热空气产生多股热气流，而散热系统位于硬件电路板的正上方，其中，硬件电路板的外围区域所产生的第一股热气流上升，多个热管以及初级翅片直接与该股热气流接触，并进行热传导同时进行初级散热，完成初级散热的气流继续上升，被引流翅片导引至壳体顶部；而在内环体内设置的铜柱正对硬性电路板的中部，即能集中对硬性电路板中的元器件进行处理，并且铜柱的导热性能要高出铝制的翅片，因此，铜柱能对硬性电路板中部以及其中部辐射的部分元器件进行热传导，且铜柱将热量传导至内环体中上部后，底板将内环体上端封堵，由导向筒将内环体与壳体内部上端连通，会对该区域内的空气进行加热，形成的第二股热气流经导向筒移动至壳体内部上端，经多个分流管的导向后，水平向靠近排风孔的方向移动，与经溢流孔上升的气流混合后，由于壳体内外有差压，温度高于壳体外部空气温度的混合气流直接被外排出壳体，进而实现对硬性电路板的散热降温处理。

需要说明的是，在硬件电路板的元器件最大产热效率与散热系统的散热效率保持平衡时，整个边缘盒子即能保证正常的工作，而本技术方案中，散热系统通过铝制的初级翅片与引流翅片的二级传导，并且配合铜柱超越铝制翅片的导热性能，分别对硬件电路板的中心区域与四周区域进行同步的热传导，同时利用热管快速的蒸发与冷凝切换效率，最终将硬件电路板上的热量分成两部分，在分流管的分流导引导后汇聚在壳体内部上端，并利用壳体内外的差压，能快速将热气流外排，同时位于壳体底部的进风孔能实时补充空气。本技术方案，能在无噪音、常温状态下保证边缘盒子的软硬件正常工作。

多个所述引流翅片的轴向长度沿内环体的径向由内向外递减。进一步地，位于硬件电路板周边的热量在与空气混合后穿过初级翅片，穿过溢流孔后则进入至环形的引流翅片中，多个引流翅片的轴向长度沿内环体的径向由内向外递减，能使得在底板上方能形成多个高度递减的热气流传导通道，使得热气流在不同高度的引流翅片中上移时的其携带的热量呈衰减趋势，即距分流管最远端的引流翅片内上移的热气流中携带的热量最大，而局分流管最近的引流翅片内上移的热气流中携带的热量最小；诸多热气流传导通道位于分流管的外侧端，经铜柱导热而形成的热气流的流速以及含有的热量，明显要大于经热管冷却后由引流翅片上端排出的热气流的流速以及含有的热量，即分流管中的热气流能在一定程度上驱动多股由引流翅片内上升且携带热量呈递增状态的热气流朝排气孔中移动，避免热管、初级翅片以及铜柱所传导的热量在壳体内无序混合或是产生相互干扰，确保硬件电路板上各元器件产生的热量能实时外排。通过分流管的驱动、以及多个轴向高度递交的引流翅片对不同类型的热气流的有序导引，能有效避免壳体内部上方的多股热气流之间相互干扰，防止热气流在壳体内部上端聚集而导致局部温度过高。

在每一个引流翅片的上端面均竖直设有导流板，且导流板上端沿水平面朝远离导向管的方向倾斜。作为优选，设置在引流翅片上端面的导流板上端部沿水平面朝远离导向管的方向倾斜，即能引导经二次传导后的热气流能朝排风孔的方向靠近，同时增加热气流在引流翅片中的留存时长，进而增加热气流的散热效果。

所述初级翅片在竖直方向上的高度小于所述外环体的轴向长度，且初级翅片的下端面与外环体的下端面齐平，所述热管的蒸发段置于相邻的两个初级翅片之间，所述热管的冷凝段通过填充层固定在外环体的上段，且填充层的上端面与外环体的上端面齐平。进一步地，在外环体与内环体之间的环空部分设有填充层，其主要目的是充分利用多个热管的蒸发段与初级翅片的吸热传导能力，并且将硬件电路板的产热集中导向传导能力更为优秀的铜柱上，铜柱上传导的热量在内环体内部上段形成热气流，该部分热气流的流速以及携带的热量偏大，经导向管、分流管的引导后作用至由引流翅片中上升的热气流上，并对之产生驱动力，能将其裹挟后移动出排风孔。其中，填充层同样由导热材料制成，且填充层的导热性能低于初级翅片的导热性能。

所述硬件电路板的侧壁通过隔热板与壳体内壁连接，沿外环体的轴向在其下端面开有至少两个定位孔，壳体底部设有导柱，导柱上端依次贯穿隔热板、定位孔后与底板下表面连接。进一步地，硬件电路板通隔热板与壳体内壁连接，使得各元器件因工作产生的热量不会直接传导至壳体上，并且通过导柱依次将隔热板、内环体以及底板连接成一个整体，利于边缘盒子内部的优化布局。

还包括多个设置填充层内且与热管匹配的定位筒，定位筒下端面固定在相邻的两个所述初级翅片上端，热管的中部与所述定位筒胀接。进一步地，在对散热结构进行生产制造时，多个热管的蒸发段依次经内环体上端面、定位筒后插入至相邻的两个初级翅片之间，直至热管的蒸发段下端与初级翅片的底面齐平，此时热管的中部与定位筒胀接，热管的冷凝段置于内环体上端且由填充层对其进行固定，此时在实现初级翅片与热管复合的同时，还通过填充层将热管、初级翅片以及内环体复合成一个整体。

所述铜柱的轴向长度为所述内环体轴向长度的二分之一。作为优选，铜柱的轴向长度为内环体轴向长度的二分之一，使得铜柱具备足够的热量传导载体，同时也方便传导的热量在内环体上段形成热气流，并保证该热气流具备足够的流速与热量对引流翅片上方的热流起到驱动的效果。

所述进风孔与所述排风孔的轴线均沿水平面朝远离硬件电路板的方向竖直向下倾斜。作为优选，倾斜设置的进风孔与排风孔，能引导热气流顺利排出的同时，还能降低新空气进入至壳体内部的阻力。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1. 本发明采用无风扇的散热结构，实时对硬件电路板上的元器件进行散热工序，并利用边缘盒子内部的差压，在不断引进空气的同时，将热量快速外排，以确保边缘盒子内部元器件的正常工作；

2. 本发明中设置在引流翅片上端面的导流板上端部沿水平面朝远离导向管的方向倾斜，即能引导经二次传导后的热气流能朝排风孔的方向靠近，同时增加热气流在引流翅片中的留存时长，进而增加热气流的散热效果；

3. 本发明通过与物联网操作系统互通，以实现智能AI识别或决策等功能，其中边缘盒子中的算法模型主要包括：人员识别（性别、年龄、衣着、穿戴物等）、人员行为（奔跑、摔倒、徘徊、抽烟、打电话等）、车辆（汽车\摩托车/电瓶车识别、车型、车牌、颜色等）、周界、消防（火焰、烟雾、消防设施等）等。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2为散热座的结构示意图。

附图标记所代表的为：1-壳体，2-底板，3-溢流孔，4-填充层，5-导向管，6-分流管，7-引流翅片，8-内环体，9-热管，10-定位筒，11-排风孔，12-初级翅片，13-外环体，14-硬件电路板，15-隔热板，16-导柱，17-进风孔，18-定位孔，19-铜柱。

具体实施方式

实施例1

如图1和图2所示，本实施例包括壳体1，壳体1内部设有硬件电路板14，壳体1外壁设有与硬件电路板14电连接的接口模块，在所述硬件电路板14上方设有散热系统，所述散热系统包括同轴的内环体8与外环体13，沿内环体8的径向在其外圆周壁上设有多个初级翅片12，内环体8通过初级翅片12与外环体13连接，且在相邻的两个初级翅片12侧壁之间间隔设置有多个热管9，在内环体8内部固定有铜柱19；还包括设置在外环体13上端面的底板2，底板2上开有多个溢流孔3，且每一个溢流孔3正对相邻两个热管9之间的间隙，在底板2上间隔设置多个同轴且呈环形的引流翅片7，底板2中部设有与内环体8内部连通且与引流翅片同轴的导向管5，导向管5上端连接有多个水平放置的分流管6，在壳体1外壁的上段开有多个与分流管6对应的排风孔11，在壳体1外壁的下段开有多个进风孔17。

具体操作时，硬件电路板14上集成有AI芯片、通信模块等元器件，在运算时产生热量加热空气产生多股热气流，而散热系统位于硬件电路板14的正上方，其中，硬件电路板14的外围区域所产生的第一股热气流上升，多个热管9以及初级翅片12直接与该股热气流接触，并进行热传导同时进行初级散热，完成初级散热的气流继续上升，被引流翅片导引至壳体1顶部；而在内环体8内设置的铜柱19正对硬性电路板的中部，即能集中对硬性电路板中的元器件进行处理，并且铜柱19的导热性能要高出铝制的翅片，因此，铜柱19能对硬性电路板中部以及其中部辐射的部分元器件进行热传导，且铜柱19将热量传导至内环体8中上部后，底板2将内环体8上端封堵，由导向筒将内环体8与壳体1内部上端连通，会对该区域内的空气进行加热，形成的第二股热气流经导向筒移动至壳体1内部上端，经多个分流管6的导向后，水平向靠近排风孔11的方向移动，与经溢流孔3上升的气流混合后，由于壳体1内外有差压，温度高于壳体1外部空气温度的混合气流直接被外排出壳体1，进而实现对硬性电路板的散热降温处理。

需要说明的是，在硬件电路板14的元器件最大产热效率与散热系统的散热效率保持平衡时，整个边缘盒子即能保证正常的工作，而本技术方案中，散热系统通过铝制的初级翅片12与引流翅片的二级传导，并且配合铜柱19超越铝制翅片的导热性能，分别对硬件电路板14的中心区域与四周区域进行同步的热传导，同时利用热管9快速的蒸发与冷凝切换效率，最终将硬件电路板14上的热量分成两部分，在分流管6的分流导引导后汇聚在壳体1内部上端，并利用壳体1内外的差压，能快速将热气流外排，同时位于壳体1底部的进风孔17能实时补充空气。本实施例能在无噪音、常温状态下保证边缘盒子的软硬件正常工作。

在壳体1外壁上还设有与硬性电路板电连接的接口模块，接口模块包括网络、TF卡、USB、视频、音频、电源、调试等硬件接口，实现用于连接不同的前端设备，采集、存储或是传输相关的各类信号；具备核心功能的系统芯片（SOC），内存芯片，SPI闪存，eMMC存储器等铺设在硬件电路板14的中部。其中，在边缘盒子还设置了软件接口、SDK等，方便根据实际应用场景做二次开发。

作为优选，铜柱19的周向长度为内环体8轴向长度的二分之一，使得铜柱19具备足够的热量传导载体，同时也方便传导的热量在内环体8上段形成热气流，并保证该热气流具备足够的流速与热量对引流翅片上方的热流起到驱动的效果。

作为优选，倾斜设置的进风孔17与排风孔11，能引导热气流顺利排出的同时，还能降低新空气进入至壳体1内部的阻力。

实施例2

如图1和图2所示，本实施例在实施例1的基础之上，对起到二级散热功能的引流翅片进行更深一步的限定。

即本实施例设定多个所述引流翅片的轴向长度沿内环体8的径向由内向外递减。位于硬件电路板14周边的热量在与空气混合后穿过初级翅片12，穿过溢流孔3后则进入至环形的引流翅片中，多个引流翅片的轴向长度沿内环体8的径向由内向外递减，能使得在底板2上方能形成多个高度递减的热气流传导通道，使得热气流在不同高度的引流翅片中上移时的其携带的热量呈衰减趋势，即距分流管6最远端的引流翅片内上移的热气流中携带的热量最大，而距分流管6最近的引流翅片内上移的热气流中携带的热量最小；诸多热气流传导通道位于分流管6的外侧端，经铜柱19导热而形成的热气流的流速以及含有的热量，明显要大于经热管9冷却后由引流翅片上端排出的热气流的流速以及含有的热量，即分流管6中的热气流能在一定程度上驱动多股由引流翅片内上升且携带热量呈递增状态的热气流朝排气孔中移动，避免热管9、初级翅片12以及铜柱19所传导的热量在壳体1内无序混合或是产生相互干扰，确保硬件电路板14上各元器件产生的热量能实时外排。

通过分流管6的驱动、以及多个轴向高度递交的引流翅片对不同类型的热气流的有序导引，能有效避免壳体1内部上方的多股热气流之间相互干扰，防止热气流在壳体1内部上端聚集而导致局部温度过高。

其中，本实施例中的初级翅片12在竖直方向上的高度小于所述外环体13的轴向长度，且初级翅片12的下端面与外环体13的下端面齐平，所述热管9的蒸发段置于相邻的两个初级翅片12之间，所述热管9的冷凝段通过填充层4固定在外环体13的上段，且填充层4的上端面与外环体13的上端面齐平。

在外环体13与内环体8之间的环空部分设有填充层4，其主要目的是充分利用多个热管9的蒸发段与初级翅片12的吸热传导能力，并且将硬件电路板14的产热集中导向传导能力更为优秀的铜柱19上，铜柱19上传导的热量在内环体8内部上段形成热气流，该部分热气流的流速以及携带的热量偏大，经导向管5、分流管6的引导后作用至由引流翅片中上升的热气流上，并对之产生驱动力，能将其裹挟后移动出排风孔11。

作为优选，填充层4同样由导热材料制成，且填充层4的导热性能低于初级翅片12的导热性能。

作为优选，设置在引流翅片上端面的导流板上端部沿水平面朝远离导向管5的方向倾斜，即能引导经二次传导后的热气流能朝排风孔11的方向靠近，同时增加热气流在引流翅片中的留存时长，进而增加热气流的散热效果。

实施例3

如图1和图2所示，本实施例在实施例1的基础之上，本实施例还包括多个设置填充层4内且与热管9匹配的定位筒10，定位筒10下端面固定在相邻的两个所述初级翅片12上端，热管9的中部与所述定位筒10胀接；所述硬件电路板14的侧壁通过隔热板15与壳体1内壁连接，沿外环体13的轴向在其下端面开有至少两个定位孔18，壳体1底部设有导柱16，导柱16上端依次贯穿隔热板15、定位孔18后与底板2下表面连接。硬件电路板14通隔热板15与壳体1内壁连接，使得各元器件因工作产生的热量不会直接传导至壳体1上，并且通过导柱16依次将隔热板15、内环体8以及底板2连接成一个整体，利于边缘盒子内部的优化布局。

在对散热结构进行生产制造时，多个热管9的蒸发段依次经内环体8上端面、定位筒10后插入至相邻的两个初级翅片12之间，直至热管9的蒸发段下端与初级翅片12的底面齐平，此时热管9的中部与定位筒10胀接，热管9的冷凝段置于内环体8上端且由填充层4对其进行固定，此时在实现初级翅片12与热管9复合的同时，还通过填充层4将热管9、初级翅片12以及内环体8复合成一个整体。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种基于物联网的边缘盒子，包括壳体（1），壳体（1）内部设有硬件电路板（14），壳体（1）外壁设有与硬件电路板（14）电连接的接口模块，其特征在于：在所述硬件电路板（14）上方设有散热系统，所述散热系统包括同轴的内环体（8）与外环体（13），沿内环体（8）的径向在其外圆周壁上设有多个初级翅片，内环体（8）通过初级翅片与外环体（13）连接，且在相邻的两个初级翅片侧壁之间间隔设置有多个热管（9），在内环体（8）内部固定有铜柱（19）；

还包括设置在外环体（13）上端面的底板（2），底板（2）上开有多个溢流孔（3），且每一个溢流孔（3）正对相邻两个热管（9）之间的间隙，在底板（2）上间隔设置多个同轴且呈环形的引流翅片（7），底板（2）中部设有与内环体（8）内部连通且与引流翅片同轴的导向管（5），导向管（5）上端连接有多个水平放置的分流管（6），在壳体（1）外壁的上段开有多个与分流管（6）对应的排风孔（11），在壳体（1）外壁的下段开有多个进风孔（17）；

多个所述引流翅片的轴向长度沿内环体（8）的径向由内向外递减；

所述初级翅片在竖直方向上的高度小于所述外环体（13）的轴向长度，且初级翅片的下端面与外环体（13）的下端面齐平，所述热管（9）的蒸发段置于相邻的两个初级翅片之间，所述热管（9）的冷凝段通过填充层（4）固定在外环体（13）的上段，且填充层（4）的上端面与外环体（13）的上端面齐平。

2.根据权利要求1所述的一种基于物联网的边缘盒子，其特征在于：在每一个引流翅片的上端面均竖直设有导流板，且导流板上端沿水平面朝远离导向管（5）的方向倾斜。

3.根据权利要求1所述的一种基于物联网的边缘盒子，其特征在于：所述硬件电路板（14）的侧壁通过隔热板（15）与壳体（1）内壁连接，沿外环体（13）的轴向在其下端面开有至少两个定位孔（18），壳体（1）底部设有导柱（16），导柱（16）上端依次贯穿隔热板（15）、定位孔（18）后与底板（2）下表面连接。

4.根据权利要求1所述的一种基于物联网的边缘盒子，其特征在于：还包括多个设置填充层（4）内且与热管（9）匹配的定位筒（10），定位筒（10）下端面固定在相邻的两个所述初级翅片上端，热管（9）的中部与所述定位筒（10）胀接。

5.根据权利要求1所述的一种基于物联网的边缘盒子，其特征在于：所述铜柱（19）的轴向长度为所述内环体（8）轴向长度的二分之一。

6.根据权利要求1至5任一项所述的一种基于物联网的边缘盒子，其特征在于：所述进风孔（17）与所述排风孔（11）的轴线均沿水平面朝远离硬件电路板（14）的方向竖直向下倾斜。

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