CN211454577U - 一种通用并行异构边缘计算装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种通用并行异构边缘计算装置，属于物联网领域。该装置包括外设接口、并行计算单元、网络模块、供电模块；所述的外设接口与并行计算单元相连，组成操作系统模块；所述的操作系统模块中的并行计算单元可以并联多个并行计算单元以满足计算需求；所述的网络模块分别与所有的并行计算单元相连；所述的供电模块分别与并行计算单元、网络模块相连，负责提供电源。本实用新型能够实现物联网平台前端跨操作系统的低功耗异构边缘计算，满足计算需求的同时，实现去中心化、多接口等功能，节省了数据的传输时间和成本。

Description

一种通用并行异构边缘计算装置

技术领域

本实用新型涉及一种通用并行异构边缘计算装置，属于物联网领域。

背景技术

当前，各行各业信息化系统都在不停地产生数据，如城市视频监控系统、交通信息管理系统、园区出入管理系统、校园运营管理平台等，如何将这些数据资产价值进行充分挖掘和应用是一个重要课题。

传统的云计算中心多分布于大中城市，无法覆盖广袤的三四线城市，且以云端为中心的方式存在网络传输压力大、延时高、功耗高、数据安全风险大、前端建设成本高等缺点，去中心化的，能适应多种应用场景需求的低功耗边缘计算平台显得越发重要。

随着物联网技术的发展，对平台通讯前端进行边缘计算的要求越来越迫切。开发人员希望在前端选择不同分析算法及应用软件，将结构化计算结果回传，充分发挥前端采集数据的价值，大大缓解网络传输压力，降低数据延迟，增强数据安全。

目前，边缘计算主要是在物联网设备上进行实现的，由于设备本身计算效率不高，且无法实现多操作系统的软件、算法间的调用，因而应用价值不是很大。

发明内容

有鉴于此，本实用新型的目的是提出一种通用并行异构边缘计算装置，用于为前端设备提供多算法和系统调用、多外设接口、多应用场景，实现物联网平台的低功耗边缘计算。

为达到上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种通用并行异构边缘计算装置，包括外设接口、并行计算单元、网络模块、供电模块，其特征在于：所述的外设接口与并行计算单元相连，组成操作系统模块；所述的操作系统模块中的并行计算单元可以并联多个并行计算单元以满足计算需求；所述的网络模块分别与所有的并行计算单元相连；所述的供电模块分别与并行计算单元、网络模块相连，负责提供电源。

进一步，所述的操作系统模块的数量大于等于二，其数量取决于装置上运行得操作系统的数量，且多个操作系统模块之间采用并联的结构连接；所述的操作系统模块中的并行计算单元以及与其并联的多个并行计算单元之间通过网络模块实现相互间的通讯，以操作系统模块中的并行计算单元为主进行任务分配，协同进行任务处理。

进一步，所述的并行计算单元为基于CPU和GPU相结合且带有内存的并行计算机。为了更好的实现远程通讯能力，其中一个并行计算单元最好具备4G/5G移动通信网络或卫星通信接入能力。

进一步，所述的网络模块为带有RJ45的有线网卡模块或无线网卡模块中的任意一个或两个；该网络模块可以直接与物联网设备相连接，通过网络进行通讯。

进一步，所述的外设接口为包含TYPE-C、USB、Ethernet、Micro SD、Display Port、UART等接口中的两种以上的接口，根据用户需求合理选择接口配置。其中，TYPE-C接口可应用于外接触摸屏；Display Port用于外接显示屏，支持双屏显示；Micro SD卡用于扩展装置存储能力；USB可应用于连接鼠标、键盘等通用外设；UART接口支持串口通信协议，用于接收和处理物联网设备的数据。

用户可以通过云端服务器的外设以及外设接口所连接的输入设备对物联网设备进行直接控制。

数据处理过程中，物联网设备首先将数据通讯传输到与其相连接的外设接口或者网络模块；外设接口或者网络模块将接收到的数据上传到对应的并行计算单元的内存中；然后并行计算单元调用软件或算法对数据进行处理，将计算结果通过网络模块上传到云端服务器；同时，并行计算单元还可以根据计算结果和云端服务器的指令对物联网设备进行控制。

本实用新型的有益效果：本实用新型采用并联的操作系统模块和并联的并行计算单元实现了物联网平台前端跨操作系统的低功耗并行异构边缘计算，满足计算需求的同时，可灵活部署于缺少网络、供电等环境下，实现了去中心化、多接口等功能，节省了数据的传输时间和成本，降低数据延迟，增强数据安全。

附图说明

为了使本实用新型的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本实用新型提供如下附图进行说明：

图1为本实用新型一种通用并行异构边缘计算装置构架图；

图2为本实用新型实施例1中基于本实用新型的监测系统构架图；

图3为本实用新型实施例2中基于本实用新型的物联网平台构架图，其中：1为云端服务器，2为云端服务器数据库，3和7为一种通用并行异构边缘计算装置，4和8为本地数据库，5、6、9为物联网设备；

图4为本实用新型实施例3中四个通用并行异构边缘计算模块装置电路示意图，其中：F1、F2、F3、F4分别为单个通用并行异构边缘计算装置模块的底座；

图5为本实用新型实施例3中单个通用并行异构边缘计算模块电路示意图，其中：P0为供电接口，P1为网络接口，P2为外设接口。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点与功效。本实用新型还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本实用新型的基本构想，遂图式中仅显示与本实用新型中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例1：分布在各地的机房通常很长时间都处于无人值守的情形，为了防止机房事故的发生，通常需要对机房安装监控系统，现针对带有1个温度模块和2个摄像头的机房，本实施例1提供基于通用并行异构边缘计算装置的监测系统，构架图如图2所示，包括外设接口1、外设接口2、并行计算单元1、并行计算单元2、并行计算单元3、并行计算单元4、网络模块、供电模块、温度模块1、摄像头1、摄像头2。其特征在于，所述的外设接口1分别与并行计算单元1、温度模块1相连，组成操作系统模块1；所述的操作系统模块1中的并行计算单元1并联了一个并行计算单元3以满足计算需求；所述的外设接口2分别与并行计算单元2相连，组成操作系统模块2；所述的操作系统模块2中的并行计算单元2并联了一个并行计算单元4以满足计算需求；所述的网络模块分别与所有的并行计算单元相连；所述的网络模块含有无线网卡和有线网卡两个模块，分别通过无线网络或有线网络与摄像头1、摄像头2相连；所述的供电模块分别与并行计算单元、网络模块相连，负责提供电源；所述的并行计算单元1和并行计算单元2中的一个含有4G/5G移动通信网络。

进一步，所述的外设接口1为包含Display Port、Micro SD、UART接口各1个；其中，Display Port用于外接显示屏，用来实时显示机房温度；Micro SD卡用于扩展装置存储能力，以便存储温度数据；UART接口支持串口通信协议，连接温度模块1，用于接收和处理温度模块1的数据。所述的外设接口2包含Micro SD接口两个；其中，Micro SD卡用于扩展装置存储能力，用来存储对应摄像头拍摄机房视频图像数据。

基于通用并行异构边缘计算装置的监测系统中，由于图像处理通常在Linux操作系统中比较方便，因此安装了Linux操作系统的并行计算单元2和并行计算单元4对机房的摄像头1、摄像头2采集的图像进行处理，而安装了Android操作系统的并行计算单元1和并行计算单元3用来对温度模块1进行数据分析更有利于温度的输出显示与用户触屏操作交互等。

进行监测时，摄像头1、摄像头2实时将数据通讯传输到与其相连接的网络模块；网络模块将接收到的数据上传到对应的并行计算单元2和并行计算单元4的内存中；然后并行计算单元2和并行计算单元4调用深度学习算法对视频数据进行处理，将计算结果通过网络模块上传到云端，并将原始数据存储在Micro SD卡。温度模块1实时将数据通讯传输到与其相连接的外设接口1；外设接口1将接收到的数据上传到对应的并行计算单元1和并行计算单元3的内存中；然后并行计算单元1和并行计算单元3调用滤波算法对温度数据进行处理，将计算结果通过网络模块上传到云端，并将原始数据存储在Micro SD卡。

当机房发生人物活动或火灾等特定事件时，基于通用并行异构边缘计算装置的监测系统的计算结果会达到事件响应的数值范围，并行计算单元通过对比结果可直接作出事件响应，驱动摄像头进行录像或者通过4G/5G移动通信网络发送短信通知机房管理人员。

实施例2：考虑用户采用远程访问云端服务器实时获取物联网设备的状况，需要在物联网设备端对数据先进行处理后再上传，本实施例2提供基于云端和通用并行异构边缘计算装置的物联网系统，架构图如图3所示，包括：云端服务器1，云端数据库2，边缘计算装置3和7，本地数据库4和8，物联网设备5和6，终端9。其特征在于，所述的云端服务器1分别与云端数据库2、边缘计算装置3和边缘计算装置7相连；所述的边缘计算装置3分别与本地数据库4、物联网设备5、物联网设备6相连；所述的边缘计算装置7分别与本地数据库8、终端9相连。

进一步，所述的边缘计算装置3和边缘计算装置7都为一种通用并行异构边缘计算装置，包括外设接口、并行计算单元、网络模块、供电模块，其特征在于：所述的外设接口与并行计算单元相连，组成操作系统模块；所述的操作系统模块中的并行计算单元可以并联多个并行计算单元以满足计算需求；所述的网络模块分别与所有的并行计算单元相连；所述的供电模块分别与并行计算单元、网络模块相连，负责提供电源。所述的操作系统模块的数量大于等于二，其数量取决于装置上运行得操作系统的数量，且多个操作系统模块之间采用并联的结构连接。所述的并行计算单元为基于CPU和GPU相结合且带有内存的并行计算机。所述的网络模块为带有RJ45的有线网卡模块或无线网卡模块中的任意一个或两个；该网络模块可以直接与物联网设备相连接，通过网络进行通讯。所述的外设接口为包含TYPE-C、USB、Ethernet、Micro SD、Display Port、UART等接口中的两种以上的接口，根据用户需求合理选择接口配置。其中，TYPE-C接口可应用于外接触摸屏；Display Port用于外接显示屏，支持双屏显示；Micro SD卡用于扩展装置存储能力；USB可应用于连接鼠标、键盘等通用外设；UART接口支持串口通信协议，用于接收和处理物联网设备的数据。

当用户通过终端9的网络远程访问云端服务器对物联网设备5的状态进行访问时，云端服务器向边缘计算装置3和边缘计算装置7广播访问指令，边缘计算装置3和边缘计算装置7对访问指令进行匹配；边缘计算装置3的外设接口或者网络模块接收到访问指令后，通过边缘计算装置3的并行计算单元驱动对应的物联网设备进行数据采集。物联网设备5将实时采集的数据传输到与其相连接的边缘计算装置3的外设接口或者网络模块，外设接口或者网络模块将接收到的数据上传到对应的边缘计算装置3的并行计算单元的内存中；然后边缘计算装置3的并行计算单元调用软件或算法对数据进行处理，将计算结果通过边缘计算装置3的网络模块上传到云端服务器1，并存储到云端数据库2中，同时，也将计算结果通过边缘计算装置3的外设接口存储到本地数据库4中。

实施例3：考虑到在物联网设备前端使用本实用新型的成本和扩展等因素，通常在制作本实用新型的PCB板时考虑使用不超过7个并行计算单元，当单个PCB无法满足性能时可灵活进行扩展，具体的PCB电路图和元器件个数可以根据实际需求予以优化。本实施例3提供一种四个通用并行异构边缘计算模块装置，如图4所示，包括四个通用并行异构边缘计算模块的底座(F1、F2、F3、F4)，外设接口1，外设接口2，网络模块和供电模块。所述的通用并行异构边缘计算模块的底座F1和F2分别与外设接口1和外设接口2相连，以便在该装置上运行双操作系统；所述的四个通用并行异构边缘计算模块的底座(F1、F2、F3、F4)分别与网络模块和供电模块相连。如图5所示，单个通用并行异构边缘计算模块由4个并行计算单元和3个排线接口(P0，P1，P2)构成。

进一步，所述的并行计算单元为基于CPU和GPU相结合且带有内存的并行计算机。为了更好的实现远程通讯能力，并行计算单元最好具备4G/5G移动通信网络或卫星通信接入能力。

进一步，所述的网络模块为带有RJ45的有线网卡模块或无线网卡模块中的任意一个或两个；该网络模块可以直接与物联网设备相连接，通过网络进行通讯。

进一步，所述的外设接口为包含TYPE-C、USB、Ethernet、Micro SD、Display Port、UART等接口中的两种以上的接口，根据用户需求合理选择接口配置。其中，TYPE-C接口可应用于外接触摸屏；Display Port用于外接显示屏，支持双屏显示；Micro SD卡用于扩展装置存储能力；USB可应用于连接鼠标、键盘等通用外设；UART接口支持串口通信协议，用于接收和处理物联网设备的数据。

当前端设备较少时，即单个通用并行异构边缘计算模块能够满足计算要求时，只需要在底座上安装单个通用并行异构边缘计算模块。当前端设备较多时，用户可以根据计算能力的需求增加通用并行异构边缘计算模块的安装数量，本实施案例最大支持4个通用并行异构边缘计算模块的扩展。需要明白的是，本实用新型并不局限于4个通用并行异构边缘计算模块的扩展。

上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。

Claims (4)

1.一种通用并行异构边缘计算装置，包括外设接口(1)、并行计算单元(2)、网络模块(3)、供电模块(4)，其特征在于：所述的外设接口(1)与并行计算单元(2)相连，组成操作系统模块；所述的操作系统模块中的并行计算单元(2)可以并联多个并行计算单元(2)以满足计算需求；所述的网络模块(3)分别与所有的并行计算单元(2)相连；所述的供电模块(4)分别与所有的并行计算单元(2)、网络模块(3)相连。

2.根据权利要求1所述的一种通用并行异构边缘计算装置，其特征在于：所述的操作系统模块的数量大于等于二，其数量取决于装置上运行的操作系统的数量，且多个操作系统模块之间采用并联的结构连接。

3.根据权利要求1所述的一种通用并行异构边缘计算装置，其特征在于：所述的并行计算单元(2)为基于CPU和GPU相结合且带有内存的并行计算机。

4.根据权利要求1所述的一种通用并行异构边缘计算装置，其特征在于：所述的网络模块(3)为带有RJ45的有线网卡模块或无线网卡模块中的任意一个或两个；该网络模块(3)可以直接与物联网设备相连接，通过网络进行通讯。

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