CN212413185U - 一种智能监测边缘网关 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种智能监测边缘网关，包括主板、通讯模块、蓝牙及WiFi模组、中央处理器、AI计算卡模块、LoRa网关模块、内存模组、SIM卡卡槽及外接接口，主板包括上层核心主板和下层核心主板，通讯模块、蓝牙及WiFi模组、LoRa网关模块、SIM卡卡槽集成在上层核心主板上，外接接口并排设于上层核心主板的一侧；中央处理器、AI计算卡模块、内存模组集成在下层核心主板上，上层核心主板和下层核心主板通过内部连接接头连接。该智能监测边缘网关串口布局合理，集成度高，数据通讯多样化，相对于目前的监测终端设备而言具有更高的性能，更快的运行速度，更加强大的计算能力以及更好的兼容性，而且有着更低的功耗。

Description

一种智能监测边缘网关

技术领域

本实用新型涉及计算机网关技术领域，尤其是一种智能监测边缘网关。

背景技术

随着科学技术和社会经济的日益发展，各类水工建筑物、地下建、构筑物、大型桥梁、高层建筑物(地铁、隧道、高速铁路、大型桥梁、水工大坝、超高层建筑)的修建越来越多，因此对高精度工程测量技术要求也越来越高，尤其是变形监测领域对监测数据必须要求具其实时性、连续性。对设备也必须具有高效率、自动化、智能化等需求。现如今变形监测新设备不断涌现，能实现兼容测量机器人和传感器的监测终端已经存在，但是有的监测项目需要大量监测设备，目前的监测终端仍存在接口设置不合理，接口不足，供电模块不合理，在处理分析监测数据问题上仍有不足。

为了解决变形监测的问题，人们设计了很多种监测的方案，如CN104613885A，一种隧道内管道监测预警系统；CN1050919151A，一种闸站水工建筑物变形监测及状态预警方法；CN105157596A，一种智能电力排管变形监测系统及方法；CN203414079U，智能型多点位移监测预警装置等，这些方案都将各种监测传感器集成，用于变形监测或者预警。但是这些监测装置一般都有如下弊端：

(1)难以保证实时性要求全部数据上传至计算中心进行处理，其处理速度受到网络带宽、中心计算能力、总计算任务量等多因素的影响，这很难满足应急情况下的及时响应及安全预警；

(2)对网络环境过度依赖。尽管我国4G网络覆盖率已经超过95％，但仍存在高山峡谷等无法保证网络质量的区域，而部分项目所在地区网络信号较差，在这些场景中其难以提供可靠的监测数据。因此不能有效地适用于条件较为恶劣的野外环境。

(3)兼容性差、集成方式落后，只能接入单一监测设备。

(4)通讯方式有限，不能适应各种监测环境。

(5)通讯协议复杂，不利于监测系统的稳定性。

(6)智能性不够，依赖服务器命令，遇到通讯不稳定的特殊环境或突发情况会造成系统停止运行和数据丢失。

实用新型内容

针对上述技术问题，本实用新型提出了一种智能监测边缘网关，该智能监测边缘网关串口布局合理，不仅解决了在变形监测领域的硬件高度集成化，数据通讯多样化，以及智能化、专业化、强适用等技术问题，而且相对于目前的监测终端设备而言具有更高的性能，更快的运行速度，更加强大的计算能力以及更好的兼容性，而且有着更低的功耗。

一种智能监测边缘网关，包括主板、通讯模块、蓝牙及WiFi模组、中央处理器、AI计算卡模块、LoRa网关模块、内存模组、SIM卡卡槽及外接接口，所述主板包括上层核心主板和下层核心主板，所述通讯模块、蓝牙及WiFi模组、LoRa网关模块、SIM卡卡槽集成在上层核心主板上，外接接口并排设于上层核心主板的一侧；所述中央处理器、AI计算卡模块、内存模组集成在下层核心主板上，所述上层核心主板和下层核心主板通过内部连接接头连接。

作为上述技术方案的优选，所述外接接口包括GPRS接口、电源接口、调试网口、WiFi接口以及两个通用串口。

作为上述技术方案的优选，所述主板采用Windows系统核心主板。

作为上述技术方案的优选，所述中央处理器采用X86架构CPU。

作为上述技术方案的优选，所述通用串口支持RS232和RS485格式。

作为上述技术方案的优选，还包括多个不同类型的预留接口，所述预留接口和内部连接接头并排集成于下层核心主板上。

作为上述技术方案的优选，还包括电源模块，所述电源模块集成于下层核心主板上。

作为上述技术方案的优选，还包括指示灯，所示指示灯包括电源指示灯和系统指示灯。

作为上述技术方案的优选，所述内存模组支持空间拓展，空间拓展最大为1TB。

本实用新型的有益效果在于：

1、Windows系统核心主板及内置软件，确保计算机网关的智能性，能在通讯中断时，保证监测系统正常运行，并储存数据，通讯恢复后上传，确保数据100％安全。

2、设置蓝牙及WiFi模组、调试网口及GPRS接口，确保本终端能采用多种通讯方式，极大的适应了工程状况，并能灵活的节约成本。

3、设置两个通用串口，确保本终端能接入现有主流监测设备，简化集成、节约成本。

4、内存模组可扩展至1TB，使本终端能应对海量数据。

5、通讯协议简洁、稳定，确保监测系统稳定、减少服务器负载。

6、中央处理器采用X86架构CPU，在确保设备以较低的功耗实现高速运行及更好兼容性。

7、程序内置分类器、规则模型、机器学习模型可实时数据进行分析，并得出决策指令下发至感知端。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为上层核心主板结构示意图。

图3为下层核心主板结构示意图。

图4为本实用新型的工作原理图。

附图标记如下：1-通讯模块、2-蓝牙及WiFi模组、3-中央处理器、4-AI计算卡模块、5-LoRa网关模块、6-内存模组、7-SIM卡卡槽、8-上层核心主板、9-下层核心主板、10-内部连接接头、11-GPRS接口、12-电源接口、13-调试网口、14-WiFi接口、15-通用串口、16-预留接口、17-电源模块、18-电源指示灯、19-系统指示灯。

具体实施方式

下面结合附图详细描述本实施例。

如图1至图3所示的一种智能监测边缘网关，包括主板、通讯模块1、蓝牙及WiFi模组2、中央处理器3、AI计算卡模块4、LoRa网关模块5、内存模组6、SIM卡卡槽7及外接接口，所述主板包括上层核心主板8和下层核心主板9，所述通讯模块1、蓝牙及WiFi模组2、LoRa网关模块5、SIM卡卡槽7集成在上层核心主板8上，外接接口并排设于上层核心主板8的一侧；所述中央处理器3、AI计算卡模块4、内存模组6集成在下层核心主板9上，所述上层核心主板8和下层核心主板9通过内部连接接头10连接。其中，SIM卡卡槽7延伸至计算机网关外部，SIM卡从外部插入。

其中，LoRa网关模块5严格遵循LoRaWAN协议，低成本、流量免费。同时LoRaWAN生态圈良好，开源设计，极大降低了设备成本；和WiFi一样，工作在非授权频段，流量免费；标准化，互联互通，LoRaWAN是国际标准，它实现各厂家设备的“互联互通”，这给用户带来了很大的灵活自主性；智能化，自带定位，LoRaWAN的TDOA(到达时间差)可以实现较精确的定位(20-200米)；不依赖于GPS/BLE/WiFi。因此，大幅降低硬件成本，实现更好的节能。

所述AI计算卡模块4无需外部缓存的模块化深度神经网络学习加速器，用于高性能边缘计算领域，可深度学习运算和AI算法加速；外形小巧，极低功耗，拥有着强劲算力，配套完整易用的模型训练工具、网络训练模型实例，搭配专业智能边缘计算网关平台，可进行复杂的高密度计算。

在本实施例中，所述外接接口包括GPRS接口11、电源接口12、调试网口13、WiFi接口14以及两个通用串口15。其中，GPRS接口11连接GPRS天线，电源接口12将电源转换器与终端分离，与适配器连接，调试网口13通过网线接入英特网或者局域网或者与电脑直连，WiFi接口14连接WiFi和有线网络，通用串口15用于连接外部监测设备，该计算网关支持2G/3G/4G移动网、无线网、有线网、光纤以及局域网多种通讯方式。

在本实施例中，所述主板采用Windows系统核心主板，Windows系统核心主板内置软件，确保计算机网关的智能性，主板的内置软件能控制监测设备、读取和存储监测数据、检查监测状态、检查网络状态和自动上传监测数据，通过软件定制还能进一步的满足特殊要求。

在本实施例中，所述中央处理器3采用X86架构CPU，相对于目前的监测终端设备而言具有更高的性能，更快的运行速度，更加强大的计算能力以及更好的兼容性，而且有着更低的功耗。

在本实施例中，所述通用串口15支持RS232和RS485格式，能够兼容目前主流的绝大多数测量机器人和监测传感器。

在本实施例中，还包括多个不同类型的预留接口16，所述预留接口16和内部连接接头10并排集成于下层核心主板9上。预留接口16为该计算机网关的功能拓展留下可能。

在本实施例中，还包括电源模块17，所述电源模块17集成于下层核心主板9上，在不连接外部电源的情况下，为计算机网关的正常运行提供电能。

在本实施例中，还包括指示灯，所示指示灯包括电源指示灯18和系统指示灯19。其中，电源指示灯18有1个，用于显示电源连通状态；系统指示灯19有6个，用于显示系统运行状态。

在本实施例中，所述内存模组6支持空间拓展，空间拓展最大为1TB，能够保证海量数据的正常存储。

如图4所示，该智能监测边缘网关(以下简称“边缘网关”)实现流程如下：首先边缘网关需要接入终端设备并对终端设备进行有效的管理，在接入众多的终端设备后，感知终端会将环境量、变形、渗流等监测数据发送至边缘网关，边缘网关再将数据进行分析、存储和清洗，优化后的数据再转发至服务器云平台。同时，服务器云平台运算得到的模型会下发至边缘网关，边缘网关依照此模型对实时数据进行处理。服务器云平台通过不断采集的数据实现增量学习，并定期下发新的学习模型到边缘网关。以水库大坝智能监测系统为例，边缘网关的具体工作流程如下：

(1)多设备接入和管理

考虑到现场监测终端设备来源自不同的厂商，设备类型也不尽相同(主要有差阻式、振弦式等)，其使用的连接协议和接口不同，因此该边缘网关提供了不同类型的接入方式，可以通过RS232总线或者RS485总线与各类岩土环境传感器或者测量机器人等终端设备连额吉，实现同时采集水位、雨量、温度、渗流、变形等监测数据。

终端设备接入边缘网关后，大量数据从感知终端发送上来，在感知终端和边缘网关组成的局域网内，可能存在大量数据格式不一、发送协议不同的数据，边缘网关无法将这种数据直接存储或分析，而需将异构数据转换成相同数据格式后，再对数据做进一步处理、分析和打包等操作，因此，提供的边缘网关设备需要具备数据转换功能，将终端设备的多种类型数据批量转换为同种规范的标准数据格式。

在连接终端设备之后，还需要管理局域网内的终端设备，包括终端设备的序列号、连接状态、节点信息等，组成一张设备管理表。

(2)数据分析和清洗

数据分析和清洗是水库大坝智能监测系统边缘网关的重要功能，感知端传感器采集的大量数据上传至边缘网关中，边缘网关需要对这些数据做筛选、存储、聚合和优化等操作，提高数据质量，压缩数据大小，再上传至服务器云平台，极大减少传输成本。数据分析和清洗主要对数据进行如下一些操作，包括缺失值处理、数据滤波、识别离群点以及纠正数据序列中不一致的数据。

(3)信息决策和规则计算

倍息决策和规则计算是边缘网关智能化的体现。基于数据分析和清洗的结果，可以在边缘网关中使用分类器、规则模型、机器学习模型等对简单的实时数据进行分析，并得出决策指令下发至感知终端。对于大量复杂数据，边缘网关通过光纤/WiFi/4G上传到服务器云平台，再由服务器云平台下发训练好的计算模型至边缘网关。

(4)安全状况实时预警

边缘网关进行采集数据分析过程中，当变形、渗流、应力应变等数据出现异常时，可通过短信、电话、Email、声光或者移动端APP消息(移动端APP消息由边缘网关或者服务器云平台通过WiFi/4G进行传输)等形式通知水库管理员，从而实现警情的及时预报。

以上仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种智能监测边缘网关，其特征在于：包括主板、通讯模块、蓝牙及WiFi模组、中央处理器、AI计算卡模块、LoRa网关模块、内存模组、SIM卡卡槽及外接接口，所述主板包括上层核心主板和下层核心主板，所述通讯模块、蓝牙及WiFi模组、LoRa网关模块、SIM卡卡槽集成在上层核心主板上，外接接口并排设于上层核心主板的一侧；所述中央处理器、AI计算卡模块、内存模组集成在下层核心主板上，所述上层核心主板和下层核心主板通过内部连接接头连接。

2.根据权利要求1所述的一种智能监测边缘网关，其特征在于：所述外接接口包括GPRS接口、电源接口、调试网口、WiFi接口以及两个通用串口。

3.根据权利要求1所述的一种智能监测边缘网关，其特征在于：所述主板采用Windows系统核心主板。

4.根据权利要求1所述的一种智能监测边缘网关，其特征在于：所述中央处理器采用X86架构CPU。

5.根据权利要求2所述的一种智能监测边缘网关，其特征在于：所述通用串口支持RS232和RS485格式。

6.根据权利要求1所述的一种智能监测边缘网关，其特征在于：还包括多个不同类型的预留接口，所述预留接口和内部连接接头并排集成于下层核心主板上。

7.根据权利要求1所述的一种智能监测边缘网关，其特征在于：还包括电源模块，所述电源模块集成于下层核心主板上。

8.根据权利要求1所述的一种智能监测边缘网关，其特征在于：还包括指示灯，所示指示灯包括电源指示灯和系统指示灯。

9.根据权利要求1所述的一种智能监测边缘网关，其特征在于：所述内存模组支持空间拓展，空间拓展最大为1TB。

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