CN214247288U - 一种基于国产mcu芯片的用于抽油机边缘计算的控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于国产MCU芯片的用于抽油机边缘计算的控制器，涉及电子电路技术领域。提出了一种可有效解决因云端的物联网的网络时延、拥塞等固有特性，而带来的不能及时响应现场异常情况问题的基于国产MCU芯片的用于抽油机边缘计算的控制器。包括壳体以及设置在壳体内的电源板、MCU核心板、Zigbee无线通信模块、4G无线通信模块；所述MCU核心板为国产龙芯1B处理器，MCU核心板连接云端信息化数据；MCU核心板连接压变、温变以及载荷传感器；MCU核心板连接位置开关；MCU核心板连接电量仪表以及变频器。在设备故障诊断，寿命预测和工艺优化等方面提供科学指导，大大降低了设备的故障率，提升了产油量，降低了运维成本。

Description

一种基于国产MCU芯片的用于抽油机边缘计算的控制器

技术领域

本实用新型涉及电子电路技术领域，特别涉及用于抽油机边缘计算的控制器结构领域。

背景技术

石油和天然气工业，从原油开采到油气集输，需要高效可靠的技术和系统来监测生产运行情况，及时发现异常并进行处理，提高安全生产水平。近年来，由于Zigbee无线传感器具有小型化、低速率、低功耗、快速部署、便于维护的特点，在油气工业数据监测和生产控制方面得到了广泛应用。基于物联网的油田生产数据在线监测系统，由智能感知层、网络层、服务资源层和应用层组成，通常在智能感知层对采集的异构数据打包，通过网络层发送至远端服务器层，在远端应用层进行协议解析和异常数据处理，同时在云端进行控制指令下发。但是基于云端的物联网应用，由于网络时延、拥塞，不能及时响应现场异常情况。

实用新型内容

本实用新型针对以上问题，提出了一种可有效解决因云端的物联网的网络时延、拥塞等固有特性，而带来的不能及时响应现场异常情况问题的基于国产MCU芯片的用于抽油机边缘计算的控制器，解决了油田抽油机智能控制问题，提供“一井一策”的控制策略，提高产油效能。

本实用新型的技术方案为：包括壳体以及设置在壳体内的电源板200、MCU核心板100、Zigbee无线通信模块300、4G无线通信模块400；所述MCU核心板100和电源板200均与总线连接，由电源板200作为控制器工作的电源输入模块，向控制器进行供电；

所述MCU核心板100为国产龙芯1B处理器，所述MCU核心板100上设有至少一个RS232接口、至少一个以太网接口以及多个RS485接口；所述MCU核心板100通过集成的RS232接口与4G无线通信模块400进行双向连接；所述Zigbee无线通信模块300集成在MCU核心板100上、且与MCU核心板100中的一个RS485接口进行双向连接；

所述壳体外还固定连接有4G天线500以及Zigbee天线600，所述4G天线500连接4G无线通信模块400，所述Zigbee天线600连接Zigbee无线通信模块300；

所述MCU核心板100经过4G无线通信模块400以及4G天线500连接云端信息化数据；所述MCU核心板100经过Zigbee无线通信模块300以及Zigbee天线600连接压变、温变以及载荷传感器；所述MCU核心板100通过以太网接口连接位置开关；所述MCU核心板100通过RS485接口连接电量仪表以及变频器。

所述电源板200上设有24V输入接口、24V输出接口以及5V输出接口，所述电源板200的24V输入接口、24V输出接口与外部电源连接，所述电源板200的5V输出接口与总线相连接。

所述MCU核心板100上还设有多路数字输入接口、多路数字量输出接口以及多路模拟量输入接口。

所述MCU核心板100上还设有用于连接SD卡存储设备的SD卡接口。

所述MCU核心板100上还设有LED指示灯。

所述Zigbee天线600通过 SMA母头固定安装在壳体上，所述4G无线通信模块400安装于MCU核心板100的一侧，所述4G天线500通过 SMA母头固定安装在壳体上。

所述Zigbee无线通信模块300、4G无线通信模块400同时集成在控制器上，二者可同时工作。

本实用新型针对云端物联网的问题，利用边缘计算提供计算和存储能力，使应用、服务和内容实现本地化部署，满足业务低时延、海量连接的需求，缓解网络负载压力。在油田物联网应用中，云计算和边缘计算之间可以相互协作和补充，实现云端计算下沉至边缘端，实现业务本地化，降低能耗，避免了因网络拥塞和中断时造成的服务中断和数据丢失。通过在边缘端实现异常数据检测和逻辑控制，降低生产安全风险，解决了油田抽油机智能控制问题，提供“一井一策”的控制策略，提高产油效能。

本实用新型中边缘计算控制器负责油井实时数据的采集，为关键的信息提供存储和备份，提供历史数据查询、分析等功能。采用新型存储设备与固态硬盘的混合搭建模式，在保障性能的前提下，降低硬件成本，并使用混合架构下的软硬件协同的数据处理方式，充分发挥不同存储硬件的性能特点，优化整体存储性能，提高了控制器的数据处理能力，根据存储的电工图，示功图时序数据，采用基于AI分析的智能决策技术，在设备故障诊断，寿命预测和工艺优化等方面提供科学指导，大大降低了设备的故障率，提升了产油量，降低了运维成本。

附图说明

图1是本案的电路结构示意图，

图2是本案的结构示意图，

图3是本案的实施方式示意图；

图中100是MCU核心板，200是电源板，300是Zigbee无线通信模块，400是4G无线通信模块，500是4G天线，600是Zigbee天线。

具体实施方式

为能清楚说明本专利的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本专利进行详细阐述。

本实用新型如图1-3所示，用于抽油机边缘计算的控制器包括壳体以及设置在壳体内的电源板200（MORNSUN-6WR3 Power）、MCU核心板100（龙芯1B）、Zigbee无线通信模块300（Digi Zigbee无线通信模块）、4G无线通信模块400（EC20 4G无线通信模块）；所述MCU核心板100和电源板200均与总线（BUS）连接，由电源板200作为控制器工作的电源输入模块，向控制器进行供电；

所述MCU核心板100为国产龙芯1B处理器，所述MCU核心板100上设有至少一个RS232接口、至少一个以太网接口（ETH）以及多个RS485接口；所述MCU核心板100通过集成的RS232接口与4G无线通信模块400进行双向连接；所述Zigbee无线通信模块300集成在MCU核心板100上、且与MCU核心板100中的一个RS485接口进行双向连接；由控制器的MCU核心板100负责与Zigbee无线通信模块300的通信；

所述壳体外还固定连接有4G天线500以及Zigbee天线600，所述4G天线500连接4G无线通信模块400，所述Zigbee天线600连接Zigbee无线通信模块300；

所述MCU核心板100经过4G无线通信模块400以及4G天线500连接云端信息化数据；所述MCU核心板100经过Zigbee无线通信模块300以及Zigbee天线600连接压变、温变以及载荷传感器；所述MCU核心板100通过以太网接口连接位置开关；所述MCU核心板100通过RS485接口连接电量仪表以及变频器。

根据本实用新型中基于国产MCU的边缘计算控制器，在控制器内部集成4G通信模块，实现与云端信息系统的数据通信，并且采用国产MCU芯片，解决产品安全问题，通过内部集成的Zigbee无线模块，实现与载荷传感器、压力变送器和温度变送器的无线通信，有效通信距离100米。通过控制器的数据处理能力，实现油井工艺的边缘计算，根据油井运行参数，实时调整工作参数，实现“一井一策”的控制要求。

所述电源板200上设有24V输入接口、24V输出接口以及5V输出接口，所述电源板200的24V输入接口、24V输出接口与外部电源连接，所述电源板200的5V输出接口与总线相连接。

所述MCU核心板100上还设有多路数字输入接口（DI）、多路数字量输出接口（DO）以及多路模拟量输入接口（AI）。

所述MCU核心板100上还设有用于连接SD卡存储设备的SD卡接口。

所述MCU核心板100上还设有LED指示灯。

所述Zigbee天线600通过 SMA母头固定安装在壳体上，即可实现控制器与载荷传感器、压力变送器和温度变送器之间自组网，方便用户在无线短距离数据传输的方案中使用；所述4G无线通信模块400安装于MCU核心板100的一侧，所述4G天线500通过 SMA母头固定安装在壳体上，实现控制器与云端服务器的数据交互。

所述Zigbee无线通信模块300、4G无线通信模块400同时集成在控制器中，二者可同时工作。

需要说明的是，本实用新型中的Zigbee无线通信模块300是一种嵌入式无线数据传输模块，利用Zigbee网络为用户提供无线数据传输功能。无线Zigbee模块已广泛应用于物联网产业链中的 M2M 行业，如智能电网、智能交通、无线水气热表抄表、无线自动化数据采集、工业自动化、智能建筑、消防、公共安全、环境保护、气象、数字化医疗、遥感勘测、军事、空间探索、农业、林业、水务、煤矿、石化等领域。

本实用新型在传统抽油机控制器特点和性能的基础上针对远程测控做了优化：硬件上除具备传统控制器的输入采集、继电器控制、定时器和串口通信等功能外，增加了4G和Zigbee无线通信功能；并提供大容量存储空间和边缘计算能力，可以根据油井的控制工艺要求，实现“一井一策”的控制策略优化。

本实用新型具体实施途径很多，以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于国产MCU芯片的用于抽油机边缘计算的控制器，其特征在于，包括壳体以及设置在壳体内的电源板（200）、MCU核心板（100）、Zigbee无线通信模块（300）、4G无线通信模块（400）；所述MCU核心板（100）和电源板（200）均与总线连接，由电源板（200）作为控制器工作的电源输入模块，向控制器进行供电；

所述MCU核心板（100）为国产龙芯1B处理器，所述MCU核心板（100）上设有至少一个RS232接口、至少一个以太网接口以及多个RS485接口；所述MCU核心板（100）通过集成的RS232接口与4G无线通信模块（400）进行双向连接；所述Zigbee无线通信模块（300）集成在MCU核心板（100）上、且与MCU核心板（100）中的一个RS485接口进行双向连接；

所述壳体外还固定连接有4G天线（500）以及Zigbee天线（600），所述4G天线（500）连接4G无线通信模块（400），所述Zigbee天线（600）连接Zigbee无线通信模块（300）；

所述MCU核心板（100）经过4G无线通信模块（400）以及4G天线（500）连接云端信息化数据；所述MCU核心板（100）经过Zigbee无线通信模块（300）以及Zigbee天线（600）连接压变、温变以及载荷传感器；所述MCU核心板（100）通过以太网接口连接位置开关；所述MCU核心板（100）通过RS485接口连接电量仪表以及变频器。

2.根据权利要求1所述的一种基于国产MCU芯片的用于抽油机边缘计算的控制器，其特征在于，所述电源板（200）上设有24V输入接口、24V输出接口以及5V输出接口，所述电源板（200）的24V输入接口、24V输出接口与外部电源连接，所述电源板（200）的5V输出接口与总线相连接。

3.根据权利要求1所述的一种基于国产MCU芯片的用于抽油机边缘计算的控制器，其特征在于，所述MCU核心板（100）上还设有多路数字输入接口、多路数字量输出接口以及多路模拟量输入接口。

4.根据权利要求1所述的一种基于国产MCU芯片的用于抽油机边缘计算的控制器，其特征在于，所述MCU核心板（100）上还设有用于连接SD卡存储设备的SD卡接口。

5.根据权利要求1所述的一种基于国产MCU芯片的用于抽油机边缘计算的控制器，其特征在于，所述MCU核心板（100）上还设有LED指示灯。

6.根据权利要求1所述的一种基于国产MCU芯片的用于抽油机边缘计算的控制器，其特征在于，所述Zigbee天线（600）通过 SMA母头固定安装在壳体上，所述4G无线通信模块（400）安装于MCU核心板（100）的一侧，所述4G天线（500）通过 SMA母头固定安装在壳体上。

7.根据权利要求6所述的一种基于国产MCU芯片的用于抽油机边缘计算的控制器，其特征在于，所述Zigbee无线通信模块（300）、4G无线通信模块（400）同时集成在控制器上，二者可同时工作。

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