2023AIoT智能邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)ECOM架構(gòu)及參考設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范

AIoT智能邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)ECOM架構(gòu)及參考設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范II目錄版權(quán)聲明 I編制說(shuō)明 II前言 III一、背景 1二、AIoT智能邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)ECOM系統(tǒng)架構(gòu)概述 1三、AIoT智能邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)ECOM模塊化參考設(shè)計(jì)規(guī)范 2（一）ECOM系統(tǒng)各模塊功能介紹 2核心模塊 2載板模塊 3管理模塊 3IO模塊 3功能模塊 3（二）ECOM系統(tǒng)各模塊化參考設(shè)計(jì)規(guī)范 3核心模塊 3載板模塊 4管理模塊 5功能模塊 6IO模塊 8（三）ECOM模塊化系統(tǒng)互聯(lián)架構(gòu) 8（四）ECOM架構(gòu)機(jī)箱規(guī)格和散熱方案 9四、基于AIoT智能邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)ECOM系統(tǒng)架構(gòu)產(chǎn)品的典型案例 11（一）百度基于ECOM架構(gòu)打造的智慧工地案例 11（二）騰訊基于ECOM架構(gòu)打造的智慧水務(wù)案例 12案例背景 12方案架構(gòu) 13邊緣計(jì)算在智慧水務(wù)中應(yīng)用效果 13一、背景開(kāi)放數(shù)據(jù)中心委員會(huì)邊緣計(jì)算工作組在2021年發(fā)布了《AIoT智能邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)技術(shù)規(guī)范》，技術(shù)規(guī)范作為邊緣計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)體系框架中“邊緣計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施”的重要部分，建議了面向物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景的現(xiàn)場(chǎng)級(jí)邊緣計(jì)算設(shè)備的技術(shù)實(shí)現(xiàn)和規(guī)AIoT智能邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)技術(shù)規(guī)范》中的系統(tǒng)架構(gòu)及硬件架構(gòu)規(guī)范要求，聯(lián)合邊緣計(jì)算工作組相關(guān)成員單位，牽頭制定了《AIoT智能邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)ECOM架構(gòu)及參考設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范》，從硬件架構(gòu)上進(jìn)行模塊化拆解，為邊緣智能網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)提供參考設(shè)計(jì)支持，便于在邊緣智能網(wǎng)關(guān)開(kāi)發(fā)過(guò)程中進(jìn)行規(guī)范化及標(biāo)準(zhǔn)化開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，降低重復(fù)開(kāi)發(fā)投入，縮短開(kāi)發(fā)周期，提升產(chǎn)品質(zhì)量。二、AIoT智能邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)ECOM系統(tǒng)架構(gòu)概述ECOM（EdgeComputingOptionalModular）系統(tǒng)為適應(yīng)智能邊緣網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品復(fù)雜多變的應(yīng)用場(chǎng)景需求將系統(tǒng)進(jìn)行模塊化拆解。使產(chǎn)品設(shè)計(jì)更加多樣、靈活、易于實(shí)現(xiàn)，可適應(yīng)室內(nèi)室外多種應(yīng)用場(chǎng)景。通過(guò)將計(jì)算平臺(tái)和IO模組、功能模組進(jìn)行架構(gòu)解耦，平臺(tái)模組及功能模組多重復(fù)用，基于不同的場(chǎng)景和應(yīng)用進(jìn)行環(huán)境適應(yīng)型設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)短、平、快的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)模式，高質(zhì)量的滿(mǎn)足各類(lèi)用戶(hù)的產(chǎn)品需求。通常ECOM系統(tǒng)可分為核心模塊、載板模塊、功能模塊、IO模塊、管理模塊等部分。圖2-1ECOM模塊圖1PAGEPAGE10AIoT網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品。圖2-2AIoT邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品三、AIoT智能邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)ECOM模塊化參考設(shè)計(jì)規(guī)范（一）ECOM系統(tǒng)各模塊功能介紹核心模塊CPUDIMM用于智能邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)的計(jì)算核心。每種平臺(tái)的計(jì)算核心遵循同樣的設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行模塊設(shè)計(jì)，可使得個(gè)模塊產(chǎn)品具有很高的通用性，利于產(chǎn)品的迭代和不同場(chǎng)景適配。載板模塊載板模塊根據(jù)配置和用途不同，可靈活設(shè)計(jì)，為核心模塊提供外圍接口及與其他模塊的通信。管理模塊管理模塊是一個(gè)微控制器子系統(tǒng)，執(zhí)行帶外的管理功能，例如固件更新、遠(yuǎn)程管理、性能監(jiān)控等。IOIO，ECOMIOPCIeIOIO通信、算力卡等功能模組。功能模塊AIoT智能邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)會(huì)應(yīng)用到各類(lèi)通信、計(jì)算功能模塊。通過(guò)對(duì)不同模塊的兼容，實(shí)現(xiàn)不同場(chǎng)景下的功能適配。（二）ECOM系統(tǒng)各模塊化參考設(shè)計(jì)規(guī)范AIoT臺(tái)通常在TDP50W算小型化邊緣服務(wù)器系統(tǒng)參考架構(gòu)及技術(shù)規(guī)范》。核心模塊CPUDIMM用于邊緣計(jì)算產(chǎn)品的計(jì)算核心。每種平臺(tái)的計(jì)算核心遵循同樣的設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行模塊設(shè)計(jì)，可使得個(gè)模塊產(chǎn)品具有很高的通用性，利于產(chǎn)品的迭代和不同場(chǎng)景適配。AIoT智能邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)在硬件平臺(tái)的選擇上具有多面性。基于x86、ARM、PowerPC、RSIC-V等架構(gòu)的多種應(yīng)用處理單元可供選擇。AIoT本規(guī)范推薦用戶(hù)選擇泛用性較廣的協(xié)議規(guī)范進(jìn)行硬件開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，例如：COMe、So-DIMM、Q7COMeType712So-DIMMPCIe、LAN、SATAAIoT3-1圖3-1核心模組參考尺寸圖載板模塊載板模塊根據(jù)配置和用途不同，可靈活設(shè)計(jì)，為核心模塊提供外圍接口及與其他模塊的通信。載板模塊主要提供核心模塊、接口功能模塊、管理模塊、IO模塊的相互聯(lián)接通信，并且可在其上兼容SSDAI4G/5Gwifi、Lora及應(yīng)用需求，引出LAN口、USB尺寸如圖3-2所示：圖3-2載板模組參考尺寸圖管理模塊根據(jù)不同的應(yīng)用規(guī)模、硬件主控平臺(tái)選定不同的管理方式。ECMiniBMC，RunBMC應(yīng)用場(chǎng)景和應(yīng)用規(guī)模進(jìn)行合理選配。RunBMC，BMC能，例如固件更新、遠(yuǎn)程管理、性能監(jiān)控等。ECOM系統(tǒng)基于OpenBMCAIoTBMCMCUBMCBMCMCUBMCBMC，BMCMCU。BMC，BMCWebBIOSMCU（溫度、電壓、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速）BMC功能模塊ECOM設(shè)備提供更加豐富的接口及應(yīng)用功能。存儲(chǔ)模塊：系統(tǒng)兼容M.2SSD或2.5寸SSD用于系統(tǒng)的存儲(chǔ)功能應(yīng)用。蜂窩通信模組：M.2Key-BWWAN30422G/3G/LTE/5GNR模組的物理接口詳細(xì)設(shè)計(jì)參照規(guī)范可參考《PCIExpressM.2SpecificationRevision3.0,Version1.2》。物聯(lián)網(wǎng)通信模組：Wi-FiZigBee，LoRaWLANLPWANWi-FiM.2Key-E2230M.2Key-E-A2230Wi-Fi：802.11ac，802.11axZigBee、LoRa等低功耗模組采用插針?lè)庋b模組，通過(guò)接口兼容設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)不同廠家模塊的兼容適配，適應(yīng)當(dāng)前低功耗物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)互不兼容的應(yīng)用場(chǎng)景困境。圖3-3物聯(lián)網(wǎng)通信模組AIAloTAIAlM.2M-Key2280SSD使其具備通用性。圖3-4AI計(jì)算模塊網(wǎng)卡功能模塊AIoT802.3.af/802.3.atPOEPOE工業(yè)接口功能模塊工業(yè)接口功能模塊為ECOM系統(tǒng)提供RS232串口、RS485串口、CANDIOECOM邊緣業(yè)務(wù)中得到充分應(yīng)用。IOAIoT夠，網(wǎng)絡(luò)通信端口數(shù)不夠等業(yè)務(wù)問(wèn)題，為了解決這類(lèi)場(chǎng)景需求，規(guī)范給系統(tǒng)提供更多的IO擴(kuò)展選擇，采用擴(kuò)展塢的形式進(jìn)行功能擴(kuò)展。AIoT智能邊緣計(jì)算ECOMIOPCIeSATAPCIe，SATA/NVMeSSD，HDD圖3-5IO模塊（三）ECOM模塊化系統(tǒng)互聯(lián)架構(gòu)ECOM模塊化架構(gòu)參考架構(gòu)圖如下圖所示。如前文介紹，此模塊化架構(gòu)包含核心模塊、載板模塊、管理模塊、功能模塊、IOPCIe、SATA、USB、LAN互聯(lián)高速連接器鏈接到載板模塊，在板模塊通過(guò)CPU窩通信、物聯(lián)網(wǎng)通信、AI計(jì)算等功能擴(kuò)展，并且預(yù)留PCIe、SATAIO圖3-6ECOM模塊化架構(gòu)參考架構(gòu)圖（四）ECOM架構(gòu)機(jī)箱規(guī)格和散熱方案ECOMAIoT冷或被動(dòng)散熱的方案，可根據(jù)散熱器的固定要求，在核心模塊上的合適位置開(kāi)固定孔。由于核心模塊上芯片的緊湊布置，對(duì)于不同的散熱方案，提供有以下散熱邊界：表1不同散熱方案對(duì)比無(wú)風(fēng)扇被動(dòng)散熱-核心模塊功耗≤20W建議機(jī)箱尺寸（長(zhǎng)*寬*高）≥250mm*220mm*65mm，風(fēng)冷隔離散熱-核心模塊功耗≤50W建議機(jī)箱尺寸（長(zhǎng)*寬*高）≥250mm*220mm*65mm，擴(kuò)展塢形式-風(fēng)冷建議機(jī)箱尺寸（長(zhǎng)*寬*高）≥460mm*220mm*43mm注：配合整機(jī)內(nèi)部其他的功耗部件，需要添加熱管、VC等適當(dāng)?shù)木鶞卮胧┤缟媳硭?，推薦了使用不同散熱方式時(shí)，核心模塊在不同功耗及環(huán)溫要求下的機(jī)箱尺寸要求，其往往需要在機(jī)箱表面開(kāi)一定數(shù)量的散熱齒，散熱齒的齒高（h）、齒間距（g）、齒厚（w）需要根據(jù)整機(jī)的功耗分布及大小進(jìn)行的優(yōu)化設(shè)計(jì)。機(jī)箱尺寸不是嚴(yán)格固定的，可根據(jù)現(xiàn)機(jī)箱尺寸的推薦值進(jìn)行機(jī)箱表面積的換算，一般需要保證所設(shè)計(jì)機(jī)箱的有效散熱表面積不小于所推薦的機(jī)箱尺寸。對(duì)于無(wú)風(fēng)扇的被動(dòng)散熱配置，其往往部署在惡劣的戶(hù)外環(huán)境中，經(jīng)常需要忍受全天候的雨雪風(fēng)沙侵襲，無(wú)風(fēng)扇的設(shè)計(jì)便于進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的防水防塵。無(wú)風(fēng)扇被動(dòng)散熱配置，其散熱方式主要是通過(guò)機(jī)箱內(nèi)部的熱傳導(dǎo)和機(jī)箱與環(huán)境之間的熱輻射，相對(duì)于強(qiáng)制對(duì)流散熱而言是一種低效率但具有高可靠性的散熱方式。機(jī)箱整體尺寸（長(zhǎng)*寬*高）≥250mm*220mm*65mm，建議整機(jī)功耗≤50W。對(duì)于風(fēng)冷隔離散熱的配置，可部署在有防塵要求的環(huán)境中，一般可達(dá)到IP54等級(jí)。為了使得內(nèi)外隔離而達(dá)到防塵等級(jí)的要求，風(fēng)扇一般是加在散熱機(jī)箱外表面的某個(gè)位置。機(jī)箱尺寸（長(zhǎng)*寬*高）≥250mm*220mm*65mm，建議整機(jī)功耗≤50W，推薦的風(fēng)扇PQ性能如下圖所示，建議風(fēng)量Q≥52CFM。圖3-7推薦的風(fēng)扇PQ性能圖對(duì)于擴(kuò)展塢配置，其主要散熱方式時(shí)強(qiáng)制風(fēng)冷。機(jī)箱尺寸（長(zhǎng)*寬*高）≥460mm*220mm*65mm，建議整機(jī)功耗≤150W。整機(jī)風(fēng)量≥130CFM，單顆風(fēng)扇的風(fēng)扇性能曲線如下圖。圖3-8單顆風(fēng)扇的風(fēng)扇性能曲線圖AIoTECOM例（一）百度基于ECOM架構(gòu)打造的智慧工地案例場(chǎng)景需求：當(dāng)前大多數(shù)建筑公司施工項(xiàng)目多、管理難度大，亟須進(jìn)行智能化轉(zhuǎn)型。同時(shí)為響應(yīng)政府關(guān)于開(kāi)展智慧工地建設(shè)工作的要求，決定建設(shè)一個(gè)如下核心訴求的解決方案：中心化平臺(tái)，進(jìn)行信息集中處理；智能化處理，全方位監(jiān)管施工；信息化手段，提高管理效率；創(chuàng)新型技術(shù)，提升企業(yè)形象。圖4-1智慧工地案例圖解決方案的優(yōu)勢(shì)：搭建私有中心，信息集中處理，保障數(shù)據(jù)安全；全域覆蓋攝像頭+智能邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)，組成集群互相協(xié)作；AI用戶(hù)收益：數(shù)據(jù)在私有云內(nèi)集中處理、統(tǒng)一監(jiān)管、安全存儲(chǔ)，加強(qiáng)管理的主動(dòng)性；全區(qū)域、全周期監(jiān)控，提高工地安全性、降低事故發(fā)生率，消除監(jiān)控死角；AI算法代替人工，大幅降低人力成本、提升告警實(shí)時(shí)性、提高管理效率；平均單工地總價(jià)成本低，可根據(jù)具體需求，進(jìn)行定制化構(gòu)建。（二）騰訊基于ECOM架構(gòu)打造的智慧水務(wù)案例案例背景水利監(jiān)測(cè)點(diǎn)一般為戶(hù)外，部署環(huán)境惡劣，存在高溫、水氣、灰塵等環(huán)境因素，對(duì)于設(shè)備的散熱和節(jié)能有很高的要求。此外，傳統(tǒng)水利采用DTU/RTU方式上報(bào)數(shù)據(jù)，使用自定義傳輸協(xié)議，存在一數(shù)多源，數(shù)據(jù)可靠性較低的問(wèn)題。方案架構(gòu)圖4-2智慧水務(wù)方案架構(gòu)圖邊緣計(jì)算在智慧水務(wù)中應(yīng)用效果采用“云-邊-端”架構(gòu)帶動(dòng)水務(wù)系統(tǒng)的技術(shù)升級(jí)，根據(jù)業(yè)務(wù)需要分級(jí)處理，云邊協(xié)同，為流域水生態(tài)環(huán)境管理提供信息化管理和決策支持“云”側(cè)以物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)為基礎(chǔ)，建設(shè)水務(wù)物聯(lián)