权利要求
1.一种基于RISC-V边缘NPU的一体化智能水泵控制硬件控制器，其特征在于，包括：
核心控制硬件单元，采用RISC-V边缘计算芯片为核心处理单元，用于硬件级数据采集、NPU硬件加速推理、控制指令生成，为系统提供高算力边缘计算能力;
多通道传感采集硬件，多路振动采集硬件电路、电气采集硬件电路、温度采集硬件电路，用于直接采集水泵/电机的振动、电流、电压、温度信号;
无线通讯硬件模组，集成LoRa硬件芯片与4G硬件模组，用于接收远端传感器数据、上传运行数据与告警;
执行驱动硬件电路，包括继电器输出硬件电路、阀门控制硬件接口、电机启停硬件接口，用于执行控制指令，实现电机启停、阀门调节、排水泵联动;
工业电源硬件模块，提供9~36VDC宽压输入，内置过压/过流/反接硬件保护电路。
2.根据权利要求1所述的基于RISC-V边缘NPU的一体化智能水泵控制硬件控制器，其特征在于，所述核心控制硬件单元的硬件架构包括：
主控制芯片：8核RISC-V处理器+2TOPS INT8算力NPU，支持浮点运算与神经网络推理加速;
硬件存储：板载8GB LPDDR4X硬件内存、64GB eMMC硬件存储芯片，用于缓存传感数据、存储模型文件与运行日志;
硬件接口：4路RS485接口、8路模拟量输入(AI)、16路数字量输入(DI)、16路数字量输出(DO)、2路PWM输出接口，适配多设备控制需求;
时钟与电源：高精度RTC时钟、936VDC输入的工业级宽压电源模块，支持过压/过流/反接保护，适配矿山现场供电环境。
3.根据权利要求1所述的基于RISC-V边缘NPU的一体化智能水泵控制硬件控制器，其特征在于，所述多通道传感采集硬件包括：
IEPE振动采集硬件：8路IEPE振动传感器硬件接口、16位AD硬件采集电路、10kHz硬件采样率，内置抗混叠滤波硬件电路，用于采集水泵/电机的轴承、壳体振动信号;
电气采集硬件：三相电流/电压硬件采集电路、硬件互感器接口，用于采集水泵电机的三相电流、电压、功率因数，实现过压、过流、过载检测;
温度采集硬件：16路PT100/NTC硬件采集通道、硬件滤波电路，用于监测电机绕组、轴承、泵体温度;
外部传感接口：通过LoRa硬件芯片接收压力传感器、流量传感器、液位传感器数据，实现管道压力、流量、液位的远程采集。
4.根据权利要求1所述的基于RISC-V边缘NPU的一体化智能水泵控制硬件控制器，其特征在于，所述无线通讯硬件模组包括：
LoRa硬件芯片：采用Semtech SX1262芯片，工作频段433MHz/470MHz，通信距离3km，支持星型组网，用于接收压力、流量、液位等低功耗传感数据;
4G硬件模组：EC200T，支持LTE-FDD/LTE-TDD/GSM网络，内置SIM卡接口，最高速率150Mbps下行，用于上传设备运行数据、故障告警、联锁事件;
SMA硬件天线接口：板载SMA天线接口，分别连接LoRa天线与4G天线，天线延伸至设备外部，保证矿山复杂环境下的通讯稳定性。
5.根据权利要求1所述的基于RISC-V边缘NPU的一体化智能水泵控制硬件控制器，其特征在于，所述执行驱动硬件电路包括：
电机控制硬件电路：16路DO硬件继电器，用于实现水泵电机的启停控制，支持过载、超温、过流保护联锁;
阀门控制硬件电路：通过RS485硬件接口/PWM硬件输出电路控制气动/电动阀门，实现开度调节与开关控制，用于过压泄压、流量调节、液位联动;
联动控制硬件电路：支持多设备联锁逻辑;
应急保护硬件电路：独立硬件紧急停机按钮、硬件过载比较电路、独立硬件看门狗芯片，在通讯中断或核心故障时触发安全保护。
6.根据权利要求1所述的基于RISC-V边缘NPU的一体化智能水泵控制硬件控制器，其特征在于，所述工业电源硬件模块具有9-36VDC宽压输入、过压硬件保护、过流硬件保护、反接硬件保护，整机功耗<15W。
7.根据权利要求1所述的基于RISC-V边缘NPU的一体化智能水泵控制硬件控制器，其特征在于，所述硬件控制器具有一体化工业级结构：金属外壳、散热结构、导轨/壁挂安装、IP40防护等级、-40℃~85℃工作温度。
8.根据权利要求1所述的基于RISC-V边缘NPU的一体化智能水泵控制硬件控制器，其特征在于，所述硬件控制器的硬件联锁响应时间<10ms，硬件算力2TOPS INT8，MTBF>50000小时，工业级电磁兼容。
9.根据权利要求1所述的基于RISC-V边缘NPU的一体化智能水泵控制硬件控制器，其特征在于，所述硬件控制器的信号流向为：传感信号硬件采集接口主控硬件NPU硬件加速驱动硬件电路执行设备;且具有独立硬件看门狗复位电路和硬件级联锁保护电路。
说明书
技术领域
[0001]本发明涉及矿山选矿厂工业控制硬件技术领域，具体为一种基于RISC-V边缘NPU的一体化智能水泵控制硬件控制器。
背景技术
[0002]选矿厂尾矿站、磁选站等工段大量使用水泵、电机、阀门等流体设备，承担矿浆输送、排水、压力调节等核心功能。现有控制方式多采用可编程逻辑控制器(PLC)或普通单片机实现水泵的启停控制与基本保护功能。例如，中国专利CN111694310A公开了一种煤矿排水智能控制系统，包括智能分析单元、逻辑处理单元、信息采集单元、现场监控单元、声光报警单元及联动系统采集单元，采用PLC控制器实现中央泵房排水自动化控制，实现排水量与涌水量的自动匹配。
[0003]然而，该类以PLC或单片机为核心的控制器仍存在以下突出技术问题：
1、现有水泵控制器硬件算力不足，无硬件NPU加速单元，无法满足振动信号实时分析与多设备联锁的毫秒级响应需求;
2、接口分散、无一体化硬件采集与驱动电路，需外接多个模块，导致接线复杂、故障率高;
3、无专用振动采集硬件，依赖外接模块，难以实现高精度、多通道同步振动信号采集;
4、通讯硬件单一，无LoRa+4G双硬件通讯模组，无法适应矿山复杂环境下的远程监控与数据上传;
5、无硬件级联锁保护电路，依赖软件逻辑，在控制器死机或通讯中断时存在安全隐患;
6、无工业级一体化硬件结构，安装维护复杂，防护等级低，难以满足矿山恶劣工况要求。
[0004]基于此，本发明设计了一种基于RISC-V边缘NPU的一体化智能水泵控制硬件控制器，以解决上述问题。
发明内容
[0005]本发明的目的在于提供一种基于RISC-V边缘NPU的一体化智能水泵控制硬件控制器，以解决上述背景技术中提出的问题。
[0006]为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于RISC-V边缘NPU的一体化智能水泵控制硬件控制器，包括：
核心控制硬件单元，采用8核RISC-V架构+2TOPSINT8算力NPU的边缘计算芯片为核心处理单元，用于硬件级数据采集、NPU硬件加速推理、控制指令生成，为系统提供高算力边缘计算能力;
多通道传感采集硬件，包括多路振动采集硬件电路、电气采集硬件电路、温度采集硬件电路，用于直接采集水泵/电机的振动、电流、电压、温度信号，为智能分析提供数据基础;
无线通讯硬件模组，集成LoRa硬件芯片与4G硬件模组，用于接收远端传感器数据、上传运行数据与告警;
执行驱动硬件电路，包括继电器输出硬件电路、阀门控制硬件接口、电机启停硬件接口，用于执行控制指令，实现电机启停、阀门调节、排水泵联动，支持多级安全保护逻辑，保障异常场景下的设备与生产安全;
工业电源硬件模块，提供9~36VDC宽压输入，内置过压/过流/反接硬件保护电路。
[0007]优选的，核心控制硬件单元的硬件架构包括：
主控制芯片：TH1520(8核RISC-V处理器+2TOPS INT8算力NPU单元，支持浮点运算与神经网络推理加速;
硬件存储：8GB LPDDR4X硬件内存、64GB eMMC硬件存储芯片，用于缓存传感数据、存储模型文件与运行日志;
硬件接口：4路RS485硬件接口、8路模拟量输入硬件电路、16路数字量输入硬件电路、16路数字量输出硬件电路、2路PWM硬件输出电路，适配多设备控制需求;
时钟与电源：高精度RTC时钟硬件电路、工业级宽压电源硬件模块(9-36VDC输入)，支持过压/过流/反接保护，适配矿山现场供电环境。
[0008]优选的，多通道传感采集硬件包括：
IEPE振动采集硬件：8路IEPE振动传感器硬件接口、16位AD硬件采集电路、10kHz硬件采样率，内置抗混叠滤波硬件电路，用于采集水泵/电机的轴承、壳体振动信号;
电气采集硬件：三相电流/电压硬件采集电路、硬件互感器接口，用于采集水泵电机的三相电流、电压、功率因数，实现过压、过流、过载检测;
温度采集硬件：16路PT100/NTC硬件采集通道、硬件滤波电路，用于监测电机绕组、轴承、泵体温度;
外部传感接口：通过LoRa硬件芯片接收压力传感器、流量传感器、液位传感器数据，实现管道压力、流量、液位的远程采集。
[0009]优选的，无线通讯硬件模组包括：
LoRa硬件芯片：采用Semtech SX1262芯片，工作频段433MHz/470MHz，通信距离3km，支持星型组网，用于接收压力、流量、液位等低功耗传感数据;
4G硬件模组：EC200T，支持LTE-FDD/LTE-TDD/GSM网络，内置SIM卡接口，最高速率150Mbps下行，用于上传设备运行数据、故障告警、联锁事件;
SMA硬件天线接口：板载SMA天线接口，分别连接LoRa天线与4G天线，天线延伸至设备外部，保证矿山复杂环境下的通讯稳定性。
[0010]优选的，执行驱动硬件电路包括：
电机控制硬件电路：16路DO硬件继电器，用于水泵电机启停控制，支持过载、超温、过流保护联锁;
阀门控制硬件电路：通过RS485硬件接口/PWM硬件输出电路控制气动/电动阀门，实现开度调节与开关控制，用于过压泄压、流量调节、液位联动;
联动控制硬件电路：支持多设备硬件级联锁逻辑，如：压力超限关闭电机+关闭进水阀+打开排水阀，液位达标自动启动备用水泵，振动异常降频运行并预警;
应急保护硬件电路：独立硬件紧急停机按钮、硬件过载比较电路、独立硬件看门狗芯片，在通讯中断或核心故障时触发安全保护。
[0011]优选的，工业电源硬件模块：9-36VDC宽压输入，具有过压硬件保护、过流硬件保护、反接硬件保护。
[0012]与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、硬件一体化：集成采集、控制、通讯、驱动于单一硬件设备，接口丰富，安装维护简便，防护等级IP40，工业级稳定;
2、算力硬件化：内置2TOPS硬件NPU单元，实现毫秒级硬件加速推理;
3、硬件级联锁：独立硬件紧急停机、硬件过载保护、硬件看门狗，不依赖软件，安全性高;
4、双硬件通讯：LoRa+4G硬件模组，适应矿山复杂环境;
5、专用振动采集硬件：8路IEPE硬件接口，16位AD，10kHz采样，无需外接模块;
6、工业级可靠性：宽压电源、硬件保护电路、EMC抗干扰设计，MTBF>50000小时，工业级电磁兼容。
附图说明
[0013]为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0014]图1为本发明智能水泵控制硬件控制器的组成示意图;
图2为本发明核心控制硬件单元的硬件架构示意图;
图3为本发明执行驱动硬件电路控制逻辑示意图。
具体实施方式
[0015]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0016]实施例一
一、一体化智能水泵控制硬件控制器的硬件架构
请参阅附，本发明提供一种基于RISC-V边缘NPU的一体化智能水泵控制硬件控制器，如图1所示，硬件架构如下：
1、核心控制硬件单元，如图2所示
主控制芯片：采用8核RISC-V处理器(1.8GHz)+2TOPS INT8 NPU的TH1520芯片，内置NPU可加速CNN模型推理，推理延迟10ms;
硬件存储：8GB LPDDR4X内存、64GB eMMC存储，可缓存30天以上的运行数据与日志;
硬件接口：4路RS485、8路AI(020mA/420mA)、16路DI、16路DO、2路PWM，支持Modbus-RTU/ASCII协议;
电源硬件：936V DC宽压输入，效率92%，内置过压/过流/反接保护，适配矿山现场12V/24V供电。
[0017]2、多通道传感采集硬件
IEPE振动采集硬件：8路IEPE振动传感器，采样率12.8kHz，16位精度，内置二阶抗混叠滤波，采集水泵轴承、壳体振动信号;
电气采集硬件电路：3路电流互感器(0500A)、3路电压互感器(0660V)，采集电机三相电流、电压、功率;
温度采集硬件电路：8路PT100温度传感器，采集电机绕组、轴承、泵体温度，精度0.1℃;
外部传感接口：通过LoRa硬件芯片(SX1262芯片)接收3km范围内的压力、流量、液位传感器数据，采样周期1s。
[0018]3、无线通讯硬件模组
LoRa硬件芯片：SX1262，470MHz频段，发射功率22dBm，接收灵敏度-140dBm，支持最多32个节点组网;
4G硬件模组：移远EC200T，支持LTE Cat.1，最高下行速率10Mbps，内置SIM卡接口，天线增益5dBi;
通讯协议：LoRa采用自定义私有协议，4G采用MQTT协议接入云端平台，支持断点续传与数据补传，由硬件缓存实现。
[0019]4、执行驱动硬件电路
电机控制硬件电路：16路继电器输出，控制4台水泵电机的启停，支持过载保护联锁;
阀门控制硬件电路：4路RS485接口控制气动调节阀，实现0100%开度调节，响应时间2s;
联动控制硬件电路：内置状态机引擎，实现压力超限停机关阀排水等典型联锁逻辑，如图3所示;
应急保护硬件电路：独立硬件看门狗芯片(超时1.6s)、独立硬件紧急停机按钮，在系统故障时硬件触发安全停机。
[0020]5、工业电源硬件模块
9-36VDC宽压输入，效率92%，内置过压/过流/反接硬件保护电路，整机功耗<15W。
[0021]6、硬件一体机整体外观与结构
物理形态：独立工业硬件设备，板卡+金属外壳整机;
结构组成：主控硬件板、传感接口板、驱动输出板、电源硬件模块、金属外壳、散热结构、接线端子;
安装与防护：导轨式/壁挂式安装，IP40防护等级，工业级宽温工作(-40℃~85℃);
尺寸：200mm150mm60mm，重量约1.5kg。
[0022]二、一体化智能水泵控制硬件控制器的硬件连接关系与信号流向
基于上述硬件构架，本申请控制器的硬件连接关系与信号流向，具体如下：
1、硬件供电流向：工业电源硬件模块核心控制硬件单元多通道传感采集硬件、无线通讯硬件模组、执行驱动硬件电路;
2、传感信号流向：振动/电气/温度传感器硬件采集接口电路主控硬件NPU硬件加速单元驱动硬件电路执行设备(电机/阀门);
3、硬件时钟同步：RTC时钟硬件电路提供高精度时钟(误差5ppm)至主控芯片;
4、硬件复位电路：独立复位芯片，支持上电复位与外部硬件复位;
5、硬件看门狗：独立硬件看门狗芯片(超时1.6s)，主控硬件故障时自动输出硬件复位信号;
6、硬件级联锁保护：
硬件紧急停机：独立硬件按钮按下后，直接切断执行驱动硬件电路的输出，不经过主控芯片;
硬件过载保护：电流硬件比较电路检测到过流时，直接硬件关断对应的继电器输出;
硬件看门狗：主控硬件死机时自动复位整个控制器。
[0023]7、通讯硬件流：
LoRa硬件接收远端压力/流量/液位数据主控硬件处理;
4G硬件模组将设备运行数据、故障告警上传至云端，接收云端下发的参数。
[0024]三、一体化智能水泵控制硬件控制器的硬件性能参数
1、硬件算力：2TOPS INT8硬件NPU算力
2、硬件响应：硬件联锁响应时间<10ms
3、硬件功耗：整机功耗<15W
4、硬件可靠性：MTBF>50000小时、工业级电磁兼容。
[0025]在本说明书的描述中，参考术语一个实施例、示例、具体示例等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0026]以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
说明书附图(3)
