CN102523275A - 一种基于fpga的物联网接入系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于FPGA的物联网接入系统及方法，该系统包括用FPGA技术和器件设计实现的物联网接入处理单元、数据采集接口单元、以及无线通讯单元和有线通讯单元；通过灵活配置本接入系统中的接入处理单元，可将来自“物”的专用测量设备或传感器的数据封装及处理后，由有线通讯单元或无线通讯单元发送给传输网络；或者，通过无线通讯单元接收无线网络中所传输的采集数据信息，解封装及处理后，由有线通讯单元发送给有线传输网络。

Description

一种基于FPGA的物联网接入系统及方法

技术领域

本发明涉及物联网应用技术，具体涉及一种基于FPGA的物联网接入系统及方法。

背景技术

物联网是继计算机、互联网之后，世界信息产业的第三次浪潮，是我国又一次重大历史机遇。物联网使我们在通信与信息技术的世界里获得了一个新的沟通维度，将任何时间、任何地点、连接任何人，扩展到连接任何物品，实现万物的连接。物联网技术可广泛应用于智能电网、应急管理与公共安全、城市管理、城市智能交通、生态环境、资源监督、医疗卫生、智能社区和智能家居、精准农业、智能物流与产品溯源等重要领域，以更加精细和动态的方式管理生产和生活，提高资源利用率和生产水平，改善人与自然间的关系。

在技术上，相对于互联网是把各种计算设备通过通讯网络连接在一起，物联网是要把众多没有计算能力的“物”通过互联网连接在一起，其关键是物联网接入系统，即能够把各种“物”连接到网上并能进行信息交换的技术与设备。但是，如何在不更改原有“物”的前提下，将其专用测量设备或传感器采集的数据通过无线或有线的通讯方式连接到网上，从而实现物联网的接入及其智能化升级，是物联网技术应用的重要问题之一。

现有的物联网接入系统或装置大多采用了数字信号处理(DSP，DigitalSignal Processor)、单片机，或是专用集成电路来实现系统的接入控制和处理，在设备的灵活性、通用性，以及系统的优化升级等方面存在一定的不足，不能满足差异化的应用在接入成本、功耗，以及效率等方面的不同需求。

FPGA作为一种现场可编程逻辑门阵列，能够将嵌入式微处理器、通讯控制协议、数据的存储和处理，以及其它控制功能组成的系统都集成到一块FPGA芯片中，可以根据现场应用需求，采用IP核复用技术和软硬件协同技术，快速设计实现个性化系统，在提高设备效率和通用性的同时，减少系统成本和体积。因此，用FPGA技术和器件设计实现物联网的接入能够较好地满足物联网应用的多样化和灵活性需求。

发明内容：

有鉴于此，本发明的主要目的是，解决现有物联网接入方式在通用性、灵活性，以及系统的优化升级等方面的不足，提供一种基于FPGA的物联网接入系统及方法，在不更改原有设备的前提下，快速设计实现个性化的物联网接入系统，实现物联网的有线或无线接入，从而满足不同应用在接入成本、接入方式、功耗、以及效率等方面的不同需求。

为了达到上述目的，本发明提出一种基于FPGA的物联网接入系统及方法，该系统包括接入处理单元IoT-JPU(Juntor and Processing Unit to Internet ofThings)、数据采集接口单元、以及无线通讯单元和有线通讯单元，其中：

所述接入处理单元为所述系统的控制处理核心，与数据采集接口单元、无线通讯单元，以及有线通讯单元相连接；

所述数据采集接口单元至少包括专用测量设备接入模块或通用传感器接入模块，该接口单元至少提供一种专用测量设备接口或通用传感器接口；

所述有线通讯单元至少包括以太网通讯模块或串口通讯模块；

所述接入处理单元至少包括一个FPGA芯片及一个存储器芯片；该接入处理单元内部集成嵌入式微处理器和数据缓存模块，并至少包括采集接口协议模块、无线通讯协议接口模块、串口通讯协议模块、以及以太网通讯协议模块中的两个模块。

本发明提供的一种基于FPGA的物联网接入系统，其特征在于，当所述接入处理单元IoT_JPU包括采集接口通讯协议模块时，至少还要包括一个无线通讯协议接口模块、串口通讯协议模块或以太网通讯协议模块；当所述接入处理单元IoT_JPU包括无线通讯协议接口模块时，至少还要包括一个采集接口通讯协议模块、串口通讯协议模块或以太网通讯协议模块；

本发明提供的一种基于FPGA的物联网接入系统，其特征在于，所述数据采集接口单元可以根据所连接的专用测量设备及传感器的不同数据采集接口方式，选择配置相应的数据采集接口单元器件；所述数据采集接口单元所提供的接口可以是UART接口、SPI接口、IIC接口、PCI接口或GPIO通用接口中的任意一种或任意组合。

本发明提供的一种基于FPGA的物联网接入系统，其特征在于，所述无线通讯单元可以是基于GPRS、3G、蓝牙Bluetooth、ZigBee或Wi-Fi的无线通讯单元中的任意一种。

所述接入处理单元至少包括一个采集接口通讯协议模块或无线通讯协议模块。

当所述接入处理单元包括采集接口通讯协议模块时，至少还要包括一个无线通讯协议接口模块、串口通讯协议模块或以太网通讯协议模块。

当所述接入处理单元包括无线通讯协议接口模块时，至少还要包括一个采集接口通讯协议模块、串口通讯协议模块或以太网通讯协议模块。

根据本发明所提出的接入系统，本发明还提供了一种基于FPGA的物联网接入方法，步骤包括：

1)通过数据采集接口单元中的专用测量设备接口或传感器接口，实时接收专用测量设备或传感器所采集的数据信息；

2)接入处理单元中的嵌入式微处理器通过控制采集接口通讯协议模块，按照专用测量设备的接口协议或传感器接口协议接收数据信息；

3)接入处理单元中的嵌入式微处理器为步骤2)中接收的数据信息进行数据包封装、缓存及处理；

4)接入处理单元中的嵌入式微处理器将步骤3)中处理后的数据通过无线通讯协议接口模块发送给无线通讯单元；或者，接入处理单元中的嵌入式微处理器将步骤3)中处理后的数据通过有线通讯协议接口模块发送给有线通讯单元中的以太网通讯模块或串口通讯模块；

5)无线通讯单元将步骤4)中接收到的数据封装成无线通信协议格式的数据包，并实现信号功率放大后，发送到无线传输网络中；或者，由有线通讯单元中的以太网通讯模块或串口通讯模块将从步骤4)中接收到的数据信息通过串口或以太网接口发送到有线传输网络；

或者，包括以下步骤：

1)通过无线通讯单元实时接收无线传输数据，并进行相应的数据处理；

2)接入处理单元中的嵌入式微处理器通过无线通讯接口协议模块，正确接收步骤1)中处理后的数据信息；

3)接入处理单元中的嵌入式微处理器为步骤2)中接收的数据信息进行数据包解封装、缓存及处理；

4)接入处理单元中的嵌入式微处理器将步骤3)中处理后的数据通过有线通讯协议接口模块发送给有线通讯单元中的以太网通讯模块或串口通讯模块；

5)有线通讯单元中的以太网通讯模块或串口通讯模块将从步骤4)中接收到的数据信息通过串口或以太网接口发送到有线传输网络；

本发明所提供了一种基于FPGA的物联网接入方法，其特征在于：

所述采集接口通讯协议模块实现数据采集接入协议；

所述串口通讯协议模块实现异步串行通讯协议；

所述以太网通讯协议模块实现基于TCP/IP的以太网通讯协议；

所述无线通讯协议接口模块基于异步串行通讯协议，实现与无线通讯单元的通讯控制；

所述嵌入式微处理器除了实现系统的整体调度和控制外，还可以为所述接入系统所连接的“物”及其采集数据提供唯一的数据标识；

所述接入处理单元IoT_JPU中的嵌入式微处理器将处理后的数据发送给无线通讯单元或者有线通讯单元或者同时发送给无线通讯单元及有线通讯单元，取决于系统应用需求及用户的配置；当需要将处理后的数据通过无线网络传送时，所述接入处理单元IoT_JPU中的嵌入式微处理器将处理后的数据发送给无线通讯单元中的无线通讯控制芯片；当需要将处理后的数据通过以太网有线传送时，所述接入处理单元IoT_JPU中的嵌入式微处理器将处理后的数据发送给有线通讯单元中的以太网通讯模块；当需要将处理后的数据通过串口有线传送时，所述接入处理单元IoT_JPU中的嵌入式微处理器将处理后的数据发送给有线通讯单元中的串口通讯模块。

本发明的优点

本发明采用FPGA技术和器件设计实现物联网接入处理单元IoT-JPU，将物的标识、采集接入控制、传输控制、数据封装及处理等功能都集成在一个芯片内实现，通过灵活配置接入处理单元IoT-JPU，根据实际应用需求选择嵌入式微处理器、采集协议、以及通讯传输协议，增加了物联网接入的灵活性、通用性的同时，减少了硬件生产成本开销及设备体积，满足不同应用在接入成本、接入方式、功耗、以及效率等方面的不同需求。

本发明采用FPGA技术和器件设计实现物联网接入系统的处理核心，能够获得较高的处理速度和性能、编程开发方便，可重用性强，便于实现系统维护和智能升级。

附图说明：

图1为基于FPGA的物联网接入系统功能框图；

图2A为优选的物联网接入处理器单元IoT-JPU(FPGA)内部功能框图及其与其它单元的互联结构框图；

图2B为优选的物联网接入处理器单元IoT-JPU(FPGA)内部功能框图及其与其它单元的互联结构框图；

图3A为图2A中的物联网接入处理器单元IoT-JPU(FPGA)的优选设计实现方案；

图3B图2B中的物联网接入处理器单元IoT-JPU(FPGA)的优选设计实现方案；

图4为数据采集接口单元与专用测量设备和传感器及物联网接入处理单元的连接结构图；

图5为有线通讯单元与物联网接入处理单元及物联网连接的结构图；

图6为无线通讯单元功能结构及其与物联网接入处理单元的连接结构图；

图7为基于本发明的通用电气量采集器应用实施例系统结构及功能框图；

图8为基于本发明的通用电气量汇聚器应用实施例系统结构及功能框图；

具体实施方式：

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例对本发明的具体实施方法做进一步说明。

图1为基于FPGA的物联网接入系统功能框图，如图所示，该系统具体包括接入处理单元IoT-JPU、数据采集接口单元、以及无线通讯单元和有线通讯单元，其中：

所述接入处理单元IoT-JPU与数据采集接口单元、无线通讯单元，以及有线通讯单元相连接，该单元为所述设备的控制处理核心，实现物联网接入的整体调度和控制，同时还可以为所述接入系统所连接的“物”及其采集数据提供唯一的数据标识；

所述数据采集接口单元包括专用测量设备接入模块和通用传感器接入模块，该单元与专用测量设备或传感器相连，接收专用测量设备或传感器实时采集的数据；或者，接收接入处理单元IoT-JPU的控制和数据信息，并发送给专用测量设备；

所述无线通讯单元与接入处理单元IoT-JPU相连，接收物联网接入处理单元传送过来的数据信息，处理及封装成无线通信协议格式的数据包后发送给物联网；或者，接收物联网的数据，处理及解封装后，发送给物联网接入处理单元；

所述有线通讯单元至少包括以太网通讯模块或串口通讯模块，该单元与物联网接入处理单元IoT-JPU相连，接收物联网接入处理单元IoT-JPU传送过来的数据信息，通过串口或以太网接口发送给物联网；或者，通过串口或以太网接口接收物联网数据信息，发送给物联网处理接入单元IoT-JPU。

优选的物联网接入处理器单元IoT-JPU(FPGA)内部功能框图及其与其它单元的互联结构如图2A所示，该单元内部集成了嵌入式微处理器、数据缓存模块及采集接口通讯协议模块，并至少包括无线通讯协议接口模块、串口通讯协议模块、以及以太网通讯协议模块中一个或多个模块；接入处理单元IoT_JPU中的嵌入式微处理器从采集接口通讯协议模块实时接收采集数据，将处理后的数据通过无线通讯协议接口模块发送给无线通讯单元中的无线通讯控制芯片；或者，接入处理单元IoT_JPU中的嵌入式微处理器将处理后的数据通过有线通讯协议接口模块发送给有线通讯单元中的以太网通讯模块或串口通讯模块；

次优选的物联网接入处理器单元IoT-JPU(FPGA)内部功能框图及其与其它单元的互联结构如图2B所示，该单元内部集成了嵌入式微处理器、数据缓存模块及无线通讯协议接口模块，并至少包括串口通讯协议模块及以太网通讯协议模块中一个或两个模块；接入处理单元IoT_JPU中的嵌入式微处理器从无线通讯协议接口模块实时接收无线传感数据，将处理后的数据发送给有线通讯协议接口模块中的以太网通讯模块或串口通讯模块；

图2A中的物联网接入处理器单元IoT-JPU(FPGA)的优选设计实现方案如图3A所示，图2B中的物联网接入处理器单元IoT-JPU(FPGA)的优选设计实现方案如图3B所示。采集接口通讯协议模块、数据缓存模块、无线通讯协议接口模块、串口通讯协议模块、以及以太网通讯协议模块都采用IP(Intelligent Property)核硬件及相应的软件中间件实现，各模块IP核都通过处理机本地总线PLB与嵌入式软核处理器MicroBlaze相连接，通过运行相应的FPGA应用软件，实现物联网接入系统功能。

实现上述各功能模块的IP核中，通用的知识产权核(如UART IP核、定时器IP核、总线IP核等)可通过IP核复用的方式实现(Xilinx的ISE/EDK、ALTERA的Quartus等开发工具中的免费IP核库即可提供)；特定的专用采集IP核或专用控制协议IP核(如专用的采集接口通讯协议IP核等)可通过用户定制的方式，采用硬件高级描述语言进行设计综合实现，或者购买不同厂商的IP产权来获得相关的知识产权。

在该优选设计实现方案应用实施例中，物联网接入处理器单元IoT-JPU中的FPGA芯片选用Xilinx Spartan6LXT芯片，该芯片采用45nm低功耗工艺技术和6-输入LUT架构，能够以最经济的速度级别和更小的器件实现复杂的高性能功能；FLASH存储芯片选用Spansion公司S29系列的S29GL256D NORFLASH存储器件，芯片存储容量为256Mbit，用于存储FPGA的配置数据及用户应用程序数据；该应用实施例中还包括了DDR2内存芯片(ELPIDA公司的EDE1116ACBG_8E_E芯片)该芯片为1Gbit的SDRAM缓存芯片，用于运行FPGA嵌入式系统应用程序。

数据采集接口单元可以是UART接口、SPI接口、IIC接口及GPIO通用接口，图4给出了一种数据采集接口单元与专用测量设备和传感器及物联网接入处理单元的连接结构。在该应用实施例中：

当需要采集电气量电流信息时，在数据采集接口单元中配置UART接口，该接口与物联网接入处理器单元IoT-JPU中配置了UART功能的采集接口通讯协议模块相连接，将电流采集装置所采集的实时电流信息接入到物联网接入系统中；

当需要采集电气量电压信息时，在数据采集接口单元中配置UART接口，该接口与物联网接入处理器单元IoT-JPU中配置了UART功能的采集接口通讯协议模块相连接，将电压采集装置所采集的实时电压信息接入到物联网接入系统中；

当需要采集环境温度信息时，在数据采集接口单元中配置与温度传感器相对应的GPIO接口，该接口与物联网接入处理器单元IoT-JPU中配置了单总线1-Wire功能的采集接口通讯协议模块相连接，将温度传感器所采集的实时温度信息接入到物联网接入系统中；

当需要采集环境湿度信息时，在数据采集接口单元中配置与湿度传感器相对应的IIC接口，该接口与物联网接入处理器单元IoT-JPU中配置了IIC功能的采集接口通讯协议模块相连接，将湿度传感器所采集实时的湿度信息接入到物联网接入系统中；

图5给出了有线通讯单元与物联网接入处理单元及物联网连接的结构，有线通讯单元直接与外界的物联网进行连接，实现有线数据的以太网传输功能；同时，有线通讯单元与接入处理单元IoT-JPU中的以太网通讯协议模块相连接，由以太网通讯协议模块实现以太网通讯协议。以太网通讯协议模块采用Xilinx FPGA开发环境中集成的Lwip协议栈及Ethernet_MAC IP核实现TCP/IP协议，包括数据链路层、网络层及传输层的功能。以太网通讯模块采用网络接口芯片Marvell Alaska 88E1111及相应的PHY接口。

图6给出了无线通讯单元功能结构及其与物联网接入处理单元的连接结构，无线通讯单元包括无线通讯控制器、射频电路及天线，本应用实施例无线通讯单元采用ZigBee无线通讯模块，其主要的ZigBee处理芯片采用JennicJN5148芯片。根据物联网接入系统不同的应用需求，该无线通讯单元也可以采用GPRS、3G、Bluetooth、ZigBee及Wi-Fi等通讯模块。

图7为基于本发明的通用电气量采集器应用实施例系统结构及功能框图，图8为基于本发明的通用电气量汇聚器应用实施例系统结构及功能框图，这两个框图给出了根据电力系统电气量采集的物联网接入需求，通过灵活配置物联网接入系统及设备中的接入处理单元IoT-JPU，选择或配置不同的采集接口通讯协议模块、无线通讯接口协议模块、以太网通讯协议模块及串口通讯协议模块，实现了通用电气量采集器及汇聚器的功能。

传统的电力系统电气量采集，是通过专用电气量采集设备(如数字式交流采集装置CSC208)实时采集电气量信息，通过RS485将采集数据上传到配电子站及远程监控端。这种方式无法实现远距离通信，且在采集点扩展的灵活性和高复用性等方面存在一定的缺陷。

本发明应用实施例基于本发明所提出的基于FPGA的物联网接入系统，实现通用电气量采集器及汇聚器。通用电气量采集器将专用电气量采集设备CSC208所采集的实时电气量信息处理及封装后通过无线ZigBee网络传送；通用电气量汇聚器接收多个通用电气量采集器所采集传输的电气量信息，并通过以太网通讯传输上送到远程监控端。

其中，所实现的通用电气量采集器中，数据采集接口单元配置为UART接口，物联网接入处理单元中的采集接口通讯协议模块和无线通讯接口协议模块配置为UART协议，无线通讯单元配置为无线通讯ZigBee模块，从而实现了将传统的电气量采集设备CSC208所采集的电气量信息接入到物联网接入系统中，完成数据处理后通过无线通讯模块发送到ZigBee网络中进行无线数据传输；本实施例中的电气量采集设备CSC208由电流/电压互感器、A/D转换电路及UART接口等组成；无线通讯ZigBee模块由Jennic JN5148芯片、射频电路，以及SMA座棒状天线组成；物联网接入处理单元由Xilinx Spartan6LXT芯片及相应的外围器件组成。

所实现的通用电气量汇聚器中，无线通讯单元配置为无线通讯ZigBee模块，物联网接入处理单元中配置无线通讯接口协议模块和以太网通讯协议模块；有线通讯单元配置为以太网通讯模块。由无线ZigBee通讯模块接收多个通用电气量采集器所采集传输的电气量信息，并通过物联网接入处理单元处理后，由以太网通讯模块上送到物联网上。本实施例中，无线通讯ZigBee模块由Jennic JN5148芯片、射频电路，以及SMA座棒状天线组成；有线通讯单元配置为以太网通讯模块，采用网络接口芯片Marvell Alaska 88E1111及相应的PHY接口；物联网接入处理单元中的无线通讯接口协议模块配置为UART协议，以太网通讯协议模块采用Xilinx FPGA开发环境中集成的Lwip协议栈及Ethernet_MAC IP核实现，物联网接入处理单元由Xilinx Spartan6LXT芯片及相应的外围器件组成。

上述实施例只是本发明的优选的应用实施例，本发明的保护范围并不局限于该实施例。凡在本发明的精神和原则范围内，所作的任何修改、改进、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于FPGA的物联网接入系统，该系统包括接入处理单元、数据采集接口单元、以及无线通讯单元和有线通讯单元，其中：

所述接入处理单元为所述系统的控制处理核心，与数据采集接口单元、无线通讯单元，以及有线通讯单元相连接；

所述数据采集接口单元至少包括专用测量设备接入模块或通用传感器接入模块，该接口单元至少提供一种专用测量设备接口或通用传感器接口；

所述有线通讯单元至少包括以太网通讯模块或串口通讯模块；

所述接入处理单元至少包括一个FPGA芯片及一个存储器芯片；该接入处理单元内部集成嵌入式微处理器和数据缓存模块，并至少包括采集接口协议模块、无线通讯协议接口模块、串口通讯协议模块、以及以太网通讯协议模块中的两个模块。

2.如权利要求1所述的接入系统，其特征在于，所述数据采集接口单元所提供的接口是UART接口、SPI接口、IIC接口、PCI接口或GPIO通用接口中的任意一种或任意组合。

3.如权利要求1所述的接入系统，其特征在于，所述无线通讯单元是基于GPRS、3G、蓝牙Bluetooth、ZigBee或Wi-Fi的无线通讯单元中的任意一种。

4.如权利要求1所述的接入系统，其特征在于，所述接入处理单元至少包括一个采集接口通讯协议模块或无线通讯协议模块。

5.如权利要求1或4所述的接入系统，其特征在于，当所述接入处理单元包括采集接口通讯协议模块时，至少还要包括一个无线通讯协议接口模块、串口通讯协议模块或以太网通讯协议模块。

6.如权利要求1或4所述的接入系统，其特征在于，当所述接入处理单元包括无线通讯协议接口模块时，至少还要包括一个采集接口通讯协议模块、串口通讯协议模块或以太网通讯协议模块。

7.应用权利要求1所述的接入系统的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)通过数据采集接口单元中的专用测量设备接口或传感器接口，实时接收专用测量设备或传感器所采集的数据信息；

2)接入处理单元中的嵌入式微处理器通过控制采集接口通讯协议模块，按照专用测量设备的接口协议或传感器接口协议接收数据信息；

3)接入处理单元中的嵌入式微处理器为步骤2)中接收的数据信息进行数据包封装、缓存及处理；

4)接入处理单元中的嵌入式微处理器将步骤3)中处理后的数据通过无线通讯协议接口模块发送给无线通讯单元；或者，接入处理单元中的嵌入式微处理器将步骤3)中处理后的数据通过有线通讯协议接口模块发送给有线通讯单元中的以太网通讯模块或串口通讯模块；

5)无线通讯单元将步骤4)中接收到的数据封装成无线通信协议格式的数据包，并实现信号功率放大后，发送到无线传输网络中；或者，由有线通讯单元中的以太网通讯模块或串口通讯模块将从步骤4)中接收到的数据信息通过串口或以太网接口发送到有线传输网络；

或者，包括以下步骤：

1)通过无线通讯单元实时接收无线传输数据，并进行相应的数据处理；

2)接入处理单元中的嵌入式微处理器通过无线通讯接口协议模块，正确接收步骤1)中处理后的数据信息；

3)接入处理单元中的嵌入式微处理器为步骤2)中接收的数据信息进行数据包解封装、缓存及处理；

4)接入处理单元中的嵌入式微处理器将步骤3)中处理后的数据通过有线通讯协议接口模块发送给有线通讯单元中的以太网通讯模块或串口通讯模块；

5)有线通讯单元中的以太网通讯模块或串口通讯模块将从步骤4)中接收到的数据信息通过串口或以太网接口发送到有线传输网络；

8.如权利要求7所述的接入方法，其特征在于，在步骤4中所述无线通讯协议接口模块采用异步串行通讯协议，实现与无线通讯单元的通讯控制。

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