CN112333853A

CN112333853A - 一种5g双层结构智能网关

Info

Publication number: CN112333853A
Application number: CN202011129855.6A
Authority: CN
Inventors: 潘浩龙; 吴昌智; 陈谦益; 金杨林
Original assignee: Wuhan Hongxin Technology Development Co Ltd
Current assignee: Wuhan Hongxin Technology Development Co Ltd
Priority date: 2020-10-21
Filing date: 2020-10-21
Publication date: 2021-02-05
Anticipated expiration: 2040-10-21
Also published as: CN112333853B

Abstract

本发明实施例提供一种5G双层结构智能网关，包括：底层嵌入式部分、5G通信部分和高速板对板连接器，底层嵌入式部分通过第一电路板承载核心处理模块、外部接口模块和电源管理模块，实现数字信号处理和电源管理；5G通信部分通过第二电路板承载5G通信模组、WIFI蓝牙模块、LED指示灯模块和射频天线模块，实现射频信号处理；高速板对板连接器通过连接模块将第一电路板和第二电路板进行活动对接。本发明实施例采用底层嵌入式和5G通信的双层结构，能显著缩小网关整机体积，可在不更改底层嵌入式部分结构，仅更换5G通信部分来实现对于其他通信模组的兼容设计，无需进行PCB设计修改以及重新贴装，降低产品生产制造成本。

Description

一种5G双层结构智能网关

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种5G双层结构智能网关。

背景技术

随着5G工业互联网相关项目的快速推进，为了实现企业转型发展这一举措，完成工厂的自动化和智能化升级迫在眉睫。但该转型发展急需大量具备高性能、大容量、且能支撑大流量数据传输设备。与此同时5G技术具有高速、大带宽、低时延优势，辅助5G设备能有效的从传统工厂系统中优化掉大量人力，并能通过移动端及云平台实时接收工业现场信息，了解生产情况，并且实时下发指令，完成生产优化和调度，极大的提高运行效率、降低生产成本、提升产品质量及过程管控，更高效的促进企业转型发展。

随着芯片性能的不断提升，当今智能设备市场越来越青睐于高性能，小体积以及多功能的产品，5G设备不仅仅需要简单的实现5G信号的收发，当大量数据涌入系统平台时，更需要有强大的数据数据处理能力，因此我们需要频率更高，运算速度更快的集成型芯片来完成数据处理，同时需要搭载更大容量的存储器来进行数据存放和提取。搭载更多的芯片势必会增加整个硬件系统的复杂程度，同时由于芯片成本的显著提高，对于传统的网关产品，当现场环境需要替换其他通信模组时，需要连同嵌入式部分一起更换，成本较高。

发明内容

本发明实施例提供一种5G双层结构智能网关，用以解决现有技术中需要更换网关中通信模组时需要同步更换底层嵌入式，导致整体成本过高的缺陷。

本发明实施例提出的5G双层结构智能网关包括：底层嵌入式部分、5G通信部分和高速板对板连接器，所述底层嵌入式部分通过所述高速板对板连接器与所述5G通信部分相连接；其中：

所述底层嵌入式部分通过第一电路板承载核心处理模块、外部接口模块和电源管理模块，实现数字信号处理和电源管理；

所述5G通信部分通过第二电路板承载5G通信模组、WIFI蓝牙模块、LED指示灯模块和射频天线模块，实现射频信号处理；

所述高速板对板连接器通过连接模块将所述第一电路板和所述第二电路板进行活动对接。

进一步地，所述核心处理模块包括核心处理器和存储器，用于完成数据的处理及存储；

所述外部接口模块包括RS232接口、RS485接口、USB接口以及RJ45网口，用于从其它设备进行数据采集或向其它设备发送数据；

所述电源管理模块包括稳压芯片和电源管理芯片，用于为所述核心处理模块及所述5G通信部分提供直流电源，并控制网关进入休眠模式或低功耗模式。

进一步地，所述存储器包括易失性存储器和非易失性存储器，其中：

所述易失性存储器用于存储需要实时发送的信号，实现信号转发；

所述非易失性存储器用于存储需要长期保存的信号，实现信号多选择处理。

进一步地，所述USB接口、所述RS232接口、所述RS485接口和电源接口安装在所述第一电路板顶部或底部，所述RJ45网口安装在所述第一电路板顶部或底部；

所述稳压芯片和所述电源管理芯片安装在所述第一电路板左侧区域或右侧区域，所述稳压芯片为多级结构，根据预设约束条件输出不同目标电压值，为所述电源管理芯片及其它设备进行供电。

进一步地，所述外部接口模块配备ESD防护器件，所述USB接口及所述RJ45网口的金属外壳采用隔离接地处理，所述电源接口处安装防雷防反接电路；

所述RS232接口、所述RS485接口与所述核心处理器之间安装隔离芯片，通过所述RS232接口实现串口打印功能，完成设备调试及设备配置；

所述USB接口和所述RJ45接口用于与PC端相连接，实现有线传输，以及实现设备的固件升级；

所述USB接口用于实现设备生产阶段初始固件烧录。

进一步地，所述5G通信模组为LGA封装类型或BGA封装类型时，采用焊盘进行焊接；

所述5G通信模组为M.2插槽类型或PCI-E插槽类型，采用M.2连接器或PCI-E连接器进行连接。

进一步地，所述5G通信模组和所述WIFI蓝牙模块沿所述第二电路板上部均匀排列；

所述射频天线模块包括若干射频天线和若干GPS天线，所述若干射频天线和所述若干GPS天线与所述5G通信模组和所述WIFI蓝牙模块相连接；

所述LED指示灯模块包括若干个LED指示灯，所述若干个LED指示灯沿所述第二电路板底部边沿均匀排列，用于显示设备工作状态。

进一步地，所述5G通信模组通过无线传输实现设备固件升级。

进一步地，所述连接模块包括连接器公头、连接器母头和固定铜柱，其中：

所述连接器公头安装于所述第一电路板的正面，所述连接器母头安装于所述第二电路板的背面，由所述连接器公头和所述连接器母头相连接实现所述第一电路板和所述第二电路板的活动插接，并通过所述固定铜柱实现所述第一电路板和所述第二电路板的相对位置调节。

进一步地，所述高速板对板连接器为所述核心处理器和所述5G通信模组提供高速总线的物理连接通路，并通过所述电源管理模块为所述第二电路板进行供电。

本发明实施例提供的5G双层结构智能网关，通过采用底层嵌入式和5G通信的双层结构，能显著缩小网关整机体积，可在不更改底层嵌入式部分结构，仅更换第二电路板中的5G通信部分来实现对于其他通信模组的兼容设计，无需对第一电路板进行PCB设计修改以及重新贴装，可显著降低产品生产制造成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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。

图1是本发明实施例提供的整体结构示意图；

图2是本发明实施例提供的整体系统示意图；

图3为本发明实施例提供的底层嵌入式部分示意图；

图4为本发明实施例提供的5G通信部分示意图；

附图标记：

1、第一电路板； 2、第二电路板；

3、5G通信模组； 4、WIFI蓝牙模块；

5、连接器母头； 6、连接器公头；

7、RS485接口； 8、RS232接口；

9、易失性存储器； 10、USB接口；

11、核心处理器； 12、RJ45接口；

13、非易失性存储器； 14、电源管理芯片；

15、电源接口； 16、稳压芯片；

17、固定铜柱。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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他实施例，都属于本发明保护的范围。

针对现有技术存在的缺陷，本发明实施例提出一种5G双层结构智能网关，重点解决当前工业网关所普遍面临的3个问题：一、目前网关设备所采用的主芯片或处理器频率较低、传输速率较慢，且无法完全发挥5G网络低时延、高带宽和高速率优势。二、目前的网关设备将嵌入式部分和通信模组部分置于一块电路板上，当需要对通信模组进行适配时，整块电路板需要重新设计和贴装，成本高；三、目前的5G智能网关设备，元器件数量较之前的网关产品多且5G模组体积显著增大，PCB采用整板设计导致5G智能网关尺寸较大，影响产品在某些限或受限区域环境下的安装及使用。

图1是本发明实施例提供的整体结构示意图，如图1所示，包括：底层嵌入式部分、5G通信部分和高速板对板连接器，所述底层嵌入式部分通过所述高速板对板连接器与所述5G通信部分相连接；其中：

具体地，本发明实施例提出的5G双层结构智能网关包括三个主体部分：底层嵌入式部分、高速板对板连接器和5G通信部分。

其中底层嵌入式部分包括核心处理模块、外部接口模块和电源管理模块，由网关底层的第一电路板1承载上述三个模块，实现网关系统的数字信号处理和电源管理；5G通信部分包括5G通信模组、WIFI蓝牙模块、LED指示灯模块和射频天线模块，由网关上层的第二电路板2承载上述四个模块，实现射频信号处理，完成无线通信功能；由高速板对板连接器通过连接模块将第一电路板1和第二电路板2进行拼接，此处实现了底层嵌入式部分和5G通信部分的灵活对接，能方便快捷地更换上层通信模组，并由于第一电路板1中主要传输的是高速数字信号，第二电路板2中主要传输的是高速射频信号，采用双层结构，能够有效的减少射频信号对嵌入式部分数字信号的干扰。

本发明实施例提供的5G双层结构智能网关，通过采用底层嵌入式和5G通信的双层结构，可在不更改底层嵌入式部分结构，仅更换5G通信部分来实现对于其他通信模组的兼容设计，无需对底层电路板进行PCB设计修改以及重新贴装，可显著降低产品生产制造成本。

基于上述实施例，所述核心处理模块包括核心处理器和存储器，用于完成数据的处理及存储；

其中，所述存储器包括易失性存储器和非易失性存储器，其中：

其中，所述USB接口、所述RS232接口、所述RS485接口和电源接口安装在所述第一电路板顶部或底部，所述RJ45网口安装在所述第一电路板顶部或底部；

其中，所述外部接口模块配备ESD防护器件，所述USB接口及所述RJ45网口的金属外壳采用隔离接地处理，所述电源接口处安装防雷防反接电路；

所述USB接口用于实现设备生产阶段初始固件烧录。

具体地，如图1所示，核心处理模块包括核心处理器11、易失性存储器9和非易失性存储器13，可完成数据的处理及存储；外部接口模块包括电源接口RS232接口8、RS485接口7、USB接口10以及RJ45接口12，可以从其他设备采集数据或向其它设备发送数据；电源管理模块包括稳压芯片16和电源管理芯片14，为核心处理模块以及5G通信部分提供稳定的直流电源，同时可以控制网关进入休眠模式，降低网关能耗。本发明实施例中各接口按照第一电路板1的底部边沿自左而右依次设计安装有电源接口15、USB接口10、RS232接口8和RS485接口7，第一电路板1的顶部边沿安装有RJ45接口12；在底层嵌入式部分左侧区域安装有稳压芯片16和电源管理芯片14，通过多级结构的稳压芯片16，以及电源管理芯片14输出多种不同电压值的目标电压，为核心模块供电；除此之外，电源管理芯片14还可根据约束条件，调整电源输出，从而控制CPU进入休眠或低功耗模式，有效节约网关能耗，同时延长电子器件使用寿命

核心处理器可将需要实时发送的信号存储在易失性存储器9中，实现数据实时转发，也可将需要长期保存的信号数据存储于非易失性存储器13中，实现对数据的长期保存。

又如图2所示，核心处理器11与电源接口15、USB接口10、RS232接口8、RS485接口7和RJ45接口12为电性连接，可通过通信接口连接外部设备，实现信号的接收和发送，能够完成不同通信协议信号的转换；底层嵌入式部分所有接口均配备有ESD防护器件，USB接口10及RJ45接口12的金属外壳采用隔离接地处理，且电源接口15处安装有防雷防反接电路；RS232接口8、RS485接口7与核心处理器间安装有隔离芯片，并且可通过RS232接口8实现串口打印功能，RS232参数为115200.E.8.1；可通过连接USB接口10和RJ45接口12到PC端，实现对网关设备的固件进行升级；可通过连接USB接口10到PC端，实现对网关设备的生产阶段初始固件烧录。

RS232接口8、RS485接口7和RJ45接口12的数量可根据实际需求进行相应的调整增加，通常RS232接口8和RS485接口7安装数量无具体要求；对于RJ45接口12，WAN口的数量通常为1～2个，LAN口的数量通常为1、4或8个，具体使用数量视实际需求而定。

基于上述任一实施例，所述5G通信模组和所述WIFI蓝牙模块沿所述第二电路板上部均匀排列；

其中，所述5G通信模组通过无线传输实现设备固件升级。

具体地，5G通信部分包括5G通信模组3、WIFI蓝牙模块4、LED指示灯模块以及射频天线模块。

5G通信部分各模块分别安装在上层的第二电路板2中，第二电路板2底部边沿安装有多个LED指示灯，分别用于指示网关上电、运行、传输及联网等工作状态；电路板中间位置安装有5G通信模组3，根据5G通信模组3的封装类型不同可针对性设计不同的上层电路板，例如：对于LGA或者BGA等封装类型的5G通信模组，可设计对应焊盘进行焊接；对于已包装设计为M.2或PCI-E插槽类型的5G通信模组，可以安装M.2或PCI-E连接器，再根据模组大小设计固定模组的螺钉孔位，实现此类5G模组的安装；第二电路板2右侧安装有实现WIFI连接及蓝牙匹配的WIFI蓝牙模块，射频天线模块分布于上层电路板各个边沿，安装有多根射频天线和GPS天线，各天线之间存在安全距离，能保证有效隔离并降低天线间干扰。

如图3中5G通信模组3可兼容4G/3G/2G制式的移动通信，适合多种信号环境下的兼容工作；还可通过5G通信模组3的无线传输，实现对网关设备的固件升级；还可通过5G通信模组3与移动端和云平台的无线通信，对网关设备进行配置及调试。此处的移动端包括：移动手机，平板电脑等设备；云平台可以使私人定制云平台或公用云平台。

基于上述任一实施例，所述连接模块包括连接器公头、连接器母头和固定铜柱，其中：

其中，所述高速板对板连接器为所述核心处理器和所述5G通信模组提供高速总线的物理连接通路，并通过所述电源管理模块为所述第二电路板进行供电。

具体地，如图4所示，底层嵌入式部分作为第一电路板1，5G通信部分电路板作为第二电路板2，第二电路板2在第一电路板1上方，两块电路板通过高速板对板连接器相连接，电源由第一电路板1输入，通过高速板对板连接器输出到第二电路板2，实现整个智能网关产品的供电，此外高速板对板连接器为核心处理器和5G模组之间的传输总线提供物理连接，速率可达10Gbps，能够满足所选用USB 3.0协议的传输要求，同时能够支撑5G大流量数据传输，充分发挥5G网络优势的5G设备。

此处，底层嵌入式部分安装在第一电路板1上，5G通信部分安装在第二电路板2上，第一电路板1正面(TOP面)上安装有连接器公头6，第二电路板2背面(BOTTOM面)上安装有连接器母头5，两块电路板通过连接器，即固定铜柱17进行拼接。

可以理解的时，高速板对板连接器为浮动型连接器，可减少上下两层电路板装配误差所造成的影响以及适当抵抗抖动及颠簸环境引起的物理性干扰；高速板对板连接器的堆叠高度可根据底层嵌入式部分中各模块器件高度及芯片散热器安装情况而进行选择；高速板对板连接器将网关设备电路板分为上下两层，可充分利用Z轴空间，显著减小整机大小。同时底层嵌入式部分可兼容多种5G模组，可以在不更改第一电路板1的前提下，仅修改第二电路板2搭载其他模组，具备低成本适配多种5G模组的特点。

基于上述任一实施例，本发明实施例提供的5G双层结构智能网关的整体工作原理如下：

首先将安装有5G通信模块的第二电路板2与底层嵌入式部分的第一电路板1通过高速板对板连接器拼接在一起，随后向第一电路板1上嵌入式部分的接口模块中的电源接口15进行供电，经过稳压芯片16和电源管理芯片14后，输出各种不同电压值的稳定直流电源，为底层嵌入式部分各模块供电，同时直流电源会通过高速板对板连接器输出到第二电路板2中，实现5G通信部分的供电，至此整个网关设备上电完成，进入正常工作状态。第二电路板2上的LED指示灯将会显示网关已成功启动；通过连接RS232接口8、RS485接口7以及RJ45接口12到PLC或者其他工控设备、机械手、传感器等，能够采集工控或作业现场各式信号和数据。同时又可通过以上接口，向PLC、其他工控设备、传感器、机械手等发送指令，实现信号和指令的下发，控制设备进行作业。通过连接RJ45接口12和USB接口10到PC端，均可实现对网关设备固件的升级，USB接口10主要用于网关设备生产阶段初始固件烧录。网关设备正常运行后，利用5G模组，可以通过网络，完成对网关设备固件和应用程序的在线升级；通过连接RS232接口8到PC端，可实现串口打印功能，进而完成对工业智能网关的初始化调试和配置。设备正常运行后也可利用5G模组，通过网络对工业智能网关进行无线配置。

当需要适配其他工业通信模组时，集成了该5G工业智能网关的底层嵌入式部分的第一电路板1可继续使用，通过修改搭载了5G通信部分的第二电路板2，再通过高速板对板连接器与第一电路板1进行连接，通过PC调试更换的工业模组，便可完成不同模组的替换及兼容设计，整个过程中，第一电路板1无需进行更改，能够显著降低新方案生产及修改成本。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种5G双层结构智能网关，其特征在于，包括：底层嵌入式部分、5G通信部分和高速板对板连接器，所述底层嵌入式部分通过所述高速板对板连接器与所述5G通信部分相连接；其中：

2.根据权利要求1所述的5G双层结构智能网关，其特征在于，所述核心处理模块包括核心处理器和存储器，用于完成数据的处理及存储；

3.根据权利要求2所述的5G双层结构智能网关，其特征在于，所述存储器包括易失性存储器和非易失性存储器，其中：

4.根据权利要求2所述的5G双层结构智能网关，其特征在于，所述USB接口、所述RS232接口、所述RS485接口和电源接口安装在所述第一电路板顶部或底部，所述RJ45网口安装在所述第一电路板顶部或底部；

5.根据权利要求4所述的5G双层结构智能网关，其特征在于，所述外部接口模块配备ESD防护器件，所述USB接口及所述RJ45网口的金属外壳采用隔离接地处理，所述电源接口处安装防雷防反接电路；

所述USB接口用于实现设备生产阶段初始固件烧录。

6.根据权利要求1所述的5G双层结构智能网关，其特征在于，所述5G通信模组为LGA封装类型或BGA封装类型时，采用焊盘进行焊接；

7.根据权利要求1所述的5G双层结构智能网关，其特征在于，所述5G通信模组和所述WIFI蓝牙模块沿所述第二电路板上部均匀排列；

8.根据权利要求7所述的5G双层结构智能网关，其特征在于，所述5G通信模组通过无线传输实现设备固件升级。

9.根据权利要求1所述的5G双层结构智能网关，其特征在于，所述连接模块包括连接器公头、连接器母头和固定铜柱，其中：

10.根据权利要求1所述的5G双层结构智能网关，其特征在于，所述高速板对板连接器为所述核心处理器和所述5G通信模组提供高速总线的物理连接通路，并通过所述电源管理模块为所述第二电路板进行供电。