CN206962829U - 一种车辆安控物联网接入设备的主板 - Google Patents

Abstract

一种车辆安控物联网接入设备的主板属于物联网领域，包括安控终端FPGA模块、通信模块、网络视频接口模块、数据传感模块和供电模块。本实用新型提供一种车辆安控物联网终端装置的接入系统，实现多路高清音视频监控信息和环境参数的无线4G高速实时传输，同时也能够通过以太网、通用通信接口进行有线传输。通过简单的定制接口和传输应用配置，就能够分别构成满足车辆安控物联网接入的各种设备装置。具有通用性好、构造配置简单的特点，大大降低车辆安控物联网接入硬件设备装置开发生产的难度和成本。

Description

一种车辆安控物联网接入设备的主板

技术领域

本实用新型涉及一种可实现多种信息采集、处理和传输的车辆安控物联网终端装置的集成设计主板，该主板具有通用模块化接口设计，属于计算机网络领域。

背景技术

随着互联网技术的普及，以及嵌入式技术、传感器技术和无线传输技术的迅速发展，信息网络对人们生活方式的影响越来越大，并深入到各应用领域当中进一步发挥其影响力。这些技术将人们的感知世界进行广阔地延伸，从而将各种逻辑上的信息与真实物理世界融合在一起，满足了人们信息获取的“无所不在”需求，改变着人们与自然的交互方式。

物联网是新一代信息技术的重要组成部分，它通过各种信息传感设备按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理。物联网接入方式是多种多样的，如广域的PSTN、互联网、无线通信网络等。公交车物联网安控终端也需要多种信息数据的接入，包括音视频、报警信息、温度数据和GPS位置数据等等。车辆安控终端设备将多种接入手段整合起来，统一互联到接入网络的车辆安控监控平台系统。它们可满足多种传感器的接入需求，通过无线网络拓展与互联网接入实现车辆智能化监控与管理。

为了响应我国“智能公交”智能公交调度和管理的要求，融合现代计算机、通信、高级传感和测控等物联网技术，新一代采集系统的设计需要满足智能交通的多种信息采集和实时、准确、高效的综合管理的要求。而现有的公交系统数据采集和传输设备及系统，信息采集和传输功能单一、接入模块的可扩展性较差。而现有的数据采集和传输设备及系统，信息采集和传输功能单一、接入模块的可扩展性较差。车载视频监控大都仍是低分辨率的模拟视频，且很少能支持实时远程网络监控。并且多路模拟视频接入通道都需要专门配置接入采集芯片，电路集成度很低，整体功耗高，不利于应用设计和通用配置设备。车载视频监控也难以对节点的传感采集和传输功能进行扩展，对于新的应用场景更要对节点硬件结构进行重新设计，再开发较复杂且周期长。这不但难于实现多平台无线设备接入，且成本较高，限制了物联网接入技术的推广应用。

因此本实用新型利用FPGA SoC设计提供一种支持多种传感器、高清数字视频实时监控、有线/无线通信传输和互联网接入的通用集成设计，能够进行多种传感器和采集设备的采集数据信息传输和转发，并提供多种物联网接入的传输方式。能够广泛应用于各种车辆安控物联网的数据采集和传输设备，提高安控应用服务质量和降低物联网组网成本。

实用新型内容：

针对物联网技术的迅速发展，为了扩展现有技术的应用领域，解决上述存在的问题，因此需要设计一种多种信息数据采集、功能可重构扩展、能够适用于多种场景的物联网接入硬件系统。从而保证车辆安控物联网系统接入的设计灵活性较强，进而减少物联网接入技术推广时的设计复杂度。

本实用新型提供一种支持多种传感器、无线传输和网络传输的车辆安控物联网终端的主板，最终实现：通过添加与扩展模块接口匹配的传感器接口和控制IP核，完成对多种数据传感数据的采集；以及设置信息数据的应用传输模式，从而适用于多种车辆安控物联网终端设备设计需求；同时支持多路高清网络视频数据的实时采集、处理和传输。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种车辆安控物联网接入设备的主板，其特征在于：包括安控终端 FPGA模块、通信模块、网络视频接口、数据传感模块、LCD12864点阵显示模块、硬盘存储模块和供电模块。其中：

所述的安控终端FPGA模块为所述一种车辆安控物联网接入设备的主板的控制和处理核心，与通信模块、网络视频接口、数据传感模块、硬盘存储模块相连接；

所述的通信模块，至少包含一无线通信4G模块，SIM卡热插拔模块；

所述的网络视频接口，至少包含一路网络视频数据接口；

所述的数据传感模块，至少包含一GPS模块；

所述的硬盘存储模块，至少包含一硬盘接入接口；

所述的LCD12864点阵显示模块，至少包含一块LCD液晶点阵显示屏模块；

进一步的，所述一种车辆安控物联网接入设备的主板，其特征在于，所述的通信模块包括以太网接入接口。

进一步的，所述一种车辆安控物联网接入设备的主板，其特征在于，网络视频接口采用多路高清网络视频接入电路，包含多路网络视频数据接口。

进一步的，所述一种车辆安控物联网接入设备的主板，其特征在于，所述的数据传感模块包括温度传感器和报警器接口。

进一步的，所述一种车辆安控物联网接入设备的主板，其特征在于，所述的硬盘存储模块包括多块监控专用硬盘接入接口。

进一步的，所述一种车辆安控物联网接入设备的主板，其特征在于，所述的通信模块，采用基于4G或Wi-Fi的无线通信协议和标准mini PCIe 通信接口。

进一步的，所述车辆安控物联网终端FPGA模块，其特征在于，所述的传感器接口，采用基于标准I²C、I²S、SPI或UART的传感器通信接口。

所述的一种车辆安控物联网接入设备的主板以FPGA模块为中心，通信模块、网络视频接口、数据传感模块、硬盘存储模块都由FPGA芯片进行设置和控制。

所述的通信模块包含无线通信模块和以太网通信接口。无线通信模块与FPGA模块相连接，用于进行无线通信数据接入；以太网通信接口与以太网PHY芯片相连接，用于进行本地系统数据传输和配置操作。

所述的网络视频接口，通过网络交换机芯片与FPGA模块相连接，用于接入多路网络视频数据流，进行实时高清音视频数据的采集。

所述的数据传感模块，包含GPS模块、温度传感器、报警器接口及扩展传感接口，用于提供位置信息、环境温度等多种传感数据的实时采集；所有数据传感接口采用通信GPIO扩展标准I²C、I²S、SPI等传感器通信协议。

所述的LCD12864点阵显示模块，包含一块LCD12864尺寸的点阵显示屏幕，和打印机DB9接口，鼠标USB接口，以及控制LCD12864显示的上拉、下拉、打印、翻页等定义的按键接口。

所述的电源模块，是通过主板多路分级供电电路输出多种电平标准的稳压电源，为各个功能模块和芯片电路提供所需运行电平，以及设计了电源延时设计，可以在断电的情况下持续为整套终端继续供电。

本实用新型在以上技术方案中的有益效果为：

1)本实用新型提出了一种应用于车物安控联网终端装置的主板。该主板适用于多种车辆安控物联网应用环境中的接入设备装置，支持无线数据通信和网络数据传输，可以载有或接入多种模拟/数字传感器和采集设备，支持高清网络音视频数据实时监控，具有适用范围广、可扩展性好等优点。

2)兼容多种传感器和采集设备，可以包含温度传感器、湿度传感器多种模拟/数字传感器；可以接入多路网路高清摄像头，通过工业以太网通信接口交互；可以采集各种环境参数和监测数据。上述传感器和采集设备可以适用于工农业生产、环境监测、车辆安控等广泛的应用领域。

3)支持多种数据通信方式，可以通过无线通信网络、以太网有线网络等终端进行通信。能够满足物联网接入系统的多种采集设备需求，支持多种物联网接入方式，降低了物联网接入网络的组网成本。

4)本实用新型的电源采用统一的标准电源接口，支持宽范围供电输入，能够满足各种应用环境的要求。

附图说明：

图1为公交车物联网安控终端装置的主板的硬件结构框图；

图2为公交车物联网安控终端装置的音视频传输接口的连接图；

图3是音视频传输接口的连接图。

具体实施方式：

通过借助附图详细描述本实用新型的实施例，将有助于理解本实用新型的目的和优点，其中：

图1是车辆安控物联网终端装置的主板的硬件结构框图。主板包含核心FPGA模块接口，还有视频采集通道接入接口、温度传感器接入接口、 GPS模块以及扩展wifi模块；同时，FPGA主板还有上行传输通道接口，分别是以太网网络接口和4G无线模块。FPGA主板还有系统调试配置电路、电源供电模块电路、HDMI视频输出接口和SATA存储接口。

FPGA模块设计是基于Zynq XC7Z020芯片的FPGA物联网接入信息数据处理的模块电路，它包含FPGA核心芯片，模块配置和数据存储芯片QSPI Flash，模块运行高速缓存器件DDR3芯片组以及系统时钟。FPGA核心芯片采用Zynq XC7Z020芯片，QSPI Flash选用Micron的 N25Q128A13BSF40F芯片(容量16MB)，DDR3芯片则采用四颗Micron的 MT41J256M8HX-15E芯片(每颗容量256MB)，为FPGA系统提供1GB 的运行缓存。

接口电路是安控终端设备的多种数据信息前端物理连接接入接口，包括4路视频采集通道、音频采集通道，外接人工报警按键的接入端口，以太网网络接入接口。其中音视频数据信息采集通过网络摄像头网络数据接口接入接口，通过网络接口芯片接到主板音视频输入通道上；以太网网络 PHY接入通过以太网控制芯片88E1111连接FPGA芯片Enet接口。

图2为车辆安控物联网终端装置的硬件系统的工作示意图。

(1)安控终端FPGA模块安控终端FPGA模块采用Zynq 7FPGA SoC系统主芯片(xc7z020clg484-1)，它使用Artix^TM-7FPGA可编程逻辑，以实现低功耗、低成本的大批量应用。该芯片集成PS处理器核硬件配置，具有双核ARM Cortex^TM-A9 MPCore。FPGA芯片SoC系统4-6路视频数据和音频数据通过网口IP核接入到系统AXI总线，温度传感器通过定制网口控制IP核接入，GPS信息通过标准UART IP核接入，统一接口wifi模块也是通过标准UART接入。而上行接口以太网传输则是使用PS MIO Enet接口交互，3G/4G无线通过USB接口转接无线模块进行通信。

该模块主要含有FPGA处理器、外部时钟晶振、外扩存储芯片，以及以太网接口芯片。其中，FPGA主芯片为Xilinx的zynq系列XC7Z020芯片，该芯片是模块的处理器核心器件，由它实现物联网汇集嵌入式系统的软硬件控制，实现对传感器数据的采集和控制，实现FPGA嵌入式系统的应用，支撑对外的网络通信和串口通信交互。

存储器件FLASH是模块的程序和数据存储芯片，实现FPGA系统的自启动配置的必需外设，该芯片选用N25Q128A13BSF40F (Micron/Numonyx)，该款芯片是存储容量为16MB的4bit QSPI FLASH，支持x1/x2/x4的操作模式。模块使用外部缓存DDR3芯片，使用Micron的MT41K256M8DA，为256MB的DDR3缓存器件，使用x16接口，封装 FBGA84；该芯片可以支持以400Mhz时钟驱动的800Mb/s的数据操作。模块使用外部时钟源，由一个200Mhz晶振提供；FPGAPS处理器核则单独由一个33.33Mhz晶振提供运行参考时钟。模块接口，使用表贴焊盘接口，共 200pin。这些引脚分别是模块电源地、无线3G通信接口、GPS接口、传感器接口、JTAG1下载线、状态指示及系统复位、USB通信、GPIO。

(2)温度传感器接口主板支持多种传感器接口，通过多路通用GPIO扩展单总线、RS232等接口，支持温度传感器、气体传感器等多种环境信息数据的采集。将采集到的环境信息数据传给FPGA物联网接入模块进行处理，并最终与其他采集数据一起通过3G无线模块或者USB接口最终传给 PC应用端进行处理和显示。

(3)GPS模块GPS模块为Ublox的NEO-6M GPS通信模块，它采用Atmel 的无线GPS定位芯片，以及GPS专用接收天线，主板为模块提供电路接入点，为表贴形式。

(4)4G模块4G模块为基于华为的ME3760模块，模块使用标准 MiniPCIe接口，该模块集成4G无线通信和RF天线。主板为模块提供电路接入点，为表贴插件形式。4G模块采用USB2.0通信接口，需要一个USB PHY芯片转换成ULPI接口与FPGA进行通信交互，这里使用USB3320接口芯片。

(5)以太网接口以太网接口直接由FPGA模块的以太网接口信号连接，同过以太网PHY连接器接入有线以太网网络，进行数据通信交互。

(6)wifi模块接口主板同时支持通用wifi的统一接入接口，通过扩展 GPIO连接FPGA模块。接收前端基于wifi无线信号的信息采集，也可以将安控终端配置信息发送到前端采集器。

(7)User IO扩展接口另外主板额外提供64pin可扩展通用GPIO接口，支持用户自定义接口扩展，扩展设计标准接口和自定义设计通信、控制接口。

图3是音视频传输接口的连接图。

(1)视频传输接口视频传输接口子卡接口电路采用网络摄像头网口接入方式。系统使用4-6路网络视频数据输入通道。通过网口芯片与FPGA进行交互。

(2)主板系统配置电路USB接口主板的调试通信接口，它通过一个USB 接口控制芯片CP2103与FPGA模块交互，数据格式是采用UART数据通讯方式；

1)按键：分为用户按键和内置按键两种。

用户按键包括开关按键(POWER)和复位按键(Rst_Z)外露，供用户使用。

内置按键包括FPGA控键(FPGA_B)，内置不外露。

2)指示灯电路：分为上电指示灯和状态指示灯两部分。

上电指示灯显示系统是否正常上电，亮：系统正常上电；灭：未上电/ 电源电路故障。

状态指示灯分为四个：

a)状态指示灯1显示系统的工作状态。

b)状态指示灯2显示视频子卡的工作状态。

c)状态指示灯3显示3G无线网络接口数据发送状态，闪烁：正在进行数据的发送；熄灭：太网接口没有进行数据发送或接口电路故障。

3)JTAG电路：分为JTAG接口1和JTAG接口2，分别为采集器设计人员提供FPGA的程序下载调试接口，内置不外露。

主板电源模块即供电电路，为5路直流变电电路，分别为系统提供12v、 5v、3.3V、2.5V、1.8v、1.5V、1.2V、1.0，0.75V电源，输入为24V直流，由车载电源提供。

Claims (4)

1.一种车辆安控物联网接入设备的主板，其特征在于：包括安控终端FPGA模块、通信模块、网络视频接口模块、LCD12864点阵显示模块、数据传感模块和供电模块；数据传感模块至少包含温度传感器和报警器接口；安控物联网终端FPGA模块与通信模块、网络视频接口模块、数据传感模块、硬盘存储模块和LCD12864点阵显示模块相连接；通信模块至少包含一个无线通信4G模块，并且包括以太网接入接口；网络视频接口模块采用多路高清网络视频接入电路，至少包含一路网络视频数据的航空头接口。

2.根据权利要求1所述的主板，其特征在于：硬盘存储模块至少包含一路监控专用硬盘接入接口。

3.根据权利要求1所述的主板，其特征在于：通信模块采用基于4G、Wi-Fi的无线通信协议或标准mini PCIe通信接口一种或多种。

4.根据权利要求1所述的主板，其特征在于：传感器接口采用基于标准I²C、I²S、SPI或UART的传感器通信接口一种或多种。