CN209710114U - 一种工业物联网智能网关装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于通讯设备技术领域，公开了一种工业物联网智能网关装置，包括主板、前面板、后面板、核心板和电源模块，其中电源模块与主板、前面板、后面板和核心板电连接；电源模块为后续元器件进行供电，保证系统的正常运行；核心板与主板通过设置在核心板上的板对板接口进行连接，核心板通过嵌入Linux操作系统实现主板、前面板、后面板、核心板之间的数据交互，通过嵌入Linux操作系统，可对复杂指令进行处理，实现对复杂协议的事件逻辑的有效管理，同时也支持多协议处理，使本实用新型处理具有更强的处理协议能力。

Description

一种工业物联网智能网关装置

技术领域

本实用新型属于通讯设备技术领域，具体涉及一种工业物联网智能网关装置，尤其涉及一种满足不同使用需要、传动效率高的工业物联网智能网关装置。

背景技术

2015年5月19日，国务院正式发布了具有划时代意义的《中国制造2025》，为中国制造业由大变强指明了时间表和路线图。与此前德国发布的“工业4.0”、美国主导的“工业互联网”不同的是，《中国制造2025》将两化深度融合作为促进创新、提质增效的主线。因此，作为两化深度融合重要支撑的工业生产领域，将迎来史上最好的智能产业发展与升级改造机遇。将传感器嵌入和装备到电力行业输电、变电和配电领域，石油与天然气行业油气勘探与炼化领域，水资源与水环境的生产保护与监控领域，地质灾害防治及环境监测领域，智能建筑领域（智能家居、智能楼宇、智能建筑机械），以及制造业、冶金、交通、食品、酿造、制药等其他产业领域的生产过程或状态的系统中，并将其普遍连接，即形成所谓的“物联网”；通过超级计算机和云计算将“物联网”整合起来，即可实现人类社会与物理系统的整合。在此基础上，人类可以以更加精细和动态的方式管理生产与生活，从而实现智能产业，或使工业生产达到“智慧”状态。要实现这一目标，必须将物理系统的关键或核心数据进行汇总，因此网关必不可少。而“自主可控”的智能网关，可以实现工业生产过程与状态的实时数据采集、传输与控制功能，随着“互联网＋”、“智能制造”等新概念的融入，更是成为了高端制造企业的迫切需求。

在现有技术下，已经出现了多种网关装备，如RS232 HUB，485HUB等，但其接口类型简单、设备间兼容性差，大多只能实现单一协议数据传输；如CAN终端、485总线以及一些总线HUB等，这类产品不利于复杂环境下多协议的现场。也有少部分设备集成了常用的几种标准通信协议如ModBus、CAN等，但远不能胜任复杂的环境，且数据吞吐量小、实时性能不够优越。

当前，IT技术的发展日新月异。要实现“工业智能化”、“社会智能化”这个目标，需要用到的传感器种类众多，数据的通信协议也日臻复杂多样化，这就对适应这类环境的设备提出了更高的需求。要解决上述问题或不足，该类设备需要实现移动、互联和物联网的多协议灵活集成和扩展，强大的SCADA实时数据处理性能，高数据吞吐，高可靠性，以及面向智能产业的广泛应用（可移植型）等特点。

虽然网关设备科技正在迅速的发展，但现有网关设备依然存在以下问题：在复杂环境下接入设备时兼容性差，通信协议扩展性差，并在进行数据转换时数据吞吐量小且实时性不高。

发明内容

为了解决现有技术存在的上述问题，本实用新型目的在于提供一种满足不同使用需要、传动效率高的工业物联网智能网关装置。

本实用新型所采用的技术方案为：

一种工业物联网智能网关装置，包括主板、前面板、后面板、核心板和电源模块，所述电源模块与所述主板、前面板、后面板和核心板电连接；电源模块为后续元器件进行供电，保证系统的正常运行；所述核心板与主板通过设置在核心板上的板对板接口进行连接，所述核心板通过嵌入Linux操作系统实现主板、前面板、后面板、核心板之间的数据交互，通过嵌入Linux操作系统，可对复杂指令进行处理，实现对复杂协议的事件逻辑的有效管理，同时也支持多协议处理，使本实用新型处理具有更强的处理协议能力。

进一步的，所述前面板包括电源开关、功能处理器板级固件、ARM功能处理器和功能处理器接口；所述板级固件的作用在于：使前面板设置的各个元器件与上级元器件和下级元器件之间实现数据互通；所述ARM功能处理器分为一级ARM功能处理器和二级ARM功能处理器，其中一级ARM功能处理器采用STM32F103RC芯片，所述STM32F103RC芯片是一种嵌入式芯片，故所述一级ARM功能处理器具有高性能、低成本和低功耗的优点；所述二级ARM功能处理器采用STM32F103T8U6芯片；设置多个ARM功能处理器，合理分配ARM功能处理器的工作能力，各个ARM功能处理器负责处理各自工作区域的操作指令，在系统快速运行的同时也保证了系统运行的稳定性。

进一步的，所述功能处理器包括功能处理器一接口和功能处理器二接口，所述功能处理器二接口包括运行指示灯、TFT显示屏和操作键，其中运行指示灯可以直观的给予使用者当前设备的运行状态；所述操作按键采用七键操作按键，通过七键操作按键与TFT显示屏的协作，可以更加智能化的实现人机交互的操作，所述功能处理器一接口包括功能按键、拨码开关、通信指示灯、RS485通信接口和RS422通信接口；

所述二级ARM功能处理器通过所述功能处理器板级固件与所述功能处理器二接口连接，所述一级ARM功能处理器通过所述功能处理器板级固件与所述功能处理器一接口连接。

进一步的，所述后面板包括协处理器一接口、协处理器二接口、核心板接口、地线插口、直流电源输入接口和交流电源输入接口；所述后面板通过所述核心板接口与核心板实现数据交互；

所述协处理器一接口包括RS485通信接口、RS422通信接口和CAN线接口，所述协处理二接口包括GPS接口、ZigBee接口、GPRS天线接口和IRIG-B通信接口，所述核心板接口包括RS232通信接口、RS485通信接口千兆网接口和USB接口，所述千兆网接口包括千兆网一接口和千兆网二接口。

因为采用了多个ARM功能处理器，故在后面板设置多个接口，在合理使用ARM处理器的同时，也增加了本实用新型的实际实用能力。

进一步的，所述核心板包括主处理器、系统固件、板级固件、FLASH闪存和DDR存储器；其中，主处理器采用MPC8313CVRAFF的MPC8313E PowerQUICC II Pro处理器，该处理器有着极佳的运算能力，可以有效且快速的向下级设备传输上级指令，从而实现本使用新型的高效性。

所述系统固件包括实时操作系统模块、数据采集测控与校时模块、通信规约解析处理模块、数据收发通信模块、系统配置模块和系统远程接入模块，所述板级固件包括核心板接口驱动和中间层驱动，其中通信规约解析处理模块IEC60870-5-101/103/104、CDT、SC1801、DNP3.0、IEC61131/61158/61499/61850、POLLING、CANBUS、MODBUS、PROFIBUS、LONWORKS、OPC、DeviceNet、Interbus等三十多种常用的工业现场通信、工业现场总线以及物联网通信的标准协议或规约，从而使本实用新型实现更好的设备兼容性和通信协议扩展性。

同时，通过向系统远程接入服务模块固件中设置远程云平台或第三方系统的IP地址，使本实用新型智能网关装置即可通过所述板级固件并通过千兆网一接口或千兆网二接口有线接入广域互联网络，或者通过所述二级协处理器板级固件并通过GPRS天线无线接入移动互联网络，与远程云平台或第三方系统进行大数据实时通信，使操作更加简便，不用在现场便可使设备正常运行。

进一步的，所述核心板分为核心板顶层、核心板中间层和核心板底层，所述FLASH闪存、主处理器、系统固件设置在核心板顶层，所述核心板底层设有DDR储存器、FLASH闪存和板对板接口。

进一步的，所述主板包括FPGA可编程逻辑芯片、FPGA板级固件、ARM协处理器、协处理器板级固件、风扇、ZigBee模块、GPRS模块和GPS模块；所述风扇设置在主板原理电源的一侧；

所述FPGA可编程逻辑芯片通过所述FPGA板级固件与核心板实现数据通信，所述ARM协处理器通过所述协处理器板级固件与所述FPGA可编程逻辑芯片进行数据通信。

进一步的，所述ARM协处理器包括一级ARM协处理器和二级ARM协处理器，所述一级ARM协处理器通过协处理器板级固件与所述协处理器二接口完成数据通信，所述二级ARM协处理器通过协处理器板级固件与所述协处理器一接口完成数据通信，通过高效有序的数据传输实现大数据高带宽通信目的。

为更好的达到本实用新型的使用效果，FPGA可编程逻辑芯片采用的型号为EPM1270T144I5，一级ARM协处理器采用型号为STM32F103RC的芯片，二级ARM协处理器采用型号为STM32F105RBT6的芯片，将所述一级ARM协助处理器和二级ARM协助处理器实用的芯片与一级ARM功能处理器和二级ARM功能处理器使用的芯片型号保持一致，保证了信号传输的稳定性与正确性；所述ZigBee模块采用型号为CC254xEMv2的芯片，所述GPRS模块采用型号为GTH2232D的芯片，所述GPS模块采用型号为VK1612M3M3的芯片。

进一步的，所述电源模块包括DC12V~DC24V直流电源模块和AC220V交流电源模块，故电源模块实现AC220V电源与DC12V~DC24V智能切换。当设备具备AC220V电源的条件时，智能切换至该电源工作；当无AC220V电源时，智能切换到DC12V~DC24V电源工作；当所述两种电源同时具备时，优先选择AC220V电源。

本使用新型的工作流程如下：当电源模块开始供电后，通过向功能按键或者操作键给出相应指令后，指令进入Linux操作系统，操作系统向下层给出指令完成运行流程。

本实用新型的有益效果为：

（1）嵌入Linux操作系统，可对复杂指令进行处理，实现对复杂协议的事件逻辑的有效管理，同时也支持多协议处理，使本实用新型处理具有更强的处理协议能力。

（2）通过设置多个处理器，使系统可以接受大容量且类型丰富的信息，便于设备组网和连接，便于设备选型，从而可大大降低系统建设成本。

（3）内置了IEC60870-5-101/103/104、CDT、SC1801、DNP3.0、IEC61131/61158/61499/61850、POLLING、CANBUS、MODBUS、PROFIBUS、LONWORKS、OPC、DeviceNet、Interbus等三十多种常用的工业现场通信、工业现场总线以及物联网通信的标准协议或规约，使本实用新型具有高兼容性、高通信协议扩展性的优点。

（4）采用了高度集成的PowerQUICC II Pro处理器和FPGA可编程逻辑芯片，使本使用新型运行更可靠、实时性更高。

附图说明

图1是本实用新型的各面板连接结构示意图；

图2是本实用新型的结构示意图；

图3是本实用新型的工作原理流程图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本实用新型作进一步阐述。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

实施例1：

如图1所示，本实施例的一种工业物联网智能网关装置，包括主板、前面板、后面板、核心板和电源模块，其中电源模块与主板、前面板、后面板和核心板电连接；且电源模块为后续元器件进行供电，保证系统的正常运行；为保证电源模块供电的稳定性，电源模块采用DC12V~DC24V直流电源模块和AC220V交流电源模块两种供电模式，故电源模块可在AC220V电源与DC12V~DC24V智能切换。当设备具备AC220V电源的条件时，智能切换至该电源工作；当无AC220V电源时，智能切换到DC12V~DC24V电源工作；当两种电源同时具备时，优先选择AC220V电源。

核心板与主板之间通过设置在核心板上的板对板接口进行连接；其中前面板包括电源开关、功能处理器板级固件、ARM功能处理器和功能处理器接口；而后面板包括协处理器一接口、协处理器二接口、核心板接口、地线插口、直流电源输入接口和交流电源输入接口；核心板包括主处理器、系统固件、板级固件、FLASH闪存和DDR存储器；主板包括FPGA可编程逻辑芯片、FPGA板级固件、ARM协处理器、协处理器板级固件、风扇、ZigBee模块、GPRS模块和GPS模块。通过主板、前面板、后面板、核心板之间的协作再加上电源的供电，从而实现设备完整的运行。

实施例2：

本实施例是在上述实施例1的基础上进行优化的限定，如图1-3所示，本实施例的一种工业物联网智能网关装置，包括核心板通过嵌入Linux操作系统实现主板、前面板、后面板、核心板之间的数据交互，通过嵌入Linux操作系统，可对复杂指令进行处理，实现对复杂协议的事件逻辑的有效管理，同时也支持多协议处理，使本实用新型处理具有更强的处理协议能力。

对前面板各个部件进行分析，板级固件的作用在于：使前面板设置的各个元器件与上级元器件和下级元器件之间实现数据互通；ARM功能处理器分为一级ARM功能处理器和二级ARM功能处理器，其中一级ARM功能处理器采用STM32F103RC芯片，STM32F103RC芯片是一种嵌入式芯片，故一级ARM功能处理器具有高性能、低成本和低功耗的优点；二级ARM功能处理器采用STM32F103T8U6芯片；设置多个ARM功能处理器，合理分配ARM功能处理器的工作能力，各个ARM功能处理器负责处理各自工作区域的操作指令，在系统快速运行的同时也保证了系统运行的稳定性。

其中，功能处理器包括功能处理器一接口和功能处理器二接口，功能处理器二接口包括运行指示灯、TFT显示屏和操作键，其中运行指示灯可以直观的给予使用者当前设备的运行状态；操作按键采用七键操作按键，通过七键操作按键与TFT显示屏的协作，可以更加智能化的实现人机交互的操作，功能处理器一接口包括功能按键、拨码开关、通信指示灯、RS485通信接口和RS422通信接口；

二级ARM功能处理器通过功能处理器板级固件与功能处理器二接口连接，一级ARM功能处理器通过功能处理器板级固件与功能处理器一接口连接。

对后面板的各个元器件进行分析，值得说明的是，后面板是通过核心板接口与核心板之间实现数据交互；

其中，协处理器一接口包括RS485通信接口、RS422通信接口和CAN线接口，协处理二接口包括GPS接口、ZigBee接口、GPRS天线接口和IRIG-B通信接口，核心板接口包括RS232通信接口、RS485通信接口千兆网接口和USB接口，千兆网接口包括千兆网一接口和千兆网二接口。

因为采用了多个ARM功能处理器，故在后面板设置多个接口，在合理使用ARM处理器的同时，也增加了本实用新型的实际实用能力。

对于核心板来说，核心板的主处理器采用MPC8313CVRAFF的MPC8313E PowerQUICCII Pro处理器，该处理器有着极佳的运算能力，可以有效且快速的向下级设备传输上级指令，从而实现本使用新型的高效性。

系统固件包括实时操作系统模块、数据采集测控与校时模块、通信规约解析处理模块、数据收发通信模块、系统配置模块和系统远程接入模块，板级固件包括核心板接口驱动和中间层驱动，其中通信规约解析处理模块IEC60870-5-101/103/104、CDT、SC1801、DNP3.0、IEC61131/61158/61499/61850、POLLING、CANBUS、MODBUS、PROFIBUS、LONWORKS、OPC、DeviceNet、Interbus等三十多种常用的工业现场通信、工业现场总线以及物联网通信的标准协议或规约，从而使本实用新型实现更好的设备兼容性和通信协议扩展性。

通过向系统远程接入服务模块固件中设置远程云平台或第三方系统的IP地址，使本实用新型智能网关装置即可通过板级固件并通过千兆网一接口或千兆网二接口有线接入广域互联网络，或者通过二级协处理器板级固件并通过GPRS天线无线接入移动互联网络，与远程云平台或第三方系统进行大数据实时通信，使操作更加简便，不用在现场便可使设备正常运行。

为减少核心板的占用面积，将核心板分为核心板顶层、核心板中间层和核心板底层，FLASH闪存、主处理器、系统固件设置在核心板顶层，核心板底层设有DDR储存器、FLASH闪存和板对板接口。

最后是对主板进行说明，主板包括FPGA可编程逻辑芯片、FPGA板级固件、ARM协处理器、协处理器板级固件、风扇、ZigBee模块、GPRS模块和GPS模块；风扇设置在主板原理电源的一侧；

FPGA可编程逻辑芯片通过FPGA板级固件与核心板实现数据通信，ARM协处理器通过协处理器板级固件与FPGA可编程逻辑芯片进行数据通信。

作为优选的，ARM协处理器分为一级ARM协处理器和二级ARM协处理器，一级ARM协处理器通过协处理器板级固件与协处理器二接口完成数据通信，二级ARM协处理器通过协处理器板级固件与协处理器一接口完成数据通信，通过高效有序的数据传输实现大数据高带宽通信目的。

为更好的达到本实用新型的使用效果，FPGA可编程逻辑芯片采用的型号为EPM1270T144I5，一级ARM协处理器采用型号为STM32F103RC的芯片，二级ARM协处理器采用型号为STM32F105RBT6的芯片，将一级ARM协助处理器和二级ARM协助处理器实用的芯片与一级ARM功能处理器和二级ARM功能处理器使用的芯片型号保持一致，保证了信号传输的稳定性与正确性；ZigBee模块采用型号为CC254xEMv2的芯片，GPRS模块采用型号为GTH2232D的芯片，GPS模块采用型号为VK1612M3M3的芯片。

本实用新型不局限于上述可选实施方式，任何人在本实用新型的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是落入本实用新型权利要求界定范围内的技术方案，均落在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种工业物联网智能网关装置，其特征在于：包括主板、前面板、后面板、核心板和电源模块，所述电源模块与所述主板、前面板、后面板和核心板电连接；所述核心板与主板通过设置在核心板上的板对板接口进行连接，所述核心板通过嵌入Linux操作系统实现主板、前面板、后面板、核心板之间的数据交互。

2.根据权利要求1所述的一种工业物联网智能网关装置，其特征在于：所述前面板包括电源开关、功能处理器板级固件、ARM功能处理器和功能处理器接口；所述ARM功能处理器包括一级ARM功能处理器和二级ARM功能处理器。

3.据权利要求2所述的一种工业物联网智能网关装置，其特征在于：所述功能处理器包括功能处理器一接口和功能处理器二接口，所述功能处理器二接口包括运行指示灯、TFT显示屏和操作键，所述功能处理器一接口包括功能按键、拨码开关、通信指示灯、RS485通信接口和RS422通信接口；

所述二级ARM功能处理器通过所述功能处理器板级固件与所述功能处理器二接口连接，所述一级ARM功能处理器通过所述功能处理器板级固件与所述功能处理器一接口连接。

4.根据权利要求3所述的一种工业物联网智能网关装置，其特征在于：所述后面板包括协处理器一接口、协处理器二接口、核心板接口、地线插口、直流电源输入接口和交流电源输入接口；所述后面板通过所述核心板接口与核心板实现数据交互；

所述协处理器一接口包括RS485通信接口、RS422通信接口和CAN线接口，所述协处理二接口包括GPS接口、ZigBee接口、GPRS天线接口和IRIG-B通信接口，所述核心板接口包括RS232通信接口、RS485通信接口千兆网接口和USB接口，所述千兆网接口包括千兆网一接口和千兆网二接口。

5.根据权利要求1所述的一种工业物联网智能网关装置，其特征在于：所述核心板包括主处理器、系统固件、板级固件、FLASH闪存和DDR存储器；

所述系统固件包括实时操作系统模块、数据采集测控与校时模块、通信规约解析处理模块、数据收发通信模块、系统配置模块和系统远程接入模块，所述板级固件包括核心板接口驱动和中间层驱动。

6.根据权利要求5所述的一种工业物联网智能网关装置，其特征在于：所述核心板分为核心板顶层、核心板中间层和核心板底层，所述FLASH闪存、主处理器、系统固件设置在核心板顶层，所述核心板底层设有DDR储存器、FLASH闪存和板对板接口。

7.根据权利要求1所述的一种工业物联网智能网关装置，其特征在于：所述主板包括FPGA可编程逻辑芯片、FPGA板级固件、ARM协处理器、协处理器板级固件、风扇、ZigBee模块、GPRS模块和GPS模块；所述风扇设置在主板原理电源的一侧；

所述FPGA可编程逻辑芯片通过所述FPGA板级固件与核心板实现数据通信，所述ARM协处理器通过所述协处理器板级固件与所述FPGA可编程逻辑芯片进行数据通信。

8.根据权利要求7所述的一种工业物联网智能网关装置，其特征在于：所述ARM协处理器包括一级ARM协处理器和二级ARM协处理器，所述一级ARM协处理器通过协处理器板级固件与所述协处理器二接口完成数据通信，所述二级ARM协处理器通过协处理器板级固件与所述协处理器一接口完成数据通信。

9.根据权利要求1所述的一种工业物联网智能网关装置，其特征在于：所述电源模块包括DC12V~DC24V直流电源模块和AC220V交流电源模块。