CN212572599U - 一种用于安全帽系统的智能网关 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于安全帽系统的智能网关，网关由用于数据控制和处理的主控模块、用于无线射频数据收发的射频模块、用于对外接口及人机交互的接口交互模块、供电模块构成，供电模块为主控模块、射频模块、接口交互模块提供电能，所述主控模块与射频模块、接口交互模块信号连接，所述主控模块分别与射频模块、接口交互模块进行双向数据传输，所述主控模块包括MCU处理器单元、WIFI无线单元、4G无线单元、GPS定位单元。网关负责调度系统中所有安全帽的传输频段和传输时间，保证在一定时间范围内，通过射频网络采集系统中所有安全帽的数据，将数据进行初步的预处理，然后通过互联网或者局域网将采集到的安全帽的数据上传到云端服务器中。

Description

一种用于安全帽系统的智能网关

技术领域

本实用新型涉及无线通信技术领域，具体为一种用于安全帽系统的智能网关。

背景技术

智能安全帽系统中，安全帽的数据通过无线射频网络进行传输，无线射频网络一般采用星型网络结构，通过无线射频网络将安全帽中各种传感器采集的数据传输到网关中，网关为星型网络结构的中心点和汇聚点，网关负责调度系统中所有安全帽的传输频段和传输时间，保证在一定时间范围内，通过射频网络采集系统中所有安全帽的数据，将数据进行初步的预处理，然后通过互联网或者局域网将采集到的安全帽的数据上传到云端服务器中。

本发明公开了一种用于安全帽系统的智能网关，网关由主控模块，射频模块，接口交互模块，供电模块4部分组成，网关为星型网络结构的中心点和汇聚点，网关负责调度系统中所有安全帽的传输频段和传输时间，保证在一定时间范围内，通过射频网络采集系统中所有安全帽的数据，将数据进行初步的预处理，然后通过互联网或者局域网将采集到的安全帽的数据上传到云端服务器中。

网关除了具有控制无线射频网络的数据收发功能外，还具有完善的自检系统，实现故障精确定位，设置集中器单元，可以方便的进行无线射频网络中安全帽数目的扩展，并且具有安全帽固件自主升级的功能，用户可以自主实现安全帽固件的升级。

现有技术的缺陷和不足：

目前网关自检系统不完善，出现故障时，定位故障过程困难；

目前网关大多是物联网通用网关，无法实现系统中安全帽的固件升级以及其他针对于智能安全帽系统的优化设计；

目前网关支持最大安全帽数目为固定值，需要扩展系统中安全帽数目，只能更换网关，系统扩展性不强，成本高。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种用于安全帽系统的智能网关，以解决上述背景技术中提出的问题。

为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种用于安全帽系统的智能网关，网关由用于数据控制和处理的主控模块、用于无线射频数据收发的射频模块、用于对外接口及人机交互的接口交互模块、供电模块构成，供电模块为主控模块、射频模块、接口交互模块提供电能，所述主控模块与射频模块、接口交互模块信号连接，所述主控模块分别与射频模块、接口交互模块进行双向数据传输，所述主控模块包括MCU处理器单元、WIFI无线单元、4G无线单元、GPS定位单元。

优选地，所述MCU处理器单元采用Allwinner-H3芯片，内嵌Linux操作系统。

优选地，所述WIFI无线单元采用RTL8188芯片，所述WIFI无线单元通过USB接口与MCU处理器单元的USB接口连接。

优选地，所述4G无线单元采用ME909s-821a芯片，所述4G无线单元通过USB接口与MCU处理器单元的USB接口连接。

优选地，所述GPS定位单元采用ATGM336H-5N芯片，所述GPS定位单元通过UART 接口与MCU处理器单元的UART接口连接，用以获取网关的地理位置信息。

优选地，所述射频模块包括集中器单元和射频收发单元，所述集中器单元至多同时与8 个射频收发单元通讯连接。

优选地，所述集中器单元采用5CEBA2 FPGA芯片，所述集中器单元通过SPI接口与MCU处理器单元通讯，通过SPI端口与射频收发单元通讯；所述射频收发单元由SX1278无线射频芯片组成，通过SPI端口与集中器单元通讯。

优选地，所述接口交互模块包括USB单元、USB转UART单元、RJ45网口单元、TF 卡接口单元、LED灯指示单元、SIM卡接口单元。

优选地，所述USB单元由一个USB接口组成，与MCU处理器单元的USB接口连接；所述USB转UART单元由一个USB接口组成，与MCU处理器单元的UART接口连接；所述RJ45网口单元由一个RJ45网口接口组成，与MCU处理器单元的网络接口连接；所述 TF卡接口单元由一个TF卡接口组成，与MCU处理器单元的SDC接口连接；所述LED灯指示单元由3个LED灯组成，与MCU处理器单元的GPIO接口连接；所述SIM卡接口单元由一个SIM卡接口组成，与4G无线单元连接。

优选地，所述供电模块包括给控制网关总电源通断的总开关单元及给主控模块、射频模块、接口交互模块中的单元独立供电的若干供电单元。

与现有技术相比，本实用新型所达到的有益效果是：

1、网关由主控模块，射频模块，接口交互模块，供电模块4部分组成，网关为星型网络结构的中心点和汇聚点，网关负责调度系统中所有安全帽的传输频段和传输时间，保证在一定时间范围内，通过射频网络采集系统中所有安全帽的数据，将数据进行初步的预处理，然后通过互联网或者局域网将采集到的安全帽的数据上传到云端服务器中。

2、网关具有完善的初始化自检设计，可以实现故障的精确定位。

3、网关具有USB转UART单元，可以实现用户自主升级安全帽固件，升级过程简单，无需复杂的软件操作。

4、网关设置集中器单元，一个集中器单元可以支持8个SX1278射频收发单元，用户需要扩展系统中安全帽数目时，只需要增加相应的射频收发单元或者集中器单元即可，无需更换网关其他模块，扩展方便，成本低。

附图说明

图1是本实用新型用于安全帽系统的智能网关结构框图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1所示，本实用新型提供一种用于安全帽系统的智能网关，网关由用于数据控制和处理的主控模块、用于无线射频数据收发的射频模块、用于对外接口及人机交互的接口交互模块、供电模块构成，供电模块为主控模块、射频模块、接口交互模块提供电能，所述主控模块与射频模块、接口交互模块信号连接，所述主控模块分别与射频模块、接口交互模块进行双向数据传输，所述主控模块包括MCU处理器单元、WIFI无线单元、4G无线单元、GPS定位单元。

所述MCU处理器单元由Allwinner-H3芯片组成，内嵌Linux操作系统。

所述WIFI无线单元由RTL8188芯片组成，所述WIFI无线单元通过USB接口与MCU 处理器单元的USB接口连接。WIFI无线单元有Station模式和AP模式两种工作模式，AP 模式下，产生WIFI热点，供其他设备连接，Station模式下，连接到已有WIFI网络中，实现通过WIFI连接到互联网。

所述4G无线单元由ME909s-821a芯片组成，所述4G无线单元通过USB接口与MCU 处理器单元的USB接口连接，可以通过4G网络连接到互联网。

所述GPS定位单元由ATGM336H-5N芯片组成，所述GPS定位单元通过UART接口与MCU处理器单元的UART接口连接，用以获取网关的地理位置信息。

所述射频模块包括集中器单元和射频收发单元。

所述集中器单元由5CEBA2 FPGA芯片组成，所述集中器单元通过SPI接口与MCU处理器单元通讯，通过SPI端口与射频收发单元通讯；所述射频收发单元由SX1278无线射频芯片组成，通过SPI端口与集中器单元通讯。

所述接口交互模块包括USB单元、USB转UART单元、RJ45网口单元、TF卡接口单元、LED灯指示单元、SIM卡接口单元。

所述USB单元由一个USB接口组成，与MCU处理器单元的USB接口连接，负责网关的USB对外接口，可以实现网关对外部USB设备(例如U盘等)的支持；所述USB转UART 单元由一个USB接口组成，与MCU处理器单元的UART接口连接；所述RJ45网口单元由一个RJ45网口接口组成，与MCU处理器单元的网络接口连接，负责网关的有线网络的连接以及网络状态的指示；所述TF卡接口单元由一个TF卡接口组成，与MCU处理器单元的 SDC接口连接；所述LED灯指示单元由3个LED灯组成，与MCU处理器单元的GPIO接口连接，3个LED灯分别负责指示系统的电源状态，系统故障状态，网络连接状态；所述 SIM卡接口单元由一个SIM卡接口组成，与4G无线单元连接。

所述供电模块包括给控制网关总电源通断的总开关单元及给主控模块、射频模块、接口交互模块中的单元独立供电的若干供电单元，给主控模块、射频模块、接口交互模块中的单元独立供电的若干供电单元包括：

处理器供电单元，由TLV62130芯片组成，将输入电源稳压为3.3V，给MCU处理器单元供电；

集中器供电单元，由TLV62130芯片组成，将输入电源稳压为3.3V，给集中器单元供电；

射频供电单元，由TLV62130芯片组成，将输入电源稳压为3.3V，给射频收发单元供电；

USB供电单元，由两个tlv62569芯片组成，分别负责给USB单元、USB转UART单元供电；

组合供电单元，由TLV62130芯片组成，将输入电源稳压为3.3V，给WIFI无线单元、4G无线单元、GPS定位单元供电。

本实用新型的工作原理：

开机自检与初始化流程

步骤1、网关接入DC5-12V电源，打开总开关单元，处理器供电单元，集中器供电单元，射频供电单元，USB供电单元，其他供电单元开始工作；

步骤2、MCU处理器单元检测VCCFPGA_GOOD，VCCLORA_GOOD， VCC3P3V_GOOD，FPGA_EN引脚是否正常工作，若正常工作进入步骤3，否则进入步骤4；

VCCFPGA_GOOD指的是集中器供电单元状态引脚，引脚高电平3.3V表示集中器供电单元正常，引脚低电平0V表示集中器供电单元异常；

VCCLORA_GOOD指的是射频供电单元状态引脚，引脚高电平3.3V表示射频供电单元正常，引脚低电平(0V)表示射频供电单元异常；

VCC3P3V_GOOD指的是其他供电单元状态引脚，引脚高电平3.3V表示其他供电单元正常，引脚低电平(0V)表示其他供电单元异常；

FPGA_EN指的是供电芯片的开关引脚，引脚高电平3.3V表示两个单元的供电芯片开始工作，引脚低电平0V表示两个单元的供电芯片停止工作。

步骤3、根据用户设置，选择使用联网方式，若使用WIFI无线单元进入步骤5，若使用 4G无线单元进入步骤6，若使用RJ45网口单元，进入步骤7；

步骤4、闪烁LED灯指示单元中的电源状态指示灯，指示电源系统出现故障，网关停止工作，直到故障解除；

步骤5、根据用户设置，设置WIFI无线单元的工作模式为Station模式或AP模式，正确配置WIFI联网参数，进入步骤8；

步骤6、使能LTE_POWER引脚，启动4G无线单元，启动完成后，运行自动拨号程序，实现自动拨号联网，进入步骤8；LTE_POWER引脚为4G无线单元开关使能引脚，用于控制4G无线单元的开关。

步骤7、根据用户设置，设置RJ45网口单元的有线网络连接，进入步骤8；

步骤8、启动网络连通检测程序，判断网关网络是否联通，网络联通进入步骤9，否则进入步骤10；

步骤9、启动GPS定位单元，获取目前网关的地理位置信息，进入步骤11；

步骤10、闪烁LED灯指示单元中的网络连接状态指示灯，指示网络连接失败，网关停止工作，直到故障解除；

步骤11、集中器单元控制所有的射频收发单元进行轮询的收发检测步骤，例如射频收发单元1发送数据包，其他射频收发单元接收，用来判断射频收发单元1的发送以及其他射频收发单元的接收功能是否正常，然后射频收发单元2发送，其他射频收发单元接收，依次循环，若所有射频收发单元收发检测正常通过，进入步骤13，否则进入步骤12；

步骤12、闪烁LED灯指示单元中的系统故障状态指示灯，指示射频收发系统出现故障，直到故障解除，为保证其他无故障的射频收发单元可以正常工作，进入步骤13；

步骤13、系统自检完成，进入工作状态，向服务器发送固件版本查询请求，若服务器中的安全帽固件版本高于网关中已储存的安全帽固件版本，则将网关中的安全帽固件更新为服务器中的安全帽固件，并进入工作流程；

工作流程包括步骤14～步骤27：

步骤14、根据系统时序要求，集中器单元通过SPI接口控制相应的射频收发单元进行数据收发；

步骤15、MCU处理器单元与集中器单元之间通过SPI接口进行通讯，MCU处理器从集中器单元读取数据并处理过程为步骤16-20，MCU处理器向集中器单元写入数据并处理过程为步骤21-25；

步骤16、集中器单元将所有的射频收发单元接收到的数据，以固定的数据格式放置在集中器单元内存的读区域中；

步骤17、通过集中器单元的GPIO接口对MCU处理器单元的PA接口产生上升沿中断；

步骤18、MCU处理器单元检测到PA接口的上升沿中断后，通过SPI接口读取集中器单元内存读区域的数据，并发出读取完成指令；

步骤19、集中器单元接收到MCU处理器单元的读取完成指令后，可以将新的数据写入到指定内存区域；

步骤20、MCU处理器单元接收到数据后，对数据进行预处理，然后通过MQTT/TCP/UDP 等方式传输到服务器中；

步骤21、MCU处理器单元需要写入的数据到集中器单元时，MCU处理器单元通过SPI接口将数据写入集中器单元内存的写区域中；

步骤22、MCU处理器单元在PA接口对集中器单元GPIO接口产生上升沿中断；

步骤23、集中器单元从GPIO引脚检测到中断后，从内存写区域读取数据，向MCU处理器单元发送完成指令；

步骤24、MCU处理器单元接收到集中器单元发送的完成指令后，可以将新的数据写入到集中器单元内存的写单元中；

步骤25、集中器单元接收到数据后，处理数据，控制射频收发单元进行数据发送；

步骤26、固件升级进程不断检测USB_UART单元接口是否接收到握手数据，若收到握手数据则进入安全帽固件升级流程中的步骤28，否则进入步骤27；

步骤27、重复步骤14-26；

安全帽固件升级流程

步骤28、网关通过指令查询安全帽中的固件版本，并与网关中的安全帽固件版本进行对比，若安全帽中的固件版本低于网关中的固件版本，进入步骤30，否则进入步骤31；

步骤29、同时闪烁LED灯指示单元的三个指示灯，提醒用户网关目前处于安全帽固件升级状态，进入步骤32；

步骤30、安全帽中的固件版本为最新版本，网关固件升级流程结束；

步骤31、网关通过USB转UART单元对安全帽发出固件升级指令，将网关中安全帽固件传输到安全帽中；

步骤32、传输完成后，网关通过USB转UART单元对安全帽发出固件升级完成指令，安全帽自动重启；

步骤33、安全帽固件升级流程结束。

工作流程为一个死循环流程，工作流程循环的目的就是收到安全帽的数据并进行转发到服务器中，所以工作流程是网关工作时一直在循环进行的一个工作状态。

工作流程中的步骤26是安全帽固件升级流程的一个入口，安全帽固件升级流程是一个单独的进程，可以与工作流程并行进行，安全帽固件升级流程完成后，安全帽固件升级流程的进程会自动结束并退出。

本实用新型中的智能网关由主控模块，射频模块，接口交互模块，供电模块4部分组成，网关为星型网络结构的中心点和汇聚点，网关负责调度系统中所有安全帽的传输频段和传输时间，保证在一定时间范围内，通过射频网络采集系统中所有安全帽的数据，将数据进行初步的预处理，然后通过互联网或者局域网将采集到的安全帽的数据上传到云端服务器中。网关具有USB转UART单元，可以实现用户自主升级安全帽固件，升级过程简单，无需复杂的软件操作。

本实用新型中的网关设置集中器单元，一个集中器单元可以支持8个SX1278射频收发单元，用户需要扩展系统中安全帽数目时，只需要增加相应的射频收发单元或者集中器单元即可，无需更换网关其他模块，扩展方便，成本低。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

最后应说明的是：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，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。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于安全帽系统的智能网关，其特征在于，网关由用于数据控制和处理的主控模块、用于无线射频数据收发的射频模块、用于对外接口及人机交互的接口交互模块、供电模块构成，供电模块为主控模块、射频模块、接口交互模块提供电能，所述主控模块与射频模块、接口交互模块信号连接，所述主控模块分别与射频模块、接口交互模块进行双向数据传输，所述主控模块包括MCU处理器单元、WIFI无线单元、4G无线单元、GPS定位单元。

2.根据权利要求1所述的用于安全帽系统的智能网关，其特征在于，所述MCU处理器单元采用Allwinner-H3芯片。

3.根据权利要求1所述的用于安全帽系统的智能网关，其特征在于，所述WIFI无线单元采用RTL8188芯片，所述WIFI无线单元通过USB接口与MCU处理器单元的USB接口连接。

4.根据权利要求1所述的用于安全帽系统的智能网关，其特征在于，所述4G无线单元采用ME909s-821a芯片，所述4G无线单元通过USB接口与MCU处理器单元的USB接口连接。

5.根据权利要求1所述的用于安全帽系统的智能网关，其特征在于，所述GPS定位单元采用ATGM336H-5N芯片，所述GPS定位单元通过UART接口与MCU处理器单元的UART接口连接，用以获取网关的地理位置信息。

6.根据权利要求1所述的用于安全帽系统的智能网关，其特征在于，所述射频模块包括集中器单元和射频收发单元，所述集中器单元至多同时与8个射频收发单元通讯连接。

7.根据权利要求6所述的用于安全帽系统的智能网关，其特征在于，所述集中器单元采用5CEBA2 FPGA芯片，所述集中器单元通过SPI接口与MCU处理器单元通讯，通过SPI端口与射频收发单元通讯；所述射频收发单元由SX1278无线射频芯片组成，通过SPI端口与集中器单元通讯。

8.根据权利要求1所述的用于安全帽系统的智能网关，其特征在于，所述接口交互模块包括USB单元、USB转UART单元、RJ45网口单元、TF卡接口单元、LED灯指示单元、SIM卡接口单元。

9.根据权利要求8所述的用于安全帽系统的智能网关，其特征在于，所述USB单元由一个USB接口组成，与MCU处理器单元的USB接口连接；所述USB转UART单元由一个USB接口组成，与MCU处理器单元的UART接口连接；所述RJ45网口单元由一个RJ45网口接口组成，与MCU处理器单元的网络接口连接；所述TF卡接口单元由一个TF卡接口组成，与MCU处理器单元的SDC接口连接；所述LED灯指示单元由3个LED灯组成，与MCU处理器单元的GPIO接口连接；所述SIM卡接口单元由一个SIM卡接口组成，与4G无线单元连接。

10.根据权利要求1所述的用于安全帽系统的智能网关，其特征在于，所述供电模块包括给控制网关总电源通断的总开关单元及给主控模块、射频模块、接口交互模块中的单元独立供电的若干供电单元。

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