基于5G網(wǎng)絡(luò)的智能網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

劉榮章

【摘要】? ? 為了解決不同類型的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備都能接入互聯(lián)網(wǎng)，與云端系統(tǒng)進(jìn)行通信的問題。本文設(shè)計(jì)了一款基于5G網(wǎng)絡(luò)的智能網(wǎng)關(guān)設(shè)備，能把設(shè)備不同的通信接口和不同結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)類型統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為MQTT通訊協(xié)議，再通過5G網(wǎng)絡(luò)連接到云端系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)不同設(shè)備的互聯(lián)互通。該智能網(wǎng)關(guān)具有通信穩(wěn)定、可靠和網(wǎng)絡(luò)容量大等特點(diǎn)，能滿足智能家居、智慧城市和工業(yè)自動化等不同場合的要求。

【關(guān)鍵詞】? ? 智能網(wǎng)關(guān)? ? 通信接口? ? 5G網(wǎng)絡(luò)? ? MQTT

引言：

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，無所不在的萬物互聯(lián)通信時代即將來臨，實(shí)現(xiàn)物與物、物與人之間的互聯(lián)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高速發(fā)展會對世界工業(yè)的發(fā)展和人類的生活產(chǎn)生深刻的影響，物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)的重要組成部分，也是國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。

但是隨著聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備的增多，以及不同類型的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng)，對網(wǎng)絡(luò)的容量和設(shè)備之間的互通互聯(lián)要求也越來也高;而且有的設(shè)備使用的通信接口不具備聯(lián)網(wǎng)功能，或者有的設(shè)備本身已經(jīng)組成了一個不同類型的內(nèi)部無線局域網(wǎng)，要把這些各種不同類型的設(shè)備都連接上互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備與設(shè)備之間的通信，必須依靠網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)。而5G技術(shù)的發(fā)展也可以有效地解決網(wǎng)絡(luò)容量的問題。

本系統(tǒng)基于5G網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)了一款智能網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)。該網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)可以把多種通信格式的數(shù)據(jù)通過獨(dú)特的智能算法快速地轉(zhuǎn)換為物聯(lián)網(wǎng)常用的MQTT協(xié)議，從而可以把數(shù)據(jù)上傳到互聯(lián)網(wǎng)的云端系統(tǒng)，由于網(wǎng)關(guān)主要是使用5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，具有網(wǎng)絡(luò)容量大和傳輸數(shù)據(jù)快等優(yōu)點(diǎn)。

一、智能網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)由MCU處理器、有線標(biāo)準(zhǔn)接口、無線射頻接口和5G通信模塊組成，能把各種設(shè)備常用的通信格式進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，然后與云端服務(wù)器通信，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備與設(shè)備的互聯(lián)通信。

智能網(wǎng)關(guān)的有線接口主要是RS232、RS485和CAN標(biāo)準(zhǔn)接口，無線射頻接口是LORA和nRF24L01。各種不同的設(shè)備通過標(biāo)準(zhǔn)接口與網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行通信后，網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)把各種格式的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合處理，轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的MQTT通信協(xié)議，然后通過5G網(wǎng)絡(luò)上傳到云端系統(tǒng)，網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前的設(shè)備的狀態(tài)，能智能調(diào)節(jié)工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸迅速和可靠，網(wǎng)關(guān)還具有斷線自動重連、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測等功能，保證網(wǎng)關(guān)安全、可靠地工作。

系統(tǒng)框圖如圖1所所示。

二、智能網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)

2.1 STM32F429IGT6單片機(jī)

STM32F429IGT6是由意法半導(dǎo)體開發(fā)的內(nèi)核為Cortex M4的32位高性能微控制器，它的Flash有1M，RAM大小為256KB，CPU主頻180MHz，芯片內(nèi)嵌資源豐富。

由于網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)需要接收不同設(shè)備大量的數(shù)據(jù)，并且對要數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，同時網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)還需要與云端服務(wù)器保持實(shí)時通信連接，所以選定了STM32F429IGT6單片機(jī)作為主控處理器。

2.2 5G模組通信設(shè)計(jì)

5G通信使用的是芯訊通的SIM8200EA模組，SIM8200EA-M2是支持多頻段5G NR / LTE-FDD / LTE-TDD / HSPA +模塊，支持R15 5G NSA / SA最高2.4Gbps的數(shù)據(jù)傳輸。它不僅支持5G網(wǎng)絡(luò)，還可以兼容4G/3G網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)環(huán)境自主選擇合適的網(wǎng)絡(luò)通信，擁有豐富的接口。SIM8200EA-M2采用M.2尺寸，TYPE 3052-S3-B。它是為需要在各種無線電傳播條件下進(jìn)行高吞吐量數(shù)據(jù)通信的應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，具有高效，安全和靈活的獨(dú)特的特點(diǎn)。模組的硬件定義如圖2所示。

網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)根據(jù)模組的標(biāo)準(zhǔn)AT命令，對模組進(jìn)行通信控制。

2.3 硬件接口RS232

RS232是串行數(shù)據(jù)通信的接口標(biāo)準(zhǔn)，是設(shè)備常用的通信方式，很多設(shè)備都自帶RS232接口。RS232能實(shí)現(xiàn)全雙工的通信傳輸，通訊方便、靈活，但是具有傳輸速率低、抗干擾能力差和傳輸距離短等不足。本網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)采用芯片SP3232設(shè)計(jì)RS232硬件接口。

2.4 硬件接口RS485

RS485是電氣設(shè)備常用的總線技術(shù)。RS485實(shí)現(xiàn)的是半雙工的通信，抗干擾能力強(qiáng)，傳輸距離遠(yuǎn)，是很多電氣設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)接口。

網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了隔離型的RS485接口，采用芯片RS485和高速光耦6N135組成。

2.5 硬件接口CAN

CAN總線是一種多主的總線，每個設(shè)備節(jié)點(diǎn)都可以成為主機(jī)，而且設(shè)備節(jié)點(diǎn)之間也可以相互通信，由于CAN總線的優(yōu)點(diǎn)突出，很多設(shè)備也采用了CAN接口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。本網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)采用了TJA1050設(shè)計(jì)硬件CAN接口，TJA1050支持 CAN V2.0B技術(shù)規(guī)范，通信速率達(dá)1Mb/s，能滿足產(chǎn)品需求。

2.6 硬件射頻接口LoRa

LoRa是美國Semtech公司采用和推廣的一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的超遠(yuǎn)距離無線傳輸技術(shù)，具有傳輸距離遠(yuǎn)，低功耗、頻段免費(fèi)和部署方便等優(yōu)點(diǎn)。智能網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)使用SX1278設(shè)計(jì)LoRa接口，SX1278是半雙工傳輸?shù)牡椭蓄l收發(fā)器，遠(yuǎn)距離、低功耗，可以滿足大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備接入網(wǎng)關(guān)的需求。

2.7 硬件射頻接口nRF24L01

nRF24L01一款射頻芯片，是工作在2.4GHz的免費(fèi)頻段，主要特點(diǎn)是高速率、低功耗。nRF24L01使用簡單，可靠性高，網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)就是使用了nRF24L01作為2.4G頻段的射頻接口，能把部分2.4G頻段的設(shè)備接入到網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)中。

三、智能網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)

3.1 網(wǎng)關(guān)驅(qū)動層軟件設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)中存在各種有線的標(biāo)準(zhǔn)硬件接口和無線的射頻接口，在軟件設(shè)計(jì)中需要把這些接口按照標(biāo)準(zhǔn)的接口規(guī)范編寫程序調(diào)試，驅(qū)動程序設(shè)計(jì)完后，再整合到網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)中，涉及的標(biāo)準(zhǔn)接口包括：RS232、RS485和CAN，芯片驅(qū)動SX1278、nRF24L01和SIM8200EA模組。

3.2 網(wǎng)關(guān)應(yīng)用層軟件的設(shè)計(jì)

由于智能網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)實(shí)時任務(wù)繁重，為了更好地協(xié)調(diào)各個任務(wù)實(shí)時地處理數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)使用了嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)FreeRTOS，F(xiàn)reeRTOS是一個開源的、小型的實(shí)時操作系統(tǒng)，能滿足網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的功能需求。

由于網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的接口類型比較多，系統(tǒng)需要實(shí)時地把不同設(shè)備上傳的數(shù)據(jù)快速地轉(zhuǎn)換成MQTT協(xié)議，同時網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)需要保持與云端服務(wù)器長連接，能檢測掉線，網(wǎng)絡(luò)斷開后能自動重連，程序流程圖如圖3所示。

四、結(jié)束語

智能網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)與云端服務(wù)器連接測試表明，網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，能滿足大部分使用環(huán)境的需求，網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)能把不同類型的網(wǎng)絡(luò)和各種設(shè)備迅速準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)換為常用的MQTT協(xié)議，而且通過5G網(wǎng)絡(luò)，可以大大地提高網(wǎng)絡(luò)的容量，減少了網(wǎng)絡(luò)通信延遲的時間。該網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)應(yīng)用范圍廣，市場潛力很大。