CN206389388U - 一种基于低功耗广域网的多功能安全网关设备 - Google Patents
一种基于低功耗广域网的多功能安全网关设备 Download PDFInfo
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Abstract
一种基于低功耗广域网的多功能安全网关设备，包括：FPGA处理单元，网络通信单元，传感网通信单元，数据及存储单元和电源管理单元，FPGA处理单元包括FPGA核以及多个FPGA逻辑，网络通信单元包括多个网络通信模块，分别通过FPGA逻辑与FPGA核心连接；传感网通信单元包括多个无线传感网模块，分别通过FPGA逻辑与FPGA核心连接；数据及存储单元包括多个存储器；电源管理单元为多功能安全网关设备供电。本实用新型具有如下优点：多信道的射频数据能够实时和并行接入，可实现多路传感网数据的实时和并行处理；实现传感网数据的多种不同方式上网，满足有线和无线场合的布网需求；通信中数据的加密和解密，可实现安全通信需求。
Description
技术领域
本实用新型属于无线通信领域，涉及物联网技术设备，尤其涉及基于低功耗广域网的多功能安全网关设备。
背景技术
低功耗广域物联网(LPWAN)技术是近年国际上一种革命性的物联网接入技术，具有远距离、低功耗、低运维成本等特点，与WiFi蓝牙、ZigBee等现有技术相比，LPWAN真正实现了大区域物联网低成本全覆盖，目前LPWAN技术已经在由美国思科公司、IBM公司等组成的LoRa Alliance等国际组织进行全球推广，成为新物联网应用和智慧城市的重要基础支撑技术。2015年，中国科学院计算机网络信息中心开展低功耗广域网络(LPWAN)研究工作以来，已经进行了技术现状研究，目前在推进LPWAN技术标准提案。
不同的无线技术解决不同的问题。LPWAN更适合长距离发送小数据量的设备，使用电池或能量收集等供电方式。一些物联网应用仅需要传送少量的信息，发送数据的频次低。在长距离和低带宽上，LPWAN较现有的一些无线技术(WiFi、Bluetooth等)有较大的优势，LPWAN主要还是面向物联网一些新兴的应用和市场，也是现有无线网络的一种补充。
LPWAN具有如下特点：1、长距离，根据部署环境不同，一个网关或基站可以覆盖几公里，甚至几十公里；2、低数据速率，数据速率一般不超过5kbps，每天几次的通信频次，每次几十到几百个字节不等。3、低功耗，电池供电或其他能量收集供电，可以维持几年，甚至更久。
大多数的LPWAN技术采用了星型拓扑网络。类似于WiFi，星型网络终端可以连接到接入点(或基站/网关)。LPWAN应用主要有五大类：智能工业(Smart Industry)、智能公共设施(Smart Utilities)、智慧城市(Smart Cities)、智能建筑(Smart Buildings)及其他应用(Other applications)。
总之，LPWAN的一些新的无线技术正改变着物联网无线连接的应用，从近距离的无线连接到远距离的无线连接，将更有可能带来大规模的物联网部署。不断增长的无线连接的需求也在不断地推动着物联网应用的发展和深入。
传统的网关多采用ARM处理器，因不能解决并发处理故多采用单路射频模块，其能覆盖的节点容量较小，网络容量必将大大受限。此外，传统的网关的上网方式多采用以太网方式。并且受限于***实时性要求，大多网关都不具备加密功能。上述这些问题，在对数据通信安全要求日益增强的今天是一个弊端。
因此，如何能够解决不同网络的异构融合问题，实现网络容量的最大化，实现网络数据的加密，解决网络通信的安全需求，实现多种方式的数据上网成为现有技术亟需解决的技术问题。
实用新型内容
有鉴于此,本实用新型的目的在于提出一种基于低功耗广域网的多功能安全网关设备，以解决现有技术中的各种弊端。
一种基于低功耗广域网的多功能安全网关设备，其特征在于：所述安全网关设备包括：FPGA处理单元，网络通信单元，传感网通信单元，数据及存储单元和电源管理单元，其中所述FPGA处理单元包括FPGA核以及多个FPGA逻辑，所述网络通信单元包括多个网络通信模块，所述多个网络通信模块分别通过所述FPGA逻辑与所述FPGA核心连接；所述传感网通信单元包括多个无线传感网模块，所述多个无线传感网模块分别通过所述FPGA逻辑与所述FPGA核心连接；所述数据及存储单元包括多个存储器，所述多个存储器分别通过所述FPGA逻辑与所述FPGA核心连接；所述电源管理单元为所述多功能安全网关设备供电。
优选地，所述多个网络通信模块包括3G模块、WIFI模块和以太网模块23。
优选地，所述多个无线传感网模块包括M508模块31、M608模块32和M908模块33，所述多个无线传感网模块分别经由多个UART接口14通过所述FPGA逻辑12与所述FPGA核心11连接。
优选地，所述多个无线传感网模块分别工作在AP模式，每个模块下面包含多个节点，从而实现对下游节点的管理。
优选地，所述多个存储器包括DDR和MMC存储器41，以及USB和SD卡存储42。
优选地，所述MMC存储器的容量为4G。
优选地，所述电源管理单元包括外接直流电源51、切换电路52和电池部分53。
优选地，所述外接直流电源51采用双路DC/DC电源芯片并行对网关设备进行供电；
所述切换电路52用于在外接直流电源51掉电的情况下，完成电池部分53与外接直流电源51之间的切换。
优选地，所述FPGA处理单元为FPGA CM7，所述FPGA核12为ARM核。
优选地，所述FPGA处理单元还包括数据加密模块13，所述数据加密模块13通过所述FPGA逻辑12与所述FPGA核心11连接。
本实用新型具有如下优点：多信道的射频数据能够实时和并行接入，可实现多路传感网数据的实时和并行处理；实现传感网数据的多种不同方式上网，满足有线和无线场合的布网需求；通信中数据的加密和解密，可实现安全通信需求，且适用于低功耗广域网。
附图说明
通过以下参照附图对本实用新型实施例的描述，本实用新型的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1示出了根据本实用新型具体实施例的基于低功耗广域网的多功能安全网关设备的模块图。
图中的附图标记所分别指代的技术特征为：
1、FPGA处理单元；11、FPGA核；12、FPGA逻辑；13、数据加密模块；14、UART接口；2、网络通信单元；21、3G模块；22、WIFI模块；23、以太网模块；3、传感网通信单元；31、M508模块；32、M608模块；33、M908模块；4、数据及存储单元；41、DDR和MMC存储器；42、USB和SD卡存储；5、电源管理单元；51、外接直流电源；52、切换电路；53、电池部分。
具体实施方式
以下基于实施例对本实用新型进行描述，但是本实用新型并不仅仅限于这些实施例。
参见图1，示出了根据本实用新型具体实施例的基于低功耗广域网的多功能安全网关设备的模块图，该安全网关设备包括：FPGA处理单元1，网络通信单元2，传感网通信单元3，数据及存储单元4和电源管理单元5，其中所述FPGA处理单元1包括FPGA核11以及多个FPGA逻辑12，所述网络通信单元2包括多个网络通信模块，所述多个网络通信模块分别通过所述FPGA逻辑12与所述FPGA核心11连接，所述传感网通信单元3包括多个无线传感网模块，所述多个无线传感网模块分别通过所述FPGA逻辑12与所述FPGA核心11连接，所述数据及存储单元4包括多个存储器，所述多个存储器分别通过所述FPGA逻辑12与所述FPGA核心11连接，所述电源管理单元5为所述多功能安全网关设备供电。
本实用新型的基于低功耗广域网的多功能安全网关设备采用了FPGA单元作为核心部分，通过FPGA逻辑分别连接网络通信单元2，传感网通信单元3以及数据及存储单元4，实现了射频、通信和数据功能的扩展。
进一步的，所述多个网络通信模块包括3G模块21、WIFI模块22和以太网模块23。
因此，传感网的数据可以通过以太网、3G、WIFI三种方式上传到云端，能够根据外部环境条件选择最合适的上网方式，并可以在网络条件变化时自动实现不同网络间的切换。保证上下行数据链路的畅通。
进一步的，所述多个无线传感网模块包括M508模块31、M608模块32和M908模块33。
因此，在射频接入部分，FPGA单元通过FPGA逻辑协调三路射频链路数据，完全满足射频收发的并行性和实时性。大大扩充了网络容量。
进一步的，所述多个无线传感网模块分别工作在AP模式，每个模块下面包含多个节点，从而实现对下游节点的管理。
所述多个无线传感网模块分别经由多个UART接口14通过所述FPGA逻辑12与所述FPGA核心11连接。
进一步的，所述多个存储器包括DDR和MMC存储器41，以及USB和SD卡存储42。
例如，所述MMC存储器容量示例性的为4G，能够对关键数据进行备份。可为故障诊断提供依据。
进一步的，所述电源管理单元5包括外接直流电源51、切换电路52和电池部分53。
所述外接直流电源采用双路DC/DC电源芯片并行对设备进行供电。满足***对功率的要求。
所述电池部分采用10安时电池，满足突发情况***的临时供电需求。在无外接直流电源的条件下，***能坚持运行，以便对关键数据进行备份。
所述切换电路用于在外接直流电源51掉电的情况下，完成电池部分53与外接直流电源51之间的切换。在正常情况下，通过外接直流电源51供电。
进一步的，所述FPGA处理单元1还包括数据加密模块13，所述数据加密模块13通过所述FPGA逻辑12与所述FPGA核心11连接，能够对安全相关的数据进行加密和解密，保证数据通信安全。这点在数据安全要求日益提高的今天显得尤为重要。
在本实用新型中，所述FPGA处理单元1为FPGA CM7，所述FPGA核12为ARM核。
基于本实用新型的基于低功耗广域网的多功能安全网关设备还能够具有：
(1)故障报警功能：设备工作状态如出现异常、故障，则自动通过无线传感网发送故障报警信息。
(2)远程设置设备参数：通过云端***平台可远程设置节点相关工作参数等。
因此，本实用新型具有如下优点：
多信道的射频数据实时和并行接入，可实现多路传感网数据的实时和并行处理；
实现传感网数据的多种不同方式上网，满足有线和无线场合的布网需求；
通信中数据的加密和解密，可实现安全通信需求
以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并不用于限制本实用新型，对于本领域技术人员而言，本实用新型可以有各种改动和变化。凡在本实用新型的精神和原理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)
1.一种基于低功耗广域网的多功能安全网关设备，其特征在于：
所述安全网关设备包括：FPGA处理单元(1)，网络通信单元(2)，传感网通信单元(3)，数据及存储单元(4)和电源管理单元(5)，
其中所述FPGA处理单元(1)包括FPGA核(11)以及多个FPGA逻辑(12)，所述网络通信单元(2)包括多个网络通信模块，所述多个网络通信模块分别通过所述FPGA逻辑(12)与所述FPGA核心(11)连接；
所述传感网通信单元(3)包括多个无线传感网模块，所述多个无线传感网模块分别通过所述FPGA逻辑(12)与所述FPGA核心(11)连接；
所述数据及存储单元(4)包括多个存储器，所述多个存储器分别通过所述FPGA逻辑(12)与所述FPGA核心(11)连接；
所述电源管理单元(5)为所述多功能安全网关设备供电。
2.根据权利要求1所述的多功能安全网关设备，其特征在于：
所述多个网络通信模块包括3G模块(21)、WIFI模块(22)和以太网模块(23)。
3.根据权利要求1所述的多功能安全网关设备，其特征在于：
所述多个无线传感网模块包括M508模块(31)、M608模块(32)和M908模块(33)，所述多个无线传感网模块分别经由多个UART接口(14)通过所述FPGA逻辑(12)与所述FPGA核心(11)连接。
4.根据权利要求3所述的多功能安全网关设备，其特征在于：
所述多个无线传感网模块分别工作在AP模式，每个模块下面包含多个节点，从而实现对下游节点的管理。
5.根据权利要求1所述的多功能安全网关设备，其特征在于：
所述多个存储器包括DDR和MMC存储器(41)，以及USB和SD卡存储(42)。
6.根据权利要求5所述的多功能安全网关设备，其特征在于：
MMC存储器的容量为4G。
7.根据权利要求1所述的多功能安全网关设备，其特征在于：
所述电源管理单元(5)包括外接直流电源(51)、切换电路(52)和电池部分(53)。
8.根据权利要求7所述的多功能安全网关设备，其特征在于：
所述外接直流电源(51)采用双路DC/DC电源芯片并行对网关设备进行供电；
所述切换电路(52)用于在外接直流电源(51)掉电的情况下，完成电池部分(53)与外接直流电源(51)之间的切换。
9.根据权利要求1所述的多功能安全网关设备，其特征在于：
所述FPGA处理单元(1)为FPGA CM7，所述FPGA核(12)为ARM核。
10.根据权利要求1所述的多功能安全网关设备，其特征在于：
所述FPGA处理单元(1)还包括数据加密模块(13)，所述数据加密模块(13)通过所述FPGA逻辑(12)与所述FPGA核心(11)连接。
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