專利名稱：一種基于fpga的物聯(lián)網(wǎng)接入設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)，具體涉及一種基于FPGA的物聯(lián)網(wǎng)接入設(shè)備。
背景技術(shù)：
物聯(lián)網(wǎng)是繼計算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后，世界信息產(chǎn)業(yè)的第三次浪潮，是我國又一次重大歷史機(jī)遇。物聯(lián)網(wǎng)使我們在通信與信息技術(shù)的世界里獲得了一個新的溝通維度，將任何時間、任何地點、連接任何人，擴(kuò)展到連接任何物品，實現(xiàn)萬物的連接。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可廣泛應(yīng)用于智能電網(wǎng)、應(yīng)急管理與公共安全、城市管理、城市智能交通、生態(tài)環(huán)境、資源監(jiān)督、醫(yī)療衛(wèi)生、智能社區(qū)和智能家居、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、智能物流與產(chǎn)品溯源等重要領(lǐng)域，以更加精細(xì)和動態(tài)的方式管理生產(chǎn)和生活，提高資源利用率和生產(chǎn)水平，改善人與自然間的關(guān)系。在技術(shù)上，相對于互聯(lián)網(wǎng)是把各種計算設(shè)備通過通訊網(wǎng)絡(luò)連接在一起，物聯(lián)網(wǎng)是·要把眾多沒有計算能力的“物”通過互聯(lián)網(wǎng)連接在一起，其關(guān)鍵是物聯(lián)網(wǎng)接入系統(tǒng)，即能夠把各種“物”連接到網(wǎng)上并能進(jìn)行信息交換的技術(shù)與設(shè)備。但是，如何在不更改原有“物”的前提下，將其專用測量設(shè)備或傳感器采集的數(shù)據(jù)通過無線或有線的通訊方式連接到網(wǎng)上，從而實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的接入及其智能化升級，是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的重要問題之一?，F(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)接入系統(tǒng)或裝置大多采用了數(shù)字信號處理(DSP，Digital SignalProcessor)、單片機(jī)，或是專用集成電路來實現(xiàn)系統(tǒng)的接入控制和處理，在設(shè)備的靈活性、通用性，以及系統(tǒng)的優(yōu)化升級等方面存在一定的不足，不能滿足差異化的應(yīng)用在接入成本、功耗，以及效率等方面的不同需求。FPGA作為一種現(xiàn)場可編程邏輯門陣列，能夠?qū)⑶度胧轿⑻幚砥?、通訊控制協(xié)議、數(shù)據(jù)的存儲和處理，以及其它控制功能組成的系統(tǒng)都集成到一塊FPGA芯片中，可以根據(jù)現(xiàn)場應(yīng)用需求，采用IP核復(fù)用技術(shù)和軟硬件協(xié)同技術(shù)，快速設(shè)計實現(xiàn)個性化系統(tǒng)，在提高設(shè)備效率和通用性的同時，減少系統(tǒng)成本和體積。因此，用FPGA技術(shù)和器件設(shè)計實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的接入能夠較好地滿足物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的多樣化和靈活性需求
實用新型內(nèi)容
有鑒于此，本實用新型的主要目的是，解決現(xiàn)有物聯(lián)網(wǎng)接入方式在通用性、靈活性，以及系統(tǒng)的優(yōu)化升級等方面的不足，提供一種基于FPGA的物聯(lián)網(wǎng)接入系統(tǒng)及方法，在不更改原有設(shè)備的前提下，快速設(shè)計實現(xiàn)個性化的物聯(lián)網(wǎng)接入系統(tǒng)，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的有線或無線接入，從而滿足不同應(yīng)用在接入成本、接入方式、功耗、以及效率等方面的不同需求。為了達(dá)到上述目的，本實用新型提出一種基于FPGA的物聯(lián)網(wǎng)接入系統(tǒng)及方法，該系統(tǒng)包括接入處理單兀IoT-JPU(Juntor and Processing Unit to Internet of Things)、數(shù)據(jù)采集接口單元、以及無線通訊單元和有線通訊單元，其中所述接入處理單元為所述系統(tǒng)的控制處理核心，與數(shù)據(jù)采集接口單元、無線通訊單元，以及有線通訊單元相連接；所述數(shù)據(jù)采集接口單元至少包括專用測量設(shè)備接入模塊或通用傳感器接入模塊，該接口單元至少提供一種專用測量設(shè)備接口或通用傳感器接口；所述有線通訊單元至少包括以太網(wǎng)通訊模塊或串口通訊模塊；所述接入處理單元至少包括一個FPGA芯片及一個存儲器芯片；該接入處理單元內(nèi)部集成嵌入式微處理器和數(shù)據(jù)緩存模塊，并至少包括采集接口協(xié)議模塊、無線通訊協(xié)議接口模塊、串口通訊協(xié)議模塊、以及以太網(wǎng)通訊協(xié)議模塊中的兩個模塊。本實用新型提供的一種基于FPGA的物聯(lián)網(wǎng)接入系統(tǒng)，其特征在于，當(dāng)所述接入處理單元IoT_JPU包括采集接口通訊協(xié)議模塊時，至少還要包括一個無線通訊協(xié)議接口模塊、串口通訊協(xié)議模塊或以太網(wǎng)通訊協(xié)議模塊；當(dāng)所述接入處理單元IoT_JPU包括無線通訊協(xié)議接口模塊時，至少還要包括一個采集接口通訊協(xié)議模塊、串口通訊協(xié)議模塊或以太網(wǎng)通訊協(xié)議模塊；本實用新型提供的一種基于FPGA的物聯(lián)網(wǎng)接入系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)采集接口單元可以根據(jù)所連接的專用測量設(shè)備及傳感器的不同數(shù)據(jù)采集接口方式，選擇配置相 應(yīng)的數(shù)據(jù)采集接口單元器件；所述數(shù)據(jù)采集接口單元所提供的接口可以是UART接口、SPI接口、IIC接口、PCI接口或GPIO通用接口中的任意一種或任意組合。本實用新型提供的一種基于FPGA的物聯(lián)網(wǎng)接入系統(tǒng)，其特征在于，所述無線通訊單元可以是基于GPRS、3G、藍(lán)牙Bluetooth、ZigBee或Wi-Fi的無線通訊單元中的任意一種。所述接入處理單元至少包括一個采集接口通訊協(xié)議模塊或無線通訊協(xié)議模塊。當(dāng)所述接入處理單元包括采集接口通訊協(xié)議模塊時，至少還要包括一個無線通訊協(xié)議接口模塊、串口通訊協(xié)議模塊或以太網(wǎng)通訊協(xié)議模塊。當(dāng)所述接入處理單元包括無線通訊協(xié)議接口模塊時，至少還要包括一個采集接口通訊協(xié)議模塊、串口通訊協(xié)議模塊或以太網(wǎng)通訊協(xié)議模塊。根據(jù)本實用新型所提出的接入系統(tǒng)，本實用新型還提供了一種基于FPGA的物聯(lián)網(wǎng)接入方法，步驟包括I)通過數(shù)據(jù)采集接口單元中的專用測量設(shè)備接口或傳感器接口，實時接收專用測量設(shè)備或傳感器所采集的數(shù)據(jù)信息；2)接入處理單元中的嵌入式微處理器通過控制采集接口通訊協(xié)議模塊，按照專用測量設(shè)備的接口協(xié)議或傳感器接口協(xié)議接收數(shù)據(jù)信息；3)接入處理單元中的嵌入式微處理器為步驟2)中接收的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)包封裝、緩存及處理；4)接入處理單元中的嵌入式微處理器將步驟3)中處理后的數(shù)據(jù)通過無線通訊協(xié)議接口模塊發(fā)送給無線通訊單元；或者，接入處理單元中的嵌入式微處理器將步驟3)中處理后的數(shù)據(jù)通過有線通訊協(xié)議接口模塊發(fā)送給有線通訊單元中的以太網(wǎng)通訊模塊或串口通訊模塊；5)無線通訊單元將步驟4)中接收到的數(shù)據(jù)封裝成無線通信協(xié)議格式的數(shù)據(jù)包，并實現(xiàn)信號功率放大后，發(fā)送到無線傳輸網(wǎng)絡(luò)中；或者，由有線通訊單元中的以太網(wǎng)通訊模塊或串口通訊模塊將從步驟4)中接收到的數(shù)據(jù)信息通過串口或以太網(wǎng)接口發(fā)送到有線傳輸網(wǎng)絡(luò)；或者，包括以下步驟I)通過無線通訊單元實時接收無線傳輸數(shù)據(jù)，并進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理；[0026]2)接入處理單元中的嵌入式微處理器通過無線通訊接口協(xié)議模塊，正確接收步驟I)中處理后的數(shù)據(jù)信息；3)接入處理單元中的嵌入式微處理器為步驟2)中接收的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)包解封裝、緩存及處理；4)接入處理單元中的嵌入式微處理器將步驟3)中處理后的數(shù)據(jù)通過有線通訊協(xié)議接口模塊發(fā)送給有線通訊單元中的以太網(wǎng)通訊模塊或串口通訊模塊；5)有線通訊單元中的以太網(wǎng)通訊模塊或串口通訊模塊將從步驟4)中接收到的數(shù)據(jù)信息通過串口或以太網(wǎng)接口發(fā)送到有線傳輸網(wǎng)絡(luò)；本實用新型所提供了一種基于FPGA的物聯(lián)網(wǎng)接入方法，其特征在于 所述采集接口通訊協(xié)議模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集接入?yún)f(xié)議； 所述串口通訊協(xié)議模塊實現(xiàn)異步串行通訊協(xié)議；所述以太網(wǎng)通訊協(xié)議模塊實現(xiàn)基于TCP/IP的以太網(wǎng)通訊協(xié)議；所述無線通訊協(xié)議接口模塊基于異步串行通訊協(xié)議，實現(xiàn)與無線通訊單元的通訊控制；所述嵌入式微處理器除了實現(xiàn)系統(tǒng)的整體調(diào)度和控制外，還可以為所述接入系統(tǒng)所連接的“物”及其采集數(shù)據(jù)提供唯一的數(shù)據(jù)標(biāo)識；所述接入處理單元IoT_JPU中的嵌入式微處理器將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送給無線通訊單元或者有線通訊單元或者同時發(fā)送給無線通訊單元及有線通訊單元，取決于系統(tǒng)應(yīng)用需求及用戶的配置；當(dāng)需要將處理后的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳送時，所述接入處理單元IoT_JPU中的嵌入式微處理器將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送給無線通訊單元中的無線通訊控制芯片；當(dāng)需要將處理后的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)有線傳送時，所述接入處理單元IoT_JPU中的嵌入式微處理器將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送給有線通訊單元中的以太網(wǎng)通訊模塊；當(dāng)需要將處理后的數(shù)據(jù)通過串口有線傳送時，所述接入處理單元IoT_JPU中的嵌入式微處理器將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送給有線通訊單元中的串口通訊模塊。本實用新型的優(yōu)點本實用新型采用FPGA技術(shù)和器件設(shè)計實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)接入處理單元IoT-JPU，將物的標(biāo)識、采集接入控制、傳輸控制、數(shù)據(jù)封裝及處理等功能都集成在一個芯片內(nèi)實現(xiàn)，通過靈活配置接入處理單元IoT-JPU，根據(jù)實際應(yīng)用需求選擇嵌入式微處理器、采集協(xié)議、以及通訊傳輸協(xié)議，增加了物聯(lián)網(wǎng)接入的靈活性、通用性的同時，減少了硬件生產(chǎn)成本開銷及設(shè)備體積，滿足不同應(yīng)用在接入成本、接入方式、功耗、以及效率等方面的不同需求。本實用新型采用FPGA技術(shù)和器件設(shè)計實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)接入系統(tǒng)的處理核心，能夠獲得較高的處理速度和性能、編程開發(fā)方便，可重用性強(qiáng)，便于實現(xiàn)系統(tǒng)維護(hù)和智能升級。

圖I為基于FPGA的物聯(lián)網(wǎng)接入系統(tǒng)功能框圖；圖2A為優(yōu)選的物聯(lián)網(wǎng)接入處理器單元IoT-JPU(FPGA)內(nèi)部功能框圖及其與其它單元的互聯(lián)結(jié)構(gòu)框圖；圖2B為優(yōu)選的物聯(lián)網(wǎng)接入處理器單元IoT-JPU(FPGA)內(nèi)部功能框圖及其與其它單元的互聯(lián)結(jié)構(gòu)框圖；[0043]圖3A為圖2A中的物聯(lián)網(wǎng)接入處理器單元IoT-JPU(FPGA)的優(yōu)選設(shè)計實現(xiàn)方案；圖3B圖2B中的物聯(lián)網(wǎng)接入處理器單元IoT-JPU(FPGA)的優(yōu)選設(shè)計實現(xiàn)方案；圖4為數(shù)據(jù)采集接口單元與專用測量設(shè)備和傳感器及物聯(lián)網(wǎng)接入處理單元的連接結(jié)構(gòu)圖；圖5為有線通訊單元與物聯(lián)網(wǎng)接入處理單元及物聯(lián)網(wǎng)連接的結(jié)構(gòu)圖；圖6為無線通訊單元功能結(jié)構(gòu)及其與物聯(lián)網(wǎng)接入處理單元的連接結(jié)構(gòu)圖；圖7為基于本實用新型的通用電氣量采集器應(yīng)用實施例系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能框圖；圖8為基于本實用新型的通用電氣量匯聚器應(yīng)用實施例系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能框具體實施方式
為使本實用新型的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下參照附圖并舉實施例對本實用新型的具體實施方法做進(jìn)一步說明。圖I為基于FPGA的物聯(lián)網(wǎng)接入系統(tǒng)功能框圖，如圖所示，該系統(tǒng)具體包括接入處理單元IoT-JPU、數(shù)據(jù)采集接口單元、以及無線通訊單元和有線通訊單元，其中所述接入處理單元IoT-JPU與數(shù)據(jù)采集接口單元、無線通訊單元，以及有線通訊單元相連接，該單元為所述設(shè)備的控制處理核心，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)接入的整體調(diào)度和控制，同時還可以為所述接入系統(tǒng)所連接的“物”及其采集數(shù)據(jù)提供唯一的數(shù)據(jù)標(biāo)識；所述數(shù)據(jù)采集接口單元包括專用測量設(shè)備接入模塊和通用傳感器接入模塊，該單元與專用測量設(shè)備或傳感器相連，接收專用測量設(shè)備或傳感器實時采集的數(shù)據(jù)；或者，接收接入處理單元IoT-JPU的控制和數(shù)據(jù)信息，并發(fā)送給專用測量設(shè)備；所述無線通訊單元與接入處理單元IoT-JPU相連，接收物聯(lián)網(wǎng)接入處理單元傳送過來的數(shù)據(jù)信息，處理及封裝成無線通信協(xié)議格式的數(shù)據(jù)包后發(fā)送給物聯(lián)網(wǎng)；或者，接收物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)，處理及解封裝后，發(fā)送給物聯(lián)網(wǎng)接入處理單元；所述有線通訊單元至少包括以太網(wǎng)通訊模塊或串口通訊模塊，該單元與物聯(lián)網(wǎng)接入處理單元IoT-JPU相連，接收物聯(lián)網(wǎng)接入處理單元IoT-JPU傳送過來的數(shù)據(jù)信息，通過串口或以太網(wǎng)接口發(fā)送給物聯(lián)網(wǎng)；或者，通過串口或以太網(wǎng)接口接收物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)信息，發(fā)送給物聯(lián)網(wǎng)處理接入單元IoT-JPU。優(yōu)選的物聯(lián)網(wǎng)接入處理器單元I0T-JPU(FPGA)內(nèi)部功能框圖及其與其它單元的互聯(lián)結(jié)構(gòu)如圖2A所示，該單元內(nèi)部集成了嵌入式微處理器、數(shù)據(jù)緩存模塊及采集接口通訊協(xié)議模塊，并至少包括無線通訊協(xié)議接口模塊、串口通訊協(xié)議模塊、以及以太網(wǎng)通訊協(xié)議模塊中一個或多個模塊；接入處理單元IoT_JPU中的嵌入式微處理器從采集接口通訊協(xié)議模塊實時接收采集數(shù)據(jù)，將處理后的數(shù)據(jù)通過無線通訊協(xié)議接口模塊發(fā)送給無線通訊單元中的無線通訊控制芯片；或者，接入處理單元IoT_JPU中的嵌入式微處理器將處理后的數(shù)據(jù)通過有線通訊協(xié)議接口模塊發(fā)送給有線通訊單元中的以太網(wǎng)通訊模塊或串口通訊模塊；次優(yōu)選的物聯(lián)網(wǎng)接入處理器單元I0T-JPU(FPGA)內(nèi)部功能框圖及其與其它單元的互聯(lián)結(jié)構(gòu)如圖2B所示，該單元內(nèi)部集成了嵌入式微處理器、數(shù)據(jù)緩存模塊及無線通訊協(xié)議接口模塊，并至少包括串口通訊協(xié)議模塊及以太網(wǎng)通訊協(xié)議模塊中一個或兩個模塊；接入處理單元IoT_JPU中的嵌入式微處理器從無線通訊協(xié)議接口模塊實時接收無線傳感數(shù)據(jù)，將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送給有線通訊協(xié)議接口模塊中的以太網(wǎng)通訊模塊或串口通訊模塊；[0058]圖2A中的物聯(lián)網(wǎng)接入處理器單元I0T-JPU(FPGA)的優(yōu)選設(shè)計實現(xiàn)方案如圖3A所示，圖2B中的物聯(lián)網(wǎng)接入處理器單元I0T-JPU(FPGA)的優(yōu)選設(shè)計實現(xiàn)方案如圖3B所示。采集接口通訊協(xié)議模塊、數(shù)據(jù)緩存模塊、無線通訊協(xié)議接口模塊、串口通訊協(xié)議模塊、以及以太網(wǎng)通訊協(xié)議模塊都采用IP(Intelligent Property)核硬件及相應(yīng)的軟件中間件實現(xiàn),各模塊IP核都通過處理機(jī)本地總線PLB與嵌入式軟核處理器MicroBlaze相連接,通過運行相應(yīng)的FPGA應(yīng)用軟件，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)接入系統(tǒng)功能。實現(xiàn)上述各功能模塊的IP核中，通用的知識產(chǎn)權(quán)核(如UART IP核、定時器IP核、總線IP核等)可通過IP核復(fù)用的方式實現(xiàn)(Xilinx的ISE/EDK、ALTERA的Quartus等開發(fā)工具中的免費IP核庫即可提供);特定的專用采集IP核或?qū)Ｓ每刂茀f(xié)議IP核(如專用的采集接口通訊協(xié)議IP核等)可通過用戶定制的方式，采用硬件高級描述語言進(jìn)行設(shè)計綜合實現(xiàn)，或者購買不同廠商的IP產(chǎn)權(quán)來獲得相關(guān)的知識產(chǎn)權(quán)。在該優(yōu)選設(shè)計實現(xiàn)方案應(yīng)用實施例中，物聯(lián)網(wǎng)接入處理器單元IoT-JPU中的FPGA芯片選用Xilinx Spartan6LXT芯片，該芯片采用45nm低功耗工藝技術(shù)和6-輸入LUT架 構(gòu)，能夠以最經(jīng)濟(jì)的速度級別和更小的器件實現(xiàn)復(fù)雜的高性能功能；FLASH存儲芯片選用Spansion公司S29系列的S29GL256D N0RFLASH存儲器件，芯片存儲容量為256Mbit，用于存儲FPGA的配置數(shù)據(jù)及用戶應(yīng)用程序數(shù)據(jù)；該應(yīng)用實施例中還包括了 DDR2內(nèi)存芯片(ELPIDA公司的EDE1116ACBG_8E_E芯片)該芯片為IGbit的SDRAM緩存芯片，用于運行FPGA嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用程序。數(shù)據(jù)采集接口單元可以是UART接口、SPI接口、IIC接口及GPIO通用接口，圖4給出了一種數(shù)據(jù)采集接口單元與專用測量設(shè)備和傳感器及物聯(lián)網(wǎng)接入處理單元的連接結(jié)構(gòu)。在該應(yīng)用實施例中當(dāng)需要采集電氣量電流信息時，在數(shù)據(jù)采集接口單元中配置UART接口，該接口與物聯(lián)網(wǎng)接入處理器單元IoT-JPU中配置了 UART功能的采集接口通訊協(xié)議模塊相連接，將電流采集裝置所采集的實時電流信息接入到物聯(lián)網(wǎng)接入系統(tǒng)中；當(dāng)需要采集電氣量電壓信息時，在數(shù)據(jù)采集接口單元中配置UART接口，該接口與物聯(lián)網(wǎng)接入處理器單元IoT-JPU中配置了 UART功能的采集接口通訊協(xié)議模塊相連接，將電壓采集裝置所采集的實時電壓信息接入到物聯(lián)網(wǎng)接入系統(tǒng)中；當(dāng)需要采集環(huán)境溫度信息時，在數(shù)據(jù)采集接口單元中配置與溫度傳感器相對應(yīng)的GPIO接口，該接口與物聯(lián)網(wǎng)接入處理器單元IoT-JPU中配置了單總線I-Wire功能的采集接口通訊協(xié)議模塊相連接，將溫度傳感器所采集的實時溫度信息接入到物聯(lián)網(wǎng)接入系統(tǒng)中；當(dāng)需要采集環(huán)境濕度信息時，在數(shù)據(jù)采集接口單元中配置與濕度傳感器相對應(yīng)的IIC接口，該接口與物聯(lián)網(wǎng)接入處理器單元IoT-JPU中配置了 IIC功能的采集接口通訊協(xié)議模塊相連接，將濕度傳感器所采集實時的濕度信息接入到物聯(lián)網(wǎng)接入系統(tǒng)中；圖5給出了有線通訊單元與物聯(lián)網(wǎng)接入處理單元及物聯(lián)網(wǎng)連接的結(jié)構(gòu)，有線通訊單元直接與外界的物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行連接，實現(xiàn)有線數(shù)據(jù)的以太網(wǎng)傳輸功能；同時，有線通訊單元與接入處理單元IoT-JPU中的以太網(wǎng)通訊協(xié)議模塊相連接，由以太網(wǎng)通訊協(xié)議模塊實現(xiàn)以太網(wǎng)通訊協(xié)議。以太網(wǎng)通訊協(xié)議模塊采用Xilinx FPGA開發(fā)環(huán)境中集成的Lwip協(xié)議棧及Ethernet_MAC IP核實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議，包括數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層及傳輸層的功能。以太網(wǎng)通訊模塊采用網(wǎng)絡(luò)接口芯片Marvell Alaska 88E1111及相應(yīng)的PHY接口。[0067]圖6給出了無線通訊單元功能結(jié)構(gòu)及其與物聯(lián)網(wǎng)接入處理單元的連接結(jié)構(gòu)，無線通訊單元包括無線通訊控制器、射頻電路及天線，本應(yīng)用實施例無線通訊單元采用ZigBee無線通訊模塊，其主要的ZigBee處理芯片采用JennicJN5148芯片。根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)接入系統(tǒng)不同的應(yīng)用需求，該無線通訊單元也可以采用GPRS、3G、Bluetooth、ZigBee及Wi-Fi等通訊模塊。圖7為基于本實用新型的通用電氣量采集器應(yīng)用實施例系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能框圖，圖8為基于本實用新型的通用電氣量匯聚器應(yīng)用實施例系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能框圖，這兩個框圖給出了根據(jù)電力系統(tǒng)電氣量采集的物聯(lián)網(wǎng)接入需求，通過靈活配置物聯(lián)網(wǎng)接入系統(tǒng)及設(shè)備中的接入處理單元IoT-JPU，選擇或配置不同的采集接口通訊協(xié)議模塊、無線通訊接口協(xié)議模塊、以太網(wǎng)通訊協(xié)議模塊及串口通訊協(xié)議模塊，實現(xiàn)了通用電氣量采集器及匯聚器的功能。傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)電氣量采集，是通過專用電氣量采集設(shè)備(如數(shù)字式交流采集裝置CSC208)實時采集電氣量信息，通過RS485將采集數(shù)據(jù)上傳到配電子站及遠(yuǎn)程監(jiān)控端。這種方式無法實現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信，且在采集點擴(kuò)展的靈活性和高復(fù)用性等方面存在一定的缺陷?！け緦嵱眯滦蛻?yīng)用實施例基于本實用新型所提出的基于FPGA的物聯(lián)網(wǎng)接入系統(tǒng)，實現(xiàn)通用電氣量采集器及匯聚器。通用電氣量采集器將專用電氣量采集設(shè)備CSC208所采集的實時電氣量信息處理及封裝后通過無線ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳送；通用電氣量匯聚器接收多個通用電氣量采集器所采集傳輸?shù)碾姎饬啃畔?，并通過以太網(wǎng)通訊傳輸上送到遠(yuǎn)程監(jiān)控端。其中，所實現(xiàn)的通用電氣量采集器中，數(shù)據(jù)采集接口單元配置為UART接口，物聯(lián)網(wǎng)接入處理單元中的采集接口通訊協(xié)議模塊和無線通訊接口協(xié)議模塊配置為UART協(xié)議，無線通訊單元配置為無線通訊ZigBee模塊，從而實現(xiàn)了將傳統(tǒng)的電氣量采集設(shè)備CSC208所采集的電氣量信息接入到物聯(lián)網(wǎng)接入系統(tǒng)中，完成數(shù)據(jù)處理后通過無線通訊模塊發(fā)送到ZigBee網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸；本實施例中的電氣量采集設(shè)備CSC208由電流/電壓互感器、A/D轉(zhuǎn)換電路及UART接口等組成；無線通訊ZigBee模塊由Jennie JN5148芯片、射頻電路，以及SMA座棒狀天線組成；物聯(lián)網(wǎng)接入處理單元由Xilinx Spartan6LXT芯片及相應(yīng)的外圍器件組成。所實現(xiàn)的通用電氣量匯聚器中，無線通訊單元配置為無線通訊ZigBee模塊，物聯(lián)網(wǎng)接入處理單元中配置無線通訊接口協(xié)議模塊和以太網(wǎng)通訊協(xié)議模塊；有線通訊單元配置為以太網(wǎng)通訊模塊。由無線ZigBee通訊模塊接收多個通用電氣量采集器所采集傳輸?shù)碾姎饬啃畔ⅲ⑼ㄟ^物聯(lián)網(wǎng)接入處理單元處理后，由以太網(wǎng)通訊模塊上送到物聯(lián)網(wǎng)上。本實施例中，無線通訊ZigBee模塊由Jennie JN5148芯片、射頻電路，以及SMA座棒狀天線組成；有線通訊單元配置為以太網(wǎng)通訊模塊，采用網(wǎng)絡(luò)接口芯片Marvell Alaska 88E1111及相應(yīng)的PHY接口 ；物聯(lián)網(wǎng)接入處理單元中的無線通訊接口協(xié)議模塊配置為UART協(xié)議，以太網(wǎng)通訊協(xié)議模塊采用Xilinx FPGA開發(fā)環(huán)境中集成的Lwip協(xié)議棧及Ethernet_MAC IP核實現(xiàn)，物聯(lián)網(wǎng)接入處理單元由Xilinx Spartan6LXT芯片及相應(yīng)的外圍器件組成。上述實施例只是本實用新型的優(yōu)選的應(yīng)用實施例，本實用新型的保護(hù)范圍并不局限于該實施例。凡在本實用新型的精神和原則范圍內(nèi)，所作的任何修改、改進(jìn)、等同替換等，均應(yīng)包含在本實用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種基于FPGA的物聯(lián)網(wǎng)接入設(shè)備，該設(shè)備包括接入處理單元、數(shù)據(jù)采集接口單元、以及無線通訊單元和有線通訊單元，其中 所述接入處理單元為所述設(shè)備的控制處理核心，與數(shù)據(jù)采集接口單元、無線通訊單元，以及有線通訊單元相連接； 所述數(shù)據(jù)采集接口單元至少包括專用測量設(shè)備接入模塊或通用傳感器接入模塊，該接口單元至少提供一種專用測量設(shè)備接口或通用傳感器接口； 所述有線通訊單元至少包括以太網(wǎng)通訊模塊或串口通訊模塊； 所述接入處理單元至少包括一個FPGA芯片及一個存儲器芯片；該接入處理單元內(nèi)部集成嵌入式微處理器和數(shù)據(jù)緩存模塊。
2.如權(quán)利要求I所述的接入設(shè)備，其特征在于，所述數(shù)據(jù)采集接口單元所提供的接口是UART接口、SPI接口、IIC接口、PCI接口或GPIO通用接口中的任意一種或任意組合。
3.如權(quán)利要求I所述的接入設(shè)備，其特征在于，所述無線通訊單元是基于GPRS、3G、藍(lán)牙Bluetooth、ZigBee或Wi-Fi的無線通訊單元中的任意一種。
專利摘要本實用新型涉及一種基于FPGA的物聯(lián)網(wǎng)接入設(shè)備，該設(shè)備包括用FPGA技術(shù)和器件設(shè)計實現(xiàn)的物聯(lián)網(wǎng)接入處理單元、數(shù)據(jù)采集接口單元、以及無線通訊單元和有線通訊單元；其中，接入處理單元至少包括一個FPGA芯片及一個存儲器芯片；數(shù)據(jù)采集接口單元至少包括專用測量設(shè)備接入模塊或通用傳感器接入模塊，該接口單元至少提供一種專用測量設(shè)備接口或通用傳感器接口；有線通訊單元至少包括以太網(wǎng)通訊模塊或串口通訊模塊。本實用新型解決現(xiàn)有物聯(lián)網(wǎng)接入方式在通用性、靈活性，以及設(shè)備的優(yōu)化升級等方面的不足，在不更改原有設(shè)備的前提下，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的有線或無線接入，從而滿足不同應(yīng)用在接入成本、接入方式、功耗、以及效率等方面的不同需求。
文檔編號H04L12/28GK202587006SQ201120511259
公開日2012年12月5日 申請日期2011年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月8日
發(fā)明者侯義斌, 黃樟欽, 劉宏珍, 肖春華, 韓廣利 申請人:北京工業(yè)大學(xué)