本實用新型屬于無線通信領(lǐng)域，涉及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)備，尤其涉及基于低功耗廣域網(wǎng)的多功能安全網(wǎng)關(guān)設(shè)備。

背景技術(shù)：

低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)(LPWAN)技術(shù)是近年國際上一種革命性的物聯(lián)網(wǎng)接入技術(shù)，具有遠距離、低功耗、低運維成本等特點，與WiFi藍牙、ZigBee等現(xiàn)有技術(shù)相比，LPWAN真正實現(xiàn)了大區(qū)域物聯(lián)網(wǎng)低成本全覆蓋，目前LPWAN技術(shù)已經(jīng)在由美國思科公司、IBM公司等組成的LoRa Alliance等國際組織進行全球推廣，成為新物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和智慧城市的重要基礎(chǔ)支撐技術(shù)。2015年，中國科學(xué)院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心開展低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)(LPWAN)研究工作以來，已經(jīng)進行了技術(shù)現(xiàn)狀研究，目前在推進LPWAN技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)提案。

不同的無線技術(shù)解決不同的問題。LPWAN更適合長距離發(fā)送小數(shù)據(jù)量的設(shè)備，使用電池或能量收集等供電方式。一些物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用僅需要傳送少量的信息，發(fā)送數(shù)據(jù)的頻次低。在長距離和低帶寬上，LPWAN較現(xiàn)有的一些無線技術(shù)(WiFi、Bluetooth等)有較大的優(yōu)勢，LPWAN主要還是面向物聯(lián)網(wǎng)一些新興的應(yīng)用和市場，也是現(xiàn)有無線網(wǎng)絡(luò)的一種補充。

LPWAN具有如下特點：1、長距離，根據(jù)部署環(huán)境不同，一個網(wǎng)關(guān)或基站可以覆蓋幾公里，甚至幾十公里；2、低數(shù)據(jù)速率，數(shù)據(jù)速率一般不超過5kbps，每天幾次的通信頻次，每次幾十到幾百個字節(jié)不等。3、低功耗，電池供電或其他能量收集供電，可以維持幾年，甚至更久。

大多數(shù)的LPWAN技術(shù)采用了星型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)。類似于WiFi，星型網(wǎng)絡(luò)終端可以連接到接入點(或基站/網(wǎng)關(guān))。LPWAN應(yīng)用主要有五大類：智能工業(yè)(Smart Industry)、智能公共設(shè)施(Smart Utilities)、智慧城市(Smart Cities)、智能建筑(Smart Buildings)及其他應(yīng)用(Other applications)。

總之，LPWAN的一些新的無線技術(shù)正改變著物聯(lián)網(wǎng)無線連接的應(yīng)用，從近距離的無線連接到遠距離的無線連接，將更有可能帶來大規(guī)模的物聯(lián)網(wǎng)部署。不斷增長的無線連接的需求也在不斷地推動著物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的發(fā)展和深入。

傳統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)多采用ARM處理器，因不能解決并發(fā)處理故多采用單路射頻模塊，其能覆蓋的節(jié)點容量較小，網(wǎng)絡(luò)容量必將大大受限。此外，傳統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)的上網(wǎng)方式多采用以太網(wǎng)方式。并且受限于系統(tǒng)實時性要求，大多網(wǎng)關(guān)都不具備加密功能。上述這些問題，在對數(shù)據(jù)通信安全要求日益增強的今天是一個弊端。

因此，如何能夠解決不同網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)融合問題，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)容量的最大化，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的加密，解決網(wǎng)絡(luò)通信的安全需求，實現(xiàn)多種方式的數(shù)據(jù)上網(wǎng)成為現(xiàn)有技術(shù)亟需解決的技術(shù)問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于此,本實用新型的目的在于提出一種基于低功耗廣域網(wǎng)的多功能安全網(wǎng)關(guān)設(shè)備，以解決現(xiàn)有技術(shù)中的各種弊端。

一種基于低功耗廣域網(wǎng)的多功能安全網(wǎng)關(guān)設(shè)備，其特征在于：所述安全網(wǎng)關(guān)設(shè)備包括：FPGA處理單元，網(wǎng)絡(luò)通信單元，傳感網(wǎng)通信單元，數(shù)據(jù)及存儲單元和電源管理單元，其中所述FPGA處理單元包括FPGA核以及多個FPGA邏輯，所述網(wǎng)絡(luò)通信單元包括多個網(wǎng)絡(luò)通信模塊，所述多個網(wǎng)絡(luò)通信模塊分別通過所述FPGA邏輯與所述FPGA核心連接；所述傳感網(wǎng)通信單元包括多個無線傳感網(wǎng)模塊，所述多個無線傳感網(wǎng)模塊分別通過所述FPGA邏輯與所述FPGA核心連接；所述數(shù)據(jù)及存儲單元包括多個存儲器，所述多個存儲器分別通過所述FPGA邏輯與所述FPGA核心連接；所述電源管理單元為所述多功能安全網(wǎng)關(guān)設(shè)備供電。

優(yōu)選地，所述多個網(wǎng)絡(luò)通信模塊包括3G模塊、WIFI模塊和以太網(wǎng)模塊23。

優(yōu)選地，所述多個無線傳感網(wǎng)模塊包括M508模塊31、M608模塊32和M908模塊33，所述多個無線傳感網(wǎng)模塊分別經(jīng)由多個UART接口14通過所述FPGA邏輯12與所述FPGA核心11連接。

優(yōu)選地，所述多個無線傳感網(wǎng)模塊分別工作在AP模式，每個模塊下面包含多個節(jié)點，從而實現(xiàn)對下游節(jié)點的管理。

優(yōu)選地，所述多個存儲器包括DDR和MMC存儲器41，以及USB和SD卡存儲42。

優(yōu)選地，所述MMC存儲器的容量為4G。

優(yōu)選地，所述電源管理單元包括外接直流電源51、切換電路52和電池部分53。

優(yōu)選地，所述外接直流電源51采用雙路DC/DC電源芯片并行對網(wǎng)關(guān)設(shè)備進行供電；

所述切換電路52用于在外接直流電源51掉電的情況下，完成電池部分53與外接直流電源51之間的切換。

優(yōu)選地，所述FPGA處理單元為FPGA CM7，所述FPGA核12為ARM核。

優(yōu)選地，所述FPGA處理單元還包括數(shù)據(jù)加密模塊13，所述數(shù)據(jù)加密模塊13通過所述FPGA邏輯12與所述FPGA核心11連接。

本實用新型具有如下優(yōu)點：多信道的射頻數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r和并行接入，可實現(xiàn)多路傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)的實時和并行處理；實現(xiàn)傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)的多種不同方式上網(wǎng)，滿足有線和無線場合的布網(wǎng)需求；通信中數(shù)據(jù)的加密和解密，可實現(xiàn)安全通信需求，且適用于低功耗廣域網(wǎng)。

附圖說明

通過以下參照附圖對本實用新型實施例的描述，本實用新型的上述以及其它目的、特征和優(yōu)點將更為清楚，在附圖中：

圖1示出了根據(jù)本實用新型具體實施例的基于低功耗廣域網(wǎng)的多功能安全網(wǎng)關(guān)設(shè)備的模塊圖。

圖中的附圖標(biāo)記所分別指代的技術(shù)特征為：

1、FPGA處理單元；11、FPGA核；12、FPGA邏輯；13、數(shù)據(jù)加密模塊；14、UART接口；2、網(wǎng)絡(luò)通信單元；21、3G模塊；22、WIFI模塊；23、以太網(wǎng)模塊；3、傳感網(wǎng)通信單元；31、M508模塊；32、M608模塊；33、M908模塊；4、數(shù)據(jù)及存儲單元；41、DDR和MMC存儲器；42、USB和SD卡存儲；5、電源管理單元；51、外接直流電源；52、切換電路；53、電池部分。

具體實施方式

以下基于實施例對本實用新型進行描述，但是本實用新型并不僅僅限于這些實施例。

參見圖1，示出了根據(jù)本實用新型具體實施例的基于低功耗廣域網(wǎng)的多功能安全網(wǎng)關(guān)設(shè)備的模塊圖，該安全網(wǎng)關(guān)設(shè)備包括：FPGA處理單元1，網(wǎng)絡(luò)通信單元2，傳感網(wǎng)通信單元3，數(shù)據(jù)及存儲單元4和電源管理單元5，其中所述FPGA處理單元1包括FPGA核11以及多個FPGA邏輯12，所述網(wǎng)絡(luò)通信單元2包括多個網(wǎng)絡(luò)通信模塊，所述多個網(wǎng)絡(luò)通信模塊分別通過所述FPGA邏輯12與所述FPGA核心11連接，所述傳感網(wǎng)通信單元3包括多個無線傳感網(wǎng)模塊，所述多個無線傳感網(wǎng)模塊分別通過所述FPGA邏輯12與所述FPGA核心11連接，所述數(shù)據(jù)及存儲單元4包括多個存儲器，所述多個存儲器分別通過所述FPGA邏輯12與所述FPGA核心11連接，所述電源管理單元5為所述多功能安全網(wǎng)關(guān)設(shè)備供電。

本實用新型的基于低功耗廣域網(wǎng)的多功能安全網(wǎng)關(guān)設(shè)備采用了FPGA單元作為核心部分，通過FPGA邏輯分別連接網(wǎng)絡(luò)通信單元2，傳感網(wǎng)通信單元3以及數(shù)據(jù)及存儲單元4，實現(xiàn)了射頻、通信和數(shù)據(jù)功能的擴展。

進一步的，所述多個網(wǎng)絡(luò)通信模塊包括3G模塊21、WIFI模塊22和以太網(wǎng)模塊23。

因此，傳感網(wǎng)的數(shù)據(jù)可以通過以太網(wǎng)、3G、WIFI三種方式上傳到云端，能夠根據(jù)外部環(huán)境條件選擇最合適的上網(wǎng)方式，并可以在網(wǎng)絡(luò)條件變化時自動實現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)間的切換。保證上下行數(shù)據(jù)鏈路的暢通。

進一步的，所述多個無線傳感網(wǎng)模塊包括M508模塊31、M608模塊32和M908模塊33。

因此，在射頻接入部分，F(xiàn)PGA單元通過FPGA邏輯協(xié)調(diào)三路射頻鏈路數(shù)據(jù)，完全滿足射頻收發(fā)的并行性和實時性。大大擴充了網(wǎng)絡(luò)容量。

進一步的，所述多個無線傳感網(wǎng)模塊分別工作在AP模式，每個模塊下面包含多個節(jié)點，從而實現(xiàn)對下游節(jié)點的管理。

所述多個無線傳感網(wǎng)模塊分別經(jīng)由多個UART接口14通過所述FPGA邏輯12與所述FPGA核心11連接。

進一步的，所述多個存儲器包括DDR和MMC存儲器41，以及USB和SD卡存儲42。

例如，所述MMC存儲器容量示例性的為4G，能夠?qū)﹃P(guān)鍵數(shù)據(jù)進行備份?？蔀楣收显\斷提供依據(jù)。

進一步的，所述電源管理單元5包括外接直流電源51、切換電路52和電池部分53。

所述外接直流電源采用雙路DC/DC電源芯片并行對設(shè)備進行供電。滿足系統(tǒng)對功率的要求。

所述電池部分采用10安時電池，滿足突發(fā)情況系統(tǒng)的臨時供電需求。在無外接直流電源的條件下，系統(tǒng)能堅持運行，以便對關(guān)鍵數(shù)據(jù)進行備份。

所述切換電路用于在外接直流電源51掉電的情況下，完成電池部分53與外接直流電源51之間的切換。在正常情況下，通過外接直流電源51供電。

進一步的，所述FPGA處理單元1還包括數(shù)據(jù)加密模塊13，所述數(shù)據(jù)加密模塊13通過所述FPGA邏輯12與所述FPGA核心11連接，能夠?qū)Π踩嚓P(guān)的數(shù)據(jù)進行加密和解密，保證數(shù)據(jù)通信安全。這點在數(shù)據(jù)安全要求日益提高的今天顯得尤為重要。

在本實用新型中，所述FPGA處理單元1為FPGA CM7，所述FPGA核12為ARM核。

基于本實用新型的基于低功耗廣域網(wǎng)的多功能安全網(wǎng)關(guān)設(shè)備還能夠具有：

(1)故障報警功能：設(shè)備工作狀態(tài)如出現(xiàn)異常、故障，則自動通過無線傳感網(wǎng)發(fā)送故障報警信息。

(2)遠程設(shè)置設(shè)備參數(shù)：通過云端系統(tǒng)平臺可遠程設(shè)置節(jié)點相關(guān)工作參數(shù)等。

因此，本實用新型具有如下優(yōu)點：

多信道的射頻數(shù)據(jù)實時和并行接入，可實現(xiàn)多路傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)的實時和并行處理；

實現(xiàn)傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)的多種不同方式上網(wǎng)，滿足有線和無線場合的布網(wǎng)需求；

通信中數(shù)據(jù)的加密和解密，可實現(xiàn)安全通信需求

以上所述僅為本實用新型的優(yōu)選實施例，并不用于限制本實用新型，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，本實用新型可以有各種改動和變化。凡在本實用新型的精神和原理之內(nèi)所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。