一种基于全光网络传输的智能网关的制作方法

本实用新型属于通信技术领域，更具体地，涉及一种基于全光网络传输的智能网关。

背景技术：

为推动工业制造全层级的数字化、网络化、智能化进程，必须实现边缘设备大范围、深层次的数据采集，以及异构数据的协议转换与边缘处理，必须实现远距离、高带宽、抗干扰、易部署、易维护、易融合的企业网络构建。

网关作为工业环境的核心部件，其主要作用为进行数据采集和传输；而工业领域现有的传输协议众多，且缺乏通用的协议转换设备，因此要求作为其媒介的网关能够采集尽可能多的协议的数据，这样才能把不同的语言翻译成同种语言，使应用者能直观了解各部工作状态，让整个系统协调统一。

同时，现有技术中工业网关数据上行接口通常为电网口，网络部署和维护复杂，抗干扰能力差，从而无法实现远距离和高带宽传输。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本实用新型提供了一种基于全光网络传输的智能网关，其目的在于对现有网关结构进行改进，以实现当前离散的设备接入全光网络，由此解决现有技术网关网络部署和维护复杂、抗干扰能力差、无法实现远距离和高带宽传输的技术问题。

为实现上述目的，按照本实用新型的一个方面，提供了一种基于全光网络传输的智能网关，其特征在于，包括主控制器、以太网交换机、光电转换器、上行端口及为所述主控制器、以太网交换机、光电转换器、上行端口提供工作电压的电源管理器；其中：所述以太网交换机输入端与所述主控制器输出端信号连接，所述以太网交换机输出端经所述光电转化器连接至所述上行端口：工作时，所述以太网交换机采集数据并输出电信号，所述光电转换器将所述以太网交换机输出的电信号转换为光信号并发送至所述上行端口以传输。

优选地，所述的基于全光网络传输的智能网关，其还包括多个以太网接口、串行接口、wifi/蓝牙接口、usb接口、模拟信号输入接口、数字信号输入接口、和/或数字信号输出接口，以采集多种协议数据；其中，所述串行接口、wifi/蓝牙接口、usb接口、模拟信号输入接口、数字信号输入接口、和/或数字信号输出接口均与所述主控制器输入端相连，以将采集到的数据传输到所述主控制器；所述以太网接口与所述以太网交换机输入端和/或主控制器输入端相连，以将数据传输到所述太网交换机和/或主控制器。

优选地，所述的基于全光网络传输的智能网关，其还包括协处理器，所述模拟信号输入接口、数字信号输入接口、和/或数字信号输出接口经所述协处理器连接至所述主控制器，以将所述模拟信号输入接口、数字信号输入接口、和/或数字信号输出接口采集的数据传输至所述主控制器。

优选地，所述的基于全光网络传输的智能网关，其协处理器为fpga。

优选地，所述的基于全光网络传输的智能网关，其还包括光电耦合器，所述数字信号输入接口、和/或数字信号输出接口经所述光电耦合器连接至所述协处理器。

优选地，所述的基于全光网络传输的智能网关，其串行接口包括相互独立的rs232串口和rs485串口。

优选地，所述的基于全光网络传输的智能网关，其还包括usb转网口器，所述以太网接口经所述usb转网口器连接至所述主控制器。

优选地，所述的基于全光网络传输的智能网关，其串行接口、模拟信号输入接口、数字信号输入接口、和/或数字信号输出接口与工业设备之间设有防浪涌保护电路和/或光电隔离模块。

优选地，所述的基于全光网络传输的智能网关，其还包括存储器，所述存储器与所述以太网交换机信号连接。

优选地，所述的基于全光网络传输的智能网关，其电源管理器为所述主控制器、以太网交换机、光电转换器、上行端口提供相互独立的工作电压。

总体而言，本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

本实用新型提供的基于全光网络传输的智能网关，通过增加光电转换器，从而使得设备上行端口由原来的电网口转换为光网口进行数据传输，并不需要在上行接口处借助其他光交换机或者其他光电转换设备，从而支持全光网络信号传输，将工控网络的传输速度达到提高，并且实现高带宽远距离传输，同时，全光网络无源传输，提高网络工业网络对电磁干扰、化学腐蚀等工况环境的抵抗能力。

优选方案，本实用新型提供的基于全光网络传输的智能网关，集成了多种输入接口，实现当前离散的、多协议工业设备的接入，从而提高了设备控制实时性的同时，降低协议转换带来的计算资源消耗，同时减少对带宽的需求。

附图说明

图1是本实用新型提供的基于全光网络传输的智能网关的结构示意图；

图2是本实用新型实施例提供的利用本实用新型提供的基于全光网络传输的智能网关部署的工控网络结构示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

一种基于全光网络传输的智能网关，如图1所示，包括主控制器、以太网交换机、光电转换器、上行端口及为所述主控制器、以太网交换机、光电转换器、上行端口提供工作电压的电源管理器；其中：所述以太网交换机输入端与所述主控制器输出端信号连接，所述以太网交换机输出端经所述光电转化器连接至所述上行端口：工作时，所述以太网交换机采集数据并输出电信号，所述光电转换器将所述以太网交换机输出的电信号转换为光信号并发送至所述上行端口以传输。

所述主控制器与以太网交换机信号连接，具体而言，所述主控制器，其输出端通过网口与所述以太网交换机输入端相连，以用于运行协议转换程序和网关管理程序；优选地，所述主控制器包括arm处理器芯片，其型号优选为国产的瑞芯微rk3399，其使用双“服务器级”核cortex-a72+四核cortex-a53的大小架构，主频高达2.0ghz，外扩了4gb容量的内存，16gb的高速emcc固态存储以及大容量高速sd卡，为设备运行效率及程序空间提供了充分的保障；所述主控制器还具有光纤接口、千兆网口、无线接收模块、串口、模拟电压信号输入接口、数字电压信号输入接口、和/或数字电压信号输出接口；

所述以太网交换机用于传输数据的交换，其具备多个以太网接口，且每个网口都工作在全双工方式，以进行无冲突地传输数据；优选地，所述以太网交换机具有多路下行通道，其中至少一路下行通道与所述主控制器相连，至少一路下行通道与工业设备相连，其上行通道与所述光电转换器相连；以用于实现该工业设备、主控制器和数据中心三方通信；优选地，所述以太网交换机选用千兆交换机芯片rtl8367，其具有很高的抗干扰性和强大的性能，通过双绞线连接用户侧设备，实现速率为10/100/1000m自适应。

所述光电转换器，其输入端与所述以太网交换机输出端连接，用于将所述以太网交换机输出的电信号转换为光信号并将上行端口传输；优选地，所述光电转换器选择专用g(pon)芯片实现光网络与电网络之间的协议互转，其功能为实现rgmii与gpon之间的协议互换，具体而言，通过rgmii接口，实现了千兆网输入，并通过片上的光口驱动电路实现了上行光口的功能，实现光网络通讯的负载平衡，最大程度的发挥出光网络通讯的带宽优势；所述光电转换器，其型号优选为华为海思sd5171芯片，其符合ieee802.3-2005标准，具备支持以太网端口限速、环路检测、动态带宽分配等功能。

现有技术中工业网关数据上行接口通常为电网口，其导致网络部署和维护复杂，抗干扰能力差，从而无法实现远距离和高带宽传输。而在本实用新型提供的技术方案，在以太网交换机输出端口连接有光电转换器，通过光电转换器将所述以太网交换机输出的电信号转换为光信号并经上行端口输出，从而实现全光网络传输，并不需要在上行接口处借助其他光交换机或者其他光电转换设备，从而支持全光网络信号传输，将工控网络的传输速度达到提高，并且实现高带宽远距离传输，同时，全光网络无源传输，提高网络工业网络对电磁干扰、化学腐蚀等工况环境的抵抗能力。

由于工业现场涉及到需要采集数据的产品种类繁多，每一种产品都有自己独特的规约协议，所以网关机要想去作为媒介传输采集这些数据就包含尽可能多的协议，这样才能把不同的语言翻译成同种语言，使应用者能直观了解各部工作状态，让整个系统协调统一。与此同时，想要在工业生产中发挥作用，数据的实时性也是很重要的，而现有的网关机都不能满足上述需求。

为了解决这个问题，本实用新型提供的基于全光网络传输的智能网关，其还包括多个下行端口，所述下行端口包括多个以太网接口、串行接口、wifi/蓝牙接口、usb接口、模拟信号输入接口、数字信号输入接口、和/或数字信号输出接口，以适应不同类型数据的采集；

所述串行接口与所述主控制器信号连接，以采集工业设备数据并上传至所述主控制器；为采集多种协议数据，所述下行端口包括至少2个独立的串行接口，所述串行接口分别为rs232串口和rs485串口，优选地，所述rs232串口支持全双工，所述rs485串口支持总线式半双工工作，以适应不同类型的接入设备。优选地，所述串口接口芯片选型选择带隔离的收发器adm2483，同时加入防浪涌保护电路，确保通讯稳定可靠。

所述下行端口包含多个以太网接口，所述以太网接口与所述以太网交换机和/或主控制器相连，以使得所述以太网接口采集的数据既可以直接从传输至以太网交换机以进行转发，也支持经主控制器获取再传输至所述以太网交换机转发。

由于所述主控制器，其网口与所述以太网交换机连接，当所述下行端口的以太网接口与所述主控制器连接时，需要增加usb转网口器，所述usb转网口器用于将所述主控制器的usb接口转换为以太网接口，以采集所述下行端口以太网接口数据。优选地，所述usb转网口器选择rl-um02wbs芯片。

所述wifi/蓝牙接口、usb接口与所述主控制器对应接口连接，以采集不同类型数据。

工业设备网络中，报警信号等数据必须实时处理，如化工厂、油库发生可燃性气体泄漏，需要立即疏散现场人员，检查泄漏原因，进行抢修，否则造成重大安全事故，而报警信号为模拟信号和数字信号。因此，优选地，所述下行端口还包括模拟信号输入接口、数字信号输入接口、和/或数字信号输出接口；优选地，所述模拟信号输入接口芯片选用ad7606，以实现8通道16位ad采样，所述数字信号输入接口、和/或数字信号输出接口芯片优选为松下uln2803系列。

为避免主控制器处理数据过多，而导致处理效率低下等问题，优选地，本实用新型还包括协处理器，所述协处理器用于接收所述模拟信号输入接口、数字信号输入接口、和/或数字信号输出接口采集的数据并将所述数据传递给所述主控制器。优选地，所述协处理器为fpga芯片，其型号为alteracyclone，fpga芯片与数字量输入输出芯片和模拟量输入芯片连接。接口包括：四通道数字量输入、四通道数字量输出、八通道十六位模拟量输入。

为保证系统稳定，本实用新型还包括光电耦合器，所述数字信号输入接口、和/或数字信号输出接口经所述光电耦合器连接至所述协处理器，以实现光电隔离，保证系统稳定性。

由于工业设备常存在电压突变等问题，因此，为保证设备安全性，优选地，所述下行端口，其串行接口、模拟信号输入接口、数字信号输入接口、和/或数字信号输出接口与工业设备之间设有防浪涌保护电路和/或光电隔离模块，以确保通讯稳定可靠。

为确保数据安全性，优选地，本实用新型还包括存储器，所述存储器与所述以太网交换机信号连接，以用于存储所述以太网交换机上传至数据中心的各类所述工业设备实时执行结果数据、以及以太网交换模块透传数据。

本实用新型通过隔离设计，将不同协议的硬件电路隔离开，并各自独立供电。从而使得硬件层面各接口之间不相互干涉，确保硬件安全及通讯稳定；具体而言，所述电源管理器采用机箱电源，具体为工业通用24v电源，并将其转换为12v、5v、3.3v、1.2v等4种电压等级的电源；其中，所述12v电源用于以太网交换机芯片供电，5v电源用于光电转换器、主控制器、usb转网口器供电，3.3v电源用于串口芯片、数字量输入芯片、数字量输出芯片、模拟量输入芯片供电，1.2v电源用于fpga芯片供电。

以下结合具体实施例做进一步说明：

一种基于全光网络传输的智能网关，如图1所示，包括主控制器、以太网交换机、光电转换器、上行端口、下行端口、协处理器、电源管理器；

所述主控制器为arm处理器，其选用国产瑞芯微rk3399，使用双“服务器级”核cortex-a72+四核cortex-a53的大小架构，主频高达2.0ghz，外扩了4gb容量的内存，16gb的高速emcc固态存储以及大容量高速sd卡，所述sd卡作为存储器，用于存储所述以太网交换机上传至数据中心的各类所述工业设备实时执行结果数据、以及以太网交换模块透传数据；为设备运行效率及程序空间提供了充分的保障；所述主控制器还具有光纤接口、千兆网口、无线接收模块、串口、模拟电压信号输入接口、数字电压信号输入接口、和/或数字电压信号输出接口。

所述以太网交换机选用千兆交换机芯片rtl8367，其具有很高的抗干扰性和强大的性能，通过双绞线连接用户侧设备，实现速率为10/100/1000m自适应。

所述光电转换器，其型号为华为海思sd5171芯片，其符合ieee802.3-2005标准，具备支持以太网端口限速、环路检测、动态带宽分配等功能，通过片上的光口驱动电路实现了上行光口的功能。

所述下行端口包括四路以太网接口、两路串行接口、一路wifi/蓝牙接口、一路usb接口、一路模拟信号输入接口、一路数字信号输入/输出接口，以适应不同类型数据的采集；

所述串行接口分别为rs232串口和rs485串口，所述rs232串口支持全双工，所述rs485串口支持总线式半双工工作，以适应不同类型的接入设备。所述串口接口芯片选型选择带隔离的收发器adm2483，同时加入防浪涌保护电路，确保通讯稳定可靠。

所述下行端口提供了四路千兆网口，其中三路网口可连接工业设备，一路网口连接所述主控制器。既支持数据透传(直接从以太网交换模块转发)，也支持由主控制器获取再通过以太网交换模块转发。

由于所述主控制器，其网口与所述以太网交换机连接，当所述下行端口的以太网接口与所述主控制器连接时，需要增加usb转网口器，所述usb转网口器用于将所述主控制器的usb接口转换为以太网接口，以采集所述下行端口以太网接口数据。所述usb转网口器选择rl-um02wbs芯片。

所述模拟信号输入接口芯片选用ad7606，以实现8通道16位ad采样。

所述数字信号输入/输出接口芯片选用松下uln2803系列。

所述协处理器为fpga芯片，其型号为alteracyclone，fpga芯片与数字量输入输出芯片和模拟量输入芯片连接。接口包括：四通道数字量输入、四通道数字量输出、八通道十六位模拟量输入。

本实用新型还包括光电耦合器，所述数字信号输入/输出接口芯片输出接口经所述光电耦合器连接至所述协处理器，以实现光电隔离，保证系统稳定性，所述光电耦合器选用ps250系列，其自合成有光电耦合器，能够实现光电隔离，保证系统稳定性。

所述下行端口，其串行接口、模拟信号输入接口、数字信号输入接口、和/或数字信号输出接口与工业设备之间设有防浪涌保护电路和/或光电隔离模块，以确保通讯稳定可靠，所述防浪涌保护电路和/或光电隔离模块为常规设计，此处不再赘述。

本实用新型通过隔离设计，将不同协议的硬件电路隔离开，并各自独立供电。从而使得硬件层面各接口之间不相互干涉，确保硬件安全及通讯稳定；具体而言，所述电源管理器采用机箱电源，具体为工业通用24v电源，并将其转换为12v、5v、3.3v、1.2v等4种电压等级的电源；其中，所述12v电源用于以太网交换机芯片供电，5v电源用于光电转换器、主控制器、usb转网口器供电，3.3v电源用于串口芯片、数字量输入芯片、数字量输出芯片、模拟量输入芯片供电，1.2v电源用于fpga芯片供电。

基于本实施例提供的基于全光网络传输的智能网关的工控网络部署如图2所示，网络摄像机、西门子plc分别通过网口1、网口2、网口3与网关相连，光照传感器通过模拟信号输入接口与网关相连，三色灯通过数字信号输出接口与网关相连，温湿度传感器、声光报警器通过rs485串口与网关相连，本实施例中网关上行端口为光口，通过光纤连接数据中心光线路终端的分光器。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。