一种5G工业智能网关及其通信方法与流程

一种5g工业智能网关及其通信方法
技术领域
1.本发明涉及工业通信技术领域，特别涉及一种5g工业智能网关及其通信方法。


背景技术：

2.目前，5g(5th generation mobile communication technology，第五代移动通信技术)在工业通信领域的主要应用产品有5g工业cpe(customer premise equipment，指用于访问供应商网络相关服务的任何连接设备)、5g工业路由器和5g工业网关等等。其中，5g工业网关通常只能支持modbus rtu(remote terminal unit，远程终端单元)、modbus tcp(transmission control protocol，传输控制协议)，却很少支持工业现场总线、工业以太网等工业通信网络，这样就极大的限制了5g工业网关在工控行业的应用。针对上述技术问题，现在还没有较为有效的解决办法。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种5g工业智能网关及其通信方法，以使得5g工业智能网关能够支持工业现场总线、工业以太网以及工业无线等工业通信网络，扩宽5g工业智能网关在工控行业的应用范围，并使得5g工业智能网关能够支持工控行业的主从站通信。其具体方案如下：
4.一种5g工业智能网关，包括：设置有m.2接口的主控芯片，所述主控芯片上连接有5g模块，并且，所述主控芯片通过所述m.2接口还连接有用于支持工业通信网络的目标扩展板卡。
5.优选的，所述主控芯片上还连接有ddr和flash。
6.优选的，所述主控芯片上还设置有usb接口、can接口、rs485接口、lan接口和wan接口。
7.优选的，所述主控芯片的操作系统具体为openwrt。
8.优选的，所述5g模块通过usb3.0或pcie与所述主控芯片进行通信。
9.优选的，所述目标扩展板卡具体为profibus dp扩展板卡或canopen扩展板卡或devicenet扩展板卡或lonworks扩展板卡或modbus rtu扩展板卡或bacnet mstp扩展板卡或cclink扩展板卡或ethercat扩展板卡或profinet扩展板卡或ethernet/ip扩展板卡或bacnet ip扩展板卡或powerlink扩展板卡或modbus tcp扩展板卡。
10.优选的，当所述目标扩展板卡为所述profibus dp扩展板卡时，所述profibus dp扩展板卡的操作系统具体为ti rtos。
11.优选的，所述profibus dp扩展卡通过usb或pcie或sdio与所述主控芯片进行通信。
12.相应的，本发明还公开了一种5g工业智能网关的通信方法，应用于前述所公开的一种5g工业智能网关中的所述目标扩展板卡，且所述目标扩展板卡被设置为主站；该方法包括：
13.利用所述5g工业智能网关获取目标从站的目标配置信息；
14.当获取到所述目标配置信息时，则将所述目标配置信息发送至目标plc；
15.当接收到所述目标plc所发送的控制指令时，则将所述控制指令发送至所述目标从站，以对所述目标从站进行控制。
16.相应的，本发明还公开了一种5g工业智能网关的通信方法，应用于前述所公开的一种5g工业智能网关中的所述目标扩展板卡，且所述目标扩展板卡被设置为从站；该方法包括：
17.通过所述5g工业智能网关与目标plc建立通信连接；
18.当接收到所述目标plc所发送的控制指令时，则对所述控制指令进行响应。
19.可见，在本发明所提供的一种5g工业智能网关中，是设置有m.2接口的主控芯片，其中，主控芯片上不仅连接有5g模块，而且，主控芯片还通过m.2接口连接有支持工业通信网络的目标扩展板卡。显然，通过这样的设置方式就使得5g智能网关能够支持工业现场总线、工业以太网以及工业无线等工业通信网络，由此就可以显著扩宽5g工业智能网关在工控行业的应用范围。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
21.图1为本发明实施例所提供的一种5g工业智能网关的结构图；
22.图2为本发明实施例所提供的另一种5g工业智能网关的结构图；
23.图3为本发明实施例所提供的一种5g工业智能网关的通信方法的流程图；
24.图4为本发明实施例所提供的另一种5g工业智能网关的通信方法的流程图；
25.图5为将5g工业智能网关中的profibus dp扩展板卡设置为主站时的示意图；
26.图6为将5g工业智能网关中的profibus dp扩展板卡设置为从站时的示意图。
具体实施方式
27.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
28.请参见图1，图1为本发明实施例所提供的一种5g工业智能网关的结构图，该5g工业智能网关包括：设置有m.2接口11的主控芯片12，主控芯片12上连接有5g模块13，并且，主控芯片12通过m.2接口11还连接有用于支持工业通信网络的目标扩展板卡14。
29.在本实施例中，是提供了一种能够支持工业现场总线、工业以太网以及工业无线等工业通信网络的5g工业智能网关。具体的，在该5g工业智能网关中是设置有具有m.2接口的主控芯片，其中，主控芯片上不仅连接有5g模块，而且，主控芯片通过m.2接口还连接有用于支持工业通信网络的目标扩展板卡。其中，工业通信网络包括工业现场总线、工业以太网
以及工业无线等通信网络。
30.可以理解的是，当在主控芯片上连接了5g模块之后，该工业智能网关就可以利用5g通信技术与其它终端进行通信，由此就可以显著提高该工业智能网关的通信速率。并且，由于m.2接口可以兼容多种通信协议，比如：sata(serial advanced technology attachment，串口连接)、pcie(peripheral component interconnect express，高速串行计算机扩展总线标准)、usb(universal serial bus，通用串行总线)、hsic(high speed inter chip，高速芯片间互连)、uart(universal asynchronous receiver transmitter，通用异步收发传输器)以及smbus(system management bus，系统管理总线)等等，所以，通过m.2接口就可以在主控芯片上连接各种协议的扩展板卡，从而使得该工业智能网关能够兼容各种类型的通信协议。
31.能够想到的是，因为m.2接口可以兼容多种通信协议，所以，当通过m.2接口在主控芯片上连接了用于支持工业通信网络的目标扩展板卡之后，就可以使得该工业智能网关能够支持工业现场总线、工业以太网以及工业无线等工业网络。由于工业现场总线、工业以太网和工业无线是工控行业最为常见的通信协议，所以，通过此种设置方式就可以使得该工业智能网关能够适用于工控行业大部分的应用场景中。
32.此外，在实际应用中，可以将主控芯片设置为任意一种具有逻辑计算功能的芯片，比如：cpld(complex programmable logic device，数字集成电路)、cpu(central processing unit，中央处理器)或者fpga(field programmable gate array，现场可编程逻辑门阵列)等等。作为一种优选的实施方式，可以将主控芯片设置为mips架构芯片mt7621。
33.可见，在本实施例所提供的一种5g工业智能网关中，是设置有m.2接口的主控芯片，其中，主控芯片上不仅连接有5g模块，而且，主控芯片还通过m.2接口连接有支持工业通信网络的目标扩展板卡。显然，通过这样的设置方式就使得5g智能网关能够支持工业现场总线、工业以太网以及工业无线等工业通信网络，由此就可以显著扩宽5g工业智能网关在工控行业的应用范围。
34.基于上述实施例，本实施例对技术方案作进一步的说明与优化，请参见图2，图2为本发明实施例所提供的另一种5g工业智能网关的结构图。作为一种优选的实施方式，主控芯片12上还连接有ddr15和flash16。
35.在本实施例中，还可以在主控芯片上连接ddr(double data rate sdram，双倍速率同步动态随机存储器)。因为ddr不仅具有较大的存储空间，而且，ddr还具有更为快速的数据存储速度，所以，当在主控芯片上连接了ddr以后，就可以使得本技术所提供的5g工业智能网关能够更为快速地与其它终端进行通信，这样就能够进一步提高用户在使用该5g工业智能网关时的用户体验。
36.在实际应用中，还可以在主控芯片上连接flash(flash eeprom memory，闪存)。可以理解的是，因为flash为非易失性存储器，所以，即使flash处于断电情况下，其内部所存储的数据也不会发生丢失。因此，当在主控芯片上连接了flash之后，就可以更加保证该5g工业智能网关在存储数据时的安全性与可靠性。
37.基于上述实施例，本实施例对技术方案作进一步的说明与优化，请参见图2，图2为本发明实施例所提供的另一种5g工业智能网关的结构图。作为一种优选的实施方式，主控
芯片12上还设置有usb接口17、can接口18、rs485接口19、lan接口20和wan接口21。
38.在本实施例中，还可以在主控芯片上设置usb接口、can(controller area network，控制器域网)接口、rs485接口、lan(local area network，局域网)接口和wan(wide area network，广域网)接口。
39.能够想到的是，当在主控芯片上设置了usb接口、rs485接口和can接口之后，就可以使得5g工业智能网关能够支持串行通信，并且，通过usb接口也可以在主控芯片上连接用于存储数据文件的u盘；当在主控芯片上设置了lan接口之后，就可以使得5g工业智能网关能够支持以太网通信和局域网通信；当在主控芯片上设置了wan接口之后，就可以使得5g工业智能网关能够支持广域网通信。由此就可以使得本技术所提供的5g工业智能网关能够适用于更多的应用场景中。
40.基于上述实施例，本实施例对技术方案作进一步的说明与优化，作为一种优选的实施方式，主控芯片12的操作系统具体为openwrt。
41.具体的，可以将主控芯片的操作系统设置为openwrt。因为openwrt是一个高度模块化和高度自动化的嵌入式linux系统，不仅具有强大的网络组件和可拓展性，而且，它内部还安装了100多个已编译好的软件，所以，当将主控芯片的操作系统设置为openwrt时，就可以进一步提高用户在使用该5g工业智能网关时的便捷度。
42.或者，在实际应用中，还可以将5g模块13的操作系统设置为linux，因为linux操作系统不仅是一款开源的软件，而且，linux操作系统在实际生活中也有着十分广泛的应用，所以，当将5g模块的操作系统设置为linux时，就可以相对提高该5g工业智能网关在实际使用中的普适性。
43.基于上述实施例，本实施例对技术方案作进一步的说明与优化，作为一种优选的实施方式，5g模块13通过usb3.0或pcie与主控芯片12进行通信。
44.可以理解的是，因为usb3.0和pcie均具有高速的数据传输通道，所以，当5g模块和主控芯片通过usb3.0或pcie进行通信时，就可以进一步提高5g模块和主控芯片之间的数据交互速度。
45.基于上述实施例，本实施例对技术方案作进一步的说明与优化，作为一种优选的实施方式，目标扩展板卡14具体为profibus dp扩展板卡或canopen扩展板卡或devicenet扩展板卡或lonworks扩展板卡或modbus rtu扩展板卡或bacnet mstp扩展板卡或cclink扩展板卡或ethercat扩展板卡或profinet扩展板卡或ethernet/ip扩展板卡或bacnet ip扩展板卡或powerlink扩展板卡或modbus tcp扩展板卡。
46.在实际应用中，可以将目标扩展板卡设置为profibus dp扩展板卡或canopen扩展板卡或devicenet扩展板卡或lonworks扩展板卡或modbus rtu扩展板卡或bacnet mstp扩展板卡或cclink扩展板卡或ethercat扩展板卡或profinet扩展板卡或ethernet/ip扩展板卡或bacnet ip扩展板卡或powerlink扩展板卡或modbus tcp扩展板卡，因为上述类型的扩展板卡基本上覆盖了大部分工控行业所使用到的通信协议，所以，当将目标扩展板卡设置为上述类型的扩展板卡时，就可以进一步拓宽该5g工业智能网关在工控行业的应用范围。
47.作为一种优选的实施方式，当目标扩展板卡为profibus dp扩展板卡时，profibus dp扩展板卡的操作系统具体为ti rtos。
48.当将目标扩展板卡设置为profibus dp扩展板卡时，可以将profibus dp扩展板卡
的操作系统设置为ti rtos，因为ti rtos操作系统是一个能够同时执行多个运算任务的操作系统，所以，当将profibus dp扩展板卡的操作系统设置为ti rtos时，就可以提高profibus dp扩展板卡对各种运算任务的处理速度。
49.作为一种优选的实施方式，profibus dp扩展板卡通过usb或pcie或sdio与主控芯片进行通信。
50.可以理解的是，因为usb、pcie以及sdio(secure digital input and output card，安全数字输入输出)内部均具有高速的数据传输通道，所以，当profibus dp扩展板卡通过usb或pcie或sdio与主控芯片进行通信时，就可以进一步提高profibus dp扩展板卡与主控芯片之间的数据传输速度。
51.请参见图3，图3为本发明实施例所提供的一种5g工业智能网关的通信方法的流程图，该方法应用于前述所公开的一种5g工业智能网关中的目标扩展板卡，且目标扩展板卡被设置为主站；该方法包括：
52.步骤s11：利用5g工业智能网关获取目标从站的目标配置信息；
53.步骤s12：当获取到目标配置信息时，则将目标配置信息发送至目标plc；
54.步骤s13：当接收到目标plc所发送的控制指令时，则将控制指令发送至目标从站，以对目标从站进行控制。
55.在本实施例中，是提供了一种与前述所公开5g工业智能网关相适配的通信方法，在该通信方法中，5g工业智能网关中的目标扩展板卡是被设置为主站。也即，该通信方法是在5g工业智能网关中的目标扩展板卡被设置为主站时，以主站为执行主体进行具体说明。
56.当5g工业智能网关中的目标扩展板卡被设置为主站时，目标扩展板卡首先会通过5g工业智能网关来获取目标从站的目标配置信息；其中，目标从站既可以是一个，也可以是多个，此处不作具体限定。
57.当目标扩展板卡通过5g工业智能网关获取到目标从站的目标配置信息时，目标扩展板卡还会通过5g工业智能网关将目标从站的目标配置信息发送至目标plc(programmable logic controller，可编程逻辑控制器)当中，以使得目标plc可以对目标从站进行控制。
58.当目标扩展板卡接收到目标plc所发送的控制指令时，目标扩展板卡就会将目标plc所发送的控制指令转发至目标从站当中，从而达到对目标从站进行控制的目的。
59.显然，通过本实施例所提供的技术方案，就可以使得本技术所提供的5g工业智能网关能够支持工控行业的主站通信。
60.请参见图4，图4为本发明实施例所提供的另一种5g工业智能网关的通信方法的流程图，该方法应用于前述所公开的一种5g工业智能网关中的目标扩展板卡，且目标扩展板卡被设置为从站；该方法包括：
61.步骤s21：通过5g工业智能网关与目标plc建立通信连接；
62.步骤s22：当接收到目标plc所发送的控制指令时，则对控制指令进行响应。
63.在本实施例中，是提供了另一种与前述所公开5g工业智能网关相适配的通信方法，在该通信方法中，5g工业智能网关中的目标扩展板卡是被设置为从站。也即，该通信方法是在5g工业智能网关中的目标扩展板卡被设置为从站时，以从站为执行主体进行具体说明。
64.当5g工业智能网关中的目标扩展板卡被设置为从站时，首先目标扩展板卡会通过5g工业智能网关与目标plc建立通信连接；当目标扩展板卡与目标plc建立通信连接以后，如果目标扩展板卡接收到目标plc所发送的控制指令，目标扩展板卡就会对目标plc所发送的控制指令进行响应，并完成目标plc所下发的各项任务。
65.显然，通过本实施例所提供的技术方案，就可以使得本技术所提供的5g工业智能网关能够支持工控行业的从站通信。
66.在现有技术中，很多5g工业网关的主站都不能支持工业现场总线和工业以太网，而采用本技术所提供的5g工业智能网关可以很好的解决上述技术问题。由于profibus是工控行业中最为常见的通信协议，所以，在本实施例中，是将5g工业智能网关中的目标扩展板卡设置为profibus dp扩展板卡进行具体说明。
67.请参见图5，图5为将5g工业智能网关中的profibus dp扩展板卡设置为主站时的示意图。在实际应用中，可以通过5g工业智能网关中的配置界面来选择是将profibus dp扩展板卡设置为主站还是从站。
68.当profibus dp扩展板卡被设置为主站时，profibus dp扩展板卡首先会发送相应的命令，将profibus dp从站设备与5g工业智能网关中的rs485接口建立通信连接，并通过5g工业智能网关中的配置软件pbmconfig加载profibus dp从站的gsd文件(general station description file，通用站点描述文件)；然后，再对profibus dp从站的站点地址和数据地址进行配置，并将这些信息下载到5g工业智能网关中。
69.之后，5g工业智能网关再通过mqtt(message queuing telemetry transport，消息队列遥测传输)将profibus dp从站的相关信息发送给远端或云端的控制器plc上。同时，5g工业智能网关通过5g模块与远端或云端的控制器plc进行vpn(virtual private network，虚拟专用网络)通信，此时远端或云端的控制器plc就会将控制指令通过5g模块发送给5g工业智能网关中的主控芯片。当主控芯片接收到plc所发送的控制指令时，主控芯片会将控制指令通过m.2接口传输至profibus dp主站。当profibus dp主站接收到主控芯片所发送过来的控制指令时，profibus dp主站就会将plc所发送的控制指令下发至profibus dp从站中，以使profibus dp从站可以执行相应的逻辑动作。
70.profibus dp从站执行完毕相应的逻辑动作时，profibus dp从站也会将反馈信息回传给profibus dp主站。与此同时，profibus dp主站也会将profibus dp从站所反馈的数据传输至5g工业智能网关中的主控芯片；最后，主控芯片再通过5g模块和vpn将profibus dp从站所反馈的数据传输至plc，由此就完成了profibus dp主站通过5g工业智能网关对profibus dp从站的控制。
71.另外，在实际应用中，也可以将5g工业智能网关中的profibus dp扩展板卡设置为从站。请参见图6，图6为将5g工业智能网关中的profibus dp扩展板卡设置为从站时的示意图。在实际操作过程中，可以使用5g工业智能网关中的配置界面将5g工业智能网关中profibus dp扩展板卡设置为从站；然后，再将5g工业智能网关通过rs485接口连接到profibus dp总线上，并等待profibus dp总线上的plc对profibus dp从站进行相应的配置和数据交互；之后，5g工业智能网关会将plc所发送的配置信息通过5g模块和mqtt传输给远端被控设备，并与远端被控设备进行数据交互，至此就完成了plc通过5g工业智能网关对远端被控设备的控制。
72.此处通过一个应用场景实施例，对上述所涉及到的将5g工业智能网关中的profibus dp扩展板卡设置为主站或从站时所执行的逻辑动作进行详细说明。具体的，当将profibus dp扩展板卡设置为主站时，5g工业智能网关可以通过profibus dp总线连接3台支持profibus dp从站的gd350变频器，远端控制器plc ax70可以通过有线网络或者另一台5g工业智能网关的lan接口接入到互联网中，并设置相应的vpn客户端。远端控制器plc ax70与5g工业智能网关通过5g+vpn建立通信连接时，远端控制器plc ax70就可以通过5g网络对这3台gd350变频器进行远程控制了。
73.当将profibus dp扩展板卡设置为从站时，可以将plc s7-300设置为远端控制器plc，然后，将5g工业智能网关通过rs485接口与plc s7-300建立通信连接。当5g工业智能网关与plc s7-300建立通信连接以后，远端gd350变频器就可以通过vpn以太网卡或者另外一台5g工业智能网关的lan接口接入互联网，并设置好相应的vpn客户端。当plc s7-300与gd350变频器建立通信连接时，plc s7-300就可以通过5g网络在远程环境下对gd350变频器进行操控。
74.由此可见，通过本技术所提供的5g工业智能网关，不仅可以实现带profibus dp主站功能的plc对远程设备的操控，而且，也可以实现不带profibus dp主站功能的plc对远程设备的操控，由此就实现了真正的工业智能网关。
75.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
76.以上对本发明所提供的一种5g工业智能网关及其通信方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。