基于5G网络的智能网关设计

基于 5G网络的智能网关设计

高九连

新疆九龙电子科技发展有限公司 新疆 乌鲁木齐 830000

摘要：随着联网终端设备的增多，以及不同类型的网络设备接入互联网，对网络的容量和设备之间的互通互联要求也越来也高；而且有的设备使用的通信接口不具备联网功能，或者有的设备本身已经组成了一个不同类型的内部无线局域网，要把这些各种不同类型的设备都连接上互联网，实现设备与设备之间的通信，必须依靠网关实现。而5G技术的发展也可以有效地解决网络容量的问题。

本系统基于5G网络，设计了一款智能网关系统。该网关系统可以把多种通信格式的数据通过独特的智能算法快速地转换为物联网常用的MQTT协议，从而可以把数据上传到互联网的云端系统，由于网关主要是使用5G网络进行通信，具有网络容量大和传输数据快等优点。

关键词：智能网关；通信接口；5G网络；MQTT

引言

物联网与移动通信技术一直在融合发展，随着5G网络投入商用，将会有海量移动终端设备和传感器将与物联网相连接，给生产生活中的方方面面注入更多的活力与可能，带来更多智能化数字化的应用场景。本文提出了基于5G技术，运用嵌入式系统开发工具，电路设计仿真软件等，设计基于5G技术的物联网网关。

1智能网关系统设计

智能网关系统由MCU处理器、有线标准接口、无线射频接口和5G通信模块组成，能把各种设备常用的通信格式进行协议转换，然后与云端服务器通信，从而实现设备与设备的互联通信。

智能网关的有线接口主要是RS232、RS485和CAN标准接口，无线射频接口是LORA和nRF24L01。各种不同的设备通过标准接口与网关系统进行通信后，网关系统把各种格式的数据进行整合处理，转换成标准的MQTT通信协议，然后通过5G网络上传到云端系统，网关系统根据当前的设备的状态，能智能调节工作状态，实现数据传输迅速和可靠，网关还具有断线自动重连、网络监测等功能，保证网关安全、可靠地工作。

2智能网关硬件设计

2.15G模组通信设计

5G通信使用的是芯讯通的SIM8200EA模组，SIM8200EA-M2是支持多频段5GNR/LTE-FDD/LTE-TDD/HSPA+模块，支持R155GNSA/SA最高2.4Gbps的数据传输。它不仅支持5G网络，还可以兼容4G/3G网络，根据当前网络环境自主选择合适的网络通信，拥有丰富的接口。SIM8200EA-M2采用M.2尺寸，TYPE3052-S3-B。它是为需要在各种无线电传播条件下进行高吞吐量数据通信的应用而设计的，具有高效，安全和灵活的独特的特点。

2.2硬件接口RS232

RS232是串行数据通信的接口标准，是设备常用的通信方式，很多设备都自带RS232接口。RS232能实现全双工的通信传输，通讯方便、灵活，但是具有传输速率低、抗干扰能力差和传输距离短等不足。本网关系统采用芯片SP3232设计RS232硬件接口。

2.3传感器

光敏传感器使用的是ISL29002，这是一种具有集成光传感器内置的整合性ADC和标准IIC接口的光线强度检测传感器，该设备读取周围环境光线水平位照度，输出信号为数字量并且可以通过IIC协议访问。

温湿度传感器使用的是DHT11，是一款运用数字模块采集技术和温湿度传感技术的温湿度复合传感器，输出的信号为数字量。具有响应快、体积小、抗干扰能力强、性价比高等优点，在智能家居、物联网领域应用广泛。

3软件设计

相比传统车载网关，将5G与网关技术相融合，将边缘计算技术与网关相融合，可以进一步优化智能网联的数据分析处理能力。所以，这里提出将边缘计算技术与网关部分功能结合的方案，来满足应用需求。

网关DTC故障诊断包括电源电压异常，即高压故障和低原有的车载网关只是对整车数据报文进行转发或简单处理，例如发动机转速信号数据传输到网关，网关将其进行转发给能够接收它的对应节点，如仪表，所以我们能够在仪表上看到发动机的转速数据。

通过将边缘计算技术应用于车载网关服务，在网关侧通过边缘计算技术将整车ECU传感器所采集到的数据，直接进行处理分析，并将所需数据打包发送给边缘云MEC侧。在边缘云MEC侧完成数据的进一步分析处理，并结合由其他车辆网关传输的数据及路侧协同设备所获取的数据进行综合分析处理，实现车车协同，车路协同，实现车辆、云服务端、路网端、行人四端协同的业务场景。

为实现车载网关具备边缘计算能力，其软件设计主要包括以下部分：报文协议转换接收发送；数据打包加密解密；E2E端到端通信安全。网关将从CAN总线、LIN总线、以太网接收到的数据，按照协议进行处理，并存储一部分数据，实时加密打包，通过E2E端到端通信，来保证处理的数据的完整性和合法性问题。最终通过TBOX提供的5G网络来发送和接收数据包，来完成高速数据传输。

网关也可以将车载传感器、摄像头采集到的数据转换为数据信息，通过上传MEC实现感知共享，通过协同交互，极大的改变目前车辆行驶过程中的盲区问题，辅助驾驶中的感应判断问题，并实现智能驾驶及高精度定位等智能网联应用。车载网关将实时采集车辆数据、传感器数据，并且完成数据分析工作，对采集到的异常数据，打包上传，实现车载网关的边缘计算能力。而后边缘侧MEC将对车辆、路网所上报的数据完成边缘侧的计算分析，并将分析数据打包回传至车辆与路网，实现响应与反馈,实现调整驾驶策略，改善车流现状。

4各模块具体设计及实现

4.1用户登录模块

在用户登录模块界面上，用户输入登录云平台的账号及密码，如果登录失败，会提示登录失败的消息，否则，登录成功后跳转到网关连接界面。

4.2网关连接模块

在网关连接模块中，首先通过云平台的网络API接口获取到此账户在云平台上的个人信息并显示到界面中;然后获取此账户在云平台上添加过的所有项目，必须选择其中的一个项目，才能实现在云平台上添加网关设备;最后通过UDP广播的形式搜索局域网下的智能网关设备，智能网关收到匹配的搜索指令后，会发送网关设备信息及TCP网络连接参数给搜索方。网关配置系统根据智能网关反馈的信息将所有搜索到的网关设备展示在列表中，用户双击列表中的即可实现网关设备的连接，连接成功后即跳转到设备管理模块。

4.3设备管理模块

设备管理模块主要是展示网关设备下绑定的各子设备信息，并始终要保持与云平台的同步。此模块在系统与网关和云平台连接成功后启动，如果所连接的网关为出厂状态，未与云平台绑定，则要在云平台上先创建该网关设备，并将创建好的信息发送给网关进行绑定。网关与云平台绑定成功后，需要将网关的无线子设备与云平台上的无线子设备信息进行同步，并展示在设备列表中。

结语

智能网关系统与云端服务器连接测试表明，网关系统稳定可靠，能满足大部分使用环境的需求，网关系统能把不同类型的网络和各种设备迅速准确地转换为常用的MQTT协议，而且通过5G网络，可以大大地提高网络的容量，减少了网络通信延迟的时间。该网关系统应用范围广，市场潜力很大。

参考文献

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［2］王斌，付晓豹，张思卿，等．基于物联网的家居控制系统设计［J］．物联网技术，2020，010(002):83-85．

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