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基于FPGA的4G与PROFIBUS嵌入式网关研究与实现

发布时间:2018-04-15 21:40

  本文选题:PROFIBUS-DP + 4G ; 参考:《吉林大学》2017年硕士论文


【摘要】:PROFIBUS(Process Field Bus,过程现场总线)是一种国际化现场总线标准,具有完善的技术体系、可靠的数据传输和完整的技术标准等特点,成为工业网络中最流行、最成功的一种总线。在制造业自动化、流程工业自动化、楼宇、交通电力及其他领域得到广泛应用。4G(the 4th Generation mobile communication technology)作为新一代的移动通信技术,具有通信速度快、网络频谱更宽、延迟低的优点,是未来几年通信技术的佼佼者。“移动网+工业控制网”一直是研究的热点,而4G通信技术的发展使工业控制网络移动互联成为可能,其在工业领域的应用一直备受瞩目。本项研究在对PROFIBUS-DP现场总线网络和4G移动网络两种异构网络的网络结构和网络协议深入研究和分析的基础上,提出了基于FPGA嵌入式网关的方法实现两种异构网络的无缝连接。PROFIBUS-DP现场总线通过该网关接入到4G通信模块,将现场总线的数据通过4G通信模块上传到云服务器,实现在Android客户端上查看、控制PROFIBUS-DP现场设备,从而达到利用无处不在的4G移动网对PROFIBUS-DP现场总线上设备远程实时监控的目的。同时,在系统安全方面,考虑到PROFIBUS-DP工控网络通过嵌入式网关接入移动互联网的安全性,在FPGA网关内部实现基于AES 128bit的数据加密算法,从而保证数据传输的安全。本项研究以Altera公司Cyclone IV系列FPGA(EP4CE6E22C8)作为核心处理器,加上Nios II软核处理器,配合外围模块电路组成整个嵌入式网关的硬件系统。4G通信模块采用华为公司的ME909s-821 LTE模块,加上中国移动的4G SIM卡。软件系统分为三个部分:在Quartus II软件平台上配合Nios II IDE eclipse软件实现协议转换与数据加密功能;在Android Studio平台上开发Android客户端,提供查询、控制现场设备的友好可视化界面;服务器部分采用阿里云端服务器ECS,服务器架构采用Nginx服务器+基于Django的Web应用框架+Mongo DB数据库,提供响应更快、效率更高、更适用于工业控制网络的后台服务支持。本研究对设计的网关进行了模拟验证与测试,测试结果表明:以FPGA为控制器的嵌入式网关系统,能够实现4G和PROFIBUS-DP两种异构网络的协议转换和数据安全传输;开发的服务器和Android客户端能达到通过移动4G网对PROFIBUS-DP总线上的设备进行方便快捷、实时远程监控的目的。该网关具有高灵活性、快速高效和安全性高的优点。
[Abstract]:PROFIBUS (Process Field Bus, PROFIBUS) is an international standard of fieldbus, with perfect technical system, reliable data transmission and complete technical standards and other characteristics, has become the most popular industrial network, a bus. The most successful automation in manufacturing, process automation, industrial buildings, traffic power and other widely used.4G (the 4th Generation mobile communication technology) as a new generation of mobile communication technology, communication network has fast speed, wide spectrum, low delay, is a leader in the next few years. "Mobile communication technology network and industrial control network" has been the focus of research and development. 4G communication technology to the industrial control network of mobile Internet becomes possible, its applications in the industrial field has been much attention. The research on PROFIBUS-DP fieldbus network and 4G mobile network Based on the network structure and network protocols of two heterogeneous networks, in-depth research and analysis, put forward the method of FPGA based on embedded gateway to realize the seamless connection of two kinds of heterogeneous network.PROFIBUS-DP bus through the gateway to the 4G communication module, fieldbus communication module 4G through the data uploaded to the cloud server, check in Android on the client, PROFIBUS-DP control of field equipment, so as to achieve the purpose of ubiquitous mobile network using 4G on PROFIBUS-DP fieldbus equipment remote real-time monitoring. At the same time, in the system of security, taking into account the embedded gateway access to mobile Internet Security PROFIBUS-DP control network, realize AES encryption algorithm based on the 128bit data in the FPGA gateway, which to ensure the security of data transmission. This research takes the Altera Cyclone IV FPGA (EP4CE6E22C8) as the core The heart processor, coupled with Nios II soft core processor, the hardware system of.4G communication module and peripheral circuit components of the embedded gateway using ME909s-821 LTE module of HUAWEI company, and China Mobile's 4G SIM card. The software system is divided into three parts: in the Quartus II software platform with Nios II IDE eclipse software and protocol conversion data encryption; the development of Android client, in the Android Studio platform to provide information, friendly visual interface control equipment; part of the Ali cloud server server ECS server architecture using Nginx server + Django Web +Mongo application framework based on the DB database to provide faster response, higher efficiency, more suitable for industrial control and service the support of the network. The research on the design of the gateway is verified through simulation and test, the test results show that the FPGA controller block In the gateway system, can achieve two kinds of heterogeneous network protocol conversion of 4G and PROFIBUS-DP and data security transmission; development of the server and the Android client can be achieved through mobile 4G network of PROFIBUS-DP bus equipment are convenient, real-time remote monitoring purposes. The gateway with high flexibility, rapid and high safety the advantages.

【学位授予单位】:吉林大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TN791;TN915.05

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本文编号:1755919

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