基于5G网络的智能网关设计

刘荣章

【摘要】    为了解决不同类型的物联网设备都能接入互联网，与云端系统进行通信的问题。本文设计了一款基于5G网络的智能网关设备，能把设备不同的通信接口和不同结构的网络类型统一转换为MQTT通讯协议，再通过5G网络连接到云端系统，从而实现不同设备的互联互通。该智能网关具有通信稳定、可靠和网络容量大等特点，能满足智能家居、智慧城市和工业自动化等不同场合的要求。

【关键词】    智能网关    通信接口    5G網络    MQTT

引言：

随着物联网技术的发展，无所不在的万物互联通信时代即将来临，实现物与物、物与人之间的互联。物联网技术的高速发展会对世界工业的发展和人类的生活产生深刻的影响，物联网是新一代信息技术的重要组成部分，也是国家战略性新兴产业。

但是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。

一、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。

系统框图如图1所所示。

二、智能网关硬件设计

2.1 STM32F429IGT6单片机

STM32F429IGT6是由意法半导体开发的内核为Cortex M4的32位高性能微控制器，它的Flash有1M，RAM大小为256KB，CPU主频180MHz，芯片内嵌资源丰富。

由于网关系统需要接收不同设备大量的数据，并且对要数据进行协议转换，同时网络系统还需要与云端服务器保持实时通信连接，所以选定了STM32F429IGT6单片机作为主控处理器。

2.2 5G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5G NR / LTE-FDD / LTE-TDD / HSPA +模块，支持R15 5G NSA / 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，TYPE 3052-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。模组的硬件定义如图2所示。

网关系统根据模组的标准AT命令，对模组进行通信控制。

2.3 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。

2.4 硬件接口RS485

RS485是电气设备常用的总线技术。RS485实现的是半双工的通信，抗干扰能力强，传输距离远，是很多电气设备的标准接口。

网关系统设计了隔离型的RS485接口，采用芯片RS485和高速光耦6N135组成。

2.5 硬件接口CAN

CAN总线是一种多主的总线，每个设备节点都可以成为主机，而且设备节点之间也可以相互通信，由于CAN总线的优点突出，很多设备也采用了CAN接口进行数据通信。本网关系统采用了TJA1050设计硬件CAN接口，TJA1050支持 CAN V2.0B技术规范，通信速率达1Mb/s，能满足产品需求。

2.6 硬件射频接口LoRa

LoRa是美国Semtech公司采用和推广的一种基于扩频技术的超远距离无线传输技术，具有传输距离远，低功耗、频段免费和部署方便等优点。智能网关系统使用SX1278设计LoRa接口，SX1278是半双工传输的低中频收发器，远距离、低功耗，可以满足大多数物联网设备接入网关的需求。

2.7 硬件射频接口nRF24L01

nRF24L01一款射频芯片，是工作在2.4GHz的免费频段，主要特点是高速率、低功耗。nRF24L01使用简单，可靠性高，网关系统就是使用了nRF24L01作为2.4G频段的射频接口，能把部分2.4G频段的设备接入到网关系统中。

三、智能网关软件设计

3.1 网关驱动层软件设计

网关系统中存在各种有线的标准硬件接口和无线的射频接口，在软件设计中需要把这些接口按照标准的接口规范编写程序调试，驱动程序设计完后，再整合到网关系统中，涉及的标准接口包括：RS232、RS485和CAN，芯片驱动SX1278、nRF24L01和SIM8200EA模组。

3.2 网关应用层软件的设计

由于智能网关系统实时任务繁重，为了更好地协调各个任务实时地处理数据，本系统使用了嵌入式实时操作系统FreeRTOS，FreeRTOS是一个开源的、小型的实时操作系统，能满足网关系统的功能需求。

由于网关系统设计的接口类型比较多，系统需要实时地把不同设备上传的数据快速地转换成MQTT协议，同时网关系统需要保持与云端服务器长连接，能检测掉线，网络断开后能自动重连，程序流程图如图3所示。

四、结束语

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。