如何使用FPGA实现4G和PROFIBUS的嵌入式网关网络协议的设计

　　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+MongoDB 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。