PROFIBUS（Process Field Bus，過程現(xiàn)場總線）是一種國際化現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，具有完善的技術(shù)體系、可靠的數(shù)據(jù)傳輸和完整的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等特點(diǎn)，成為工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中最流行、最成功的一種總線。在制造業(yè)自動(dòng)化、流程工業(yè)自動(dòng)化、樓宇、交通電力及其他領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

　　4G（the 4th Generation mobile communication technology）作為新一代的移動(dòng)通信技術(shù)，具有通信速度快、網(wǎng)絡(luò)頻譜更寬、延遲低的優(yōu)點(diǎn)，是未來幾年通信技術(shù)的佼佼者?！耙苿?dòng)網(wǎng)+工業(yè)控制網(wǎng)”一直是研究的熱點(diǎn)，而4G 通信技術(shù)的發(fā)展使工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)互聯(lián)成為可能，其在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用一直備受矚目。

　　本項(xiàng)研究在對 PROFIBUS-DP 現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)和4G 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)兩種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議深入研究和分析的基礎(chǔ)上，提出了基于FPGA 嵌入式網(wǎng)關(guān)的方法實(shí)現(xiàn)兩種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的無縫連接。PROFIBUS-DP 現(xiàn)場總線通過該網(wǎng)關(guān)接入到4G 通信模塊，將現(xiàn)場總線的數(shù)據(jù)通過4G 通信模塊上傳到云服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)在Android 客戶端上查看、控制PROFIBUS-DP 現(xiàn)場設(shè)備，從而達(dá)到利用無處不在的4G 移動(dòng)網(wǎng)對PROFIBUS-DP 現(xiàn)場總線上設(shè)備遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的。同時(shí)，在系統(tǒng)安全方面，考慮到PROFIBUS-DP 工控網(wǎng)絡(luò)通過嵌入式網(wǎng)關(guān)接入移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的安全性，在FPGA網(wǎng)關(guān)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)基于AES 128bit 的數(shù)據(jù)加密算法，從而保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?/p>

　　本項(xiàng)研究以 Altera 公司Cyclone IV 系列FPGA（EP4CE6E22C8）作為核心處理器，加上Nios II 軟核處理器，配合外圍模塊電路組成整個(gè)嵌入式網(wǎng)關(guān)的硬件系統(tǒng)。4G 通信模塊采用華為公司的ME909s-821 LTE 模塊，加上中國移動(dòng)的4G SIM 卡。軟件系統(tǒng)分為三個(gè)部分：在Quartus II 軟件平臺(tái)上配合Nios II IDE eclipse 軟件實(shí)現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)加密功能；在Android Studio 平臺(tái)上開發(fā)Android 客戶端，提供查詢、控制現(xiàn)場設(shè)備的友好可視化界面；服務(wù)器部分采用阿里云端服務(wù)器ECS，服務(wù)器架構(gòu)采用Nginx 服務(wù)器+基于Django 的Web 應(yīng)用框架+MongoDB 數(shù)據(jù)庫，提供響應(yīng)更快、效率更高、更適用于工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的后臺(tái)服務(wù)支持。

　　本研究對設(shè)計(jì)的網(wǎng)關(guān)進(jìn)行了模擬驗(yàn)證與測試，測試結(jié)果表明：以FPGA 為控制器的嵌入式網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)4G 和PROFIBUS-DP 兩種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)安全傳輸；開發(fā)的服務(wù)器和Android 客戶端能達(dá)到通過移動(dòng)4G 網(wǎng)對PROFIBUS-DP 總線上的設(shè)備進(jìn)行方便快捷、實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的。該網(wǎng)關(guān)具有高靈活性、快速高效和安全性高的優(yōu)點(diǎn)。