CN204667082U - 一种公交车物联网安控终端装置的主板 - Google Patents
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Abstract
一种公交车物联网安控终端装置的主板属于计算机网络领域，包括安控终端FPGA模块、通信模块、网络视频接口、数据传感模块、硬盘存储模块和供电模块。本实用新型提供一种公交车物联网安控终端装置的物联网接入系统，实现多路高清音视频监控信息、报警信息和环境参数的无线4G高速实时传输，同时也能够通过以太网、通用通信接口进行有线传输。通过简单的定制接口和传输应用配置，就能够分别构成满足车辆安控物联网接入的各种设备装置。具有通用性好、构造配置简单的特点，大大降低车辆安控物联网接入硬件设备装置开发生产的难度和成本。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种可实现多种信息采集、处理和传输的公交车物联网安控终端装置的集成设计主板，该主板具有通用模块化接口设计，属于计算机网络领域。
背景技术
随着互联网技术的普及，以及嵌入式技术、传感器技术和无线传输技术的迅速发展，信息网络对人们生活方式的影响越来越大，并深入到各应用领域当中进一步发挥其影响力。这些技术将人们的感知世界进行广阔地延伸，从而将各种逻辑上的信息与真实物理世界融合在一起，满足了人们信息获取的“无所不在”需求，改变着人们与自然的交互方式。
物联网是新一代信息技术的重要组成部分，它通过各种信息传感设备按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理。物联网接入方式是多种多样的，如广域的PSTN、互联网、无线通信网络等。公交车物联网安控终端也需要多种信息数据的接入，包括音视频、报警信息、温度数据和GPS位置数据等等。车辆安控终端设备将多种接入手段整合起来，统一互联到接入网络的车辆安控监控平台系统。它们可满足多种传感器的接入需求，通过无线网络拓展与互联网接入实现车辆智能化监控与管理。
为了响应我国“智能公交”智能公交调度和管理的要求，融合现代计算机、通信、高级传感和测控等物联网技术，新一代采集系统的设计需要满足智能交通的多种信息采集和实时、准确、高效的综合管理的要求。而现有的公交系统数据采集和传输设备及系统，信息采集和传输功能单一、接入模块的可扩展性较差。而现有的数据采集和传输设备及系统，信息采集和传输功能单一、接入模块的可扩展性较差。车载视频监控大都仍是低分辨率的模拟视频，且很少能支持实时远程网络监控。并且多路模拟视频接入通道都需要专门配置接入采集芯片，电路集成度很低，整体功耗高，不利于应用设计和通用配 置设备。车载视频监控也难以对节点的传感采集和传输功能进行扩展，对于新的应用场景更要对节点硬件结构进行重新设计，再开发较复杂且周期长。这不但难于实现多平台无线设备接入，且成本较高，限制了物联网接入技术的推广应用。
因此本实用新型利用FPGA SoC设计提供一种支持多种传感器、高清数字视频实时监控、有线/无线通信传输和互联网接入的通用集成设计，能够进行多种传感器和采集设备的采集数据信息传输和转发，并提供多种物联网接入的传输方式。能够广泛应用于各种车辆物联网安控的数据采集和传输设备，提高安控应用服务质量和降低物联网组网成本。
实用新型内容：
针对物联网技术的迅速发展，为了扩展现有技术的应用领域，解决上述存在的问题，因此需要设计一种多种信息数据采集、功能可重构扩展、能够适用于多种场景的物联网接入硬件系统。从而保证公交车物联网安控系统接入的设计灵活性较强，进而减少物联网接入技术推广时的设计复杂度。
本实用新型提供一种支持多种传感器、无线传输和网络传输的公交车物联网安控终端的主板，最终实现：通过添加与扩展模块接口匹配的传感器接口和控制IP核，完成对多种数据传感数据的采集；以及设置信息数据的应用传输模式，从而适用于多种车辆安控终端物联网设备设计需求；同时支持多路高清网络视频数据的实时采集、处理和传输。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种公交车物联网安控终端装置的主板，其特征在于：包括安控终端FPGA模块、通信模块、网络视频接口、数据传感模块、硬盘存储模块和供电模块。其中：
所述的安控终端FPGA模块为所述公交车物联网安控终端装置主板的控制和处理核心，与通信模块、网络视频接口、数据传感模块、硬盘存储模块相连接；
所述的通信模块，至少包含一无线通信4G模块；
所述的网络视频接口，至少包含一路网络视频数据接口；
所述的数据传感模块，至少包含一GPS模块；
所述的硬盘存储模块，至少包含一硬盘接入接口；
进一步的，所述公交车物联网安控终端装置主板，其特征在于，所述的通信模块包括以太网接入接口。
进一步的，所述公交车物联网安控终端装置主板，其特征在于，网络视频接口采用多路高清网络视频接入电路，包含多路网络视频数据接口。
进一步的，所述公交车物联网安控终端装置主板，其特征在于，所述的数据传感模块包括温度传感器和报警器接口。
进一步的，所述公交车物联网安控终端装置主板，其特征在于，所述的硬盘存储模块包括多块监控专用硬盘接入接口。
进一步的，所述公交车物联网安控终端装置主板，其特征在于，所述的通信模块，采用基于3G、4G或Wi-Fi的无线通信协议和标准mini PCIe通信接口。
进一步的，所述车辆安控终端物联网FPGA模块，其特征在于，所述的传感器接口，采用基于标准I2C、I2S、SPI或UART的传感器通信接口。
所述的公交车物联网安控终端装置主板以FPGA模块为中心，通信模块、网络视频接口、数据传感模块、硬盘存储模块都由FPGA芯片进行设置和控制。
所述的通信模块包含无线通信模块和以太网通信接口。无线通信模块与FPGA模块相连接，用于进行无线通信数据接入；以太网通信接口与以太网PHY芯片相连接，用于进行本地系统数据传输和配置操作。
所述的网络视频接口，通过网络交换机芯片与FPGA模块相连接，用于接入多路网络视频数据流，进行实时高清音视频数据的采集。
所述的数据传感模块，包含GPS模块、温度传感器、报警器接口及扩展传感接口，用于提供位置信息、环境温度等多种传感数据的实时采集；所有数据传感接口采用通信GPIO扩展标准I2C、I2S、SPI等传感器通信协议。
所述的电源模块，是通过主板多路分级供电电路输出多种电平标准的稳压电源，为各个功能模块和芯片电路提供所需运行电平。
本实用新型在以上技术方案中的有益效果为：
1)本实用新型提出了一种应用于公交车物联网安控终端装置的主板。该主板适用于多种公交车物联网应用环境中的接入设备装置，支持无线数据通信和网络数据传输，可以载有或接入多种模拟/数字传感器和采集设备，支持高清网络音视频数据实时监控，具有适用范围广、可扩展性好等优点。
2)兼容多种传感器和采集设备，可以包含温度传感器、湿度传感器多种模拟/数字传感器；可以接入多路网路高清摄像头，通过工业以太网通信接口交互；可以采集各种环境参数和监测数据。上述传感器和采集设备可以适用于工农业生产、环境监测、车辆安控等广泛的应用领域。
3)支持多种数据通信方式，可以通过无线通信网络、以太网有线网络等终端进行通信。能够满足物联网接入系统的多种采集设备需求，支持多种物联网接入方式，降低了物联网接入网络的组网成本。
4)本实用新型的电源采用统一的标准电源接口，支持宽范围供电输入，能够满足各种应用环境的要求。
附图说明：
图1为公交车物联网安控终端装置的主板的硬件结构框图；
具体实施方式：
通过借助附图详细描述本实用新型的实施例，将有助于理解本实用新型的目的和优点，其中：
图1是公交车物联网安控终端装置的主板的硬件结构框图。
主板包含核心FPGA模块接口，还有视频采集通道接入接口、温度传感器接入接口、GPS模块、人工报警按键接入接口以及扩展wifi模块；同时，FPGA主板还有上行传输通道接口，分别是以太网网络接口和3G/4G无线模块。FPGA主板还有系统调试配置电路、电源供电模块电路、HDMI视频输出接口和SATA存储接口。
FPGA模块设计是基于Zynq XC7Z020芯片的FPGA物联网接入信息数据处理的模块电路，它包含FPGA核心芯片，模块配置和数据存储芯片QSPI Flash，模块运行高速缓存器件DDR3芯片组以及系统时钟。FPGA 核心芯片采用Zynq XC7Z020芯片，QSPI Flash选用Micron的N25Q128A13BSF40F芯片(容量16MB)，DDR3芯片则采用四颗Micron的MT41J256M8HX-15E芯片(每颗容量256MB)，为FPGA系统提供1GB的运行缓存。
接口电路是安控终端设备的多种数据信息前端物理连接接入接口，包括4路视频采集通道、音频采集通道，外接人工报警按键的接入端口，以太网网络接入接口。其中音视频数据信息采集通过网络摄像头网络数据接口接入接口，通过网络接口芯片接到主板音视频输入通道上；以太网网络PHY接入通过以太网控制芯片88E1111连接FPGA芯片Enet接口。
FPGA模块
安控终端的FPGA芯片采用Zynq 7 FPGA SoC系统主芯片(xc7z020clg484-1)，它使用ArtixTM-7FPGA可编程逻辑，以实现低功耗、低成本的大批量应用。该芯片集成PS处理器核硬件配置，具有双核ARMCortexTM-A9MPCore。FPGA芯片SoC系统4-6路视频数据和音频数据通过网口IP核接入到系统AXI总线，温度传感器通过定制网口控制IP核接入，GPS信息通过标准UART IP核接入，人工报警信号则通过GPIO按键接入，统一接口wifi模块也是通过标准UART接入。而上行接口以太网传输则是使用PS MIO Enet接口交互，3G/4G无线通过USB接口转接无线模块进行通信。
该模块主要含有FPGA处理器、外部时钟晶振、外扩存储芯片，以及以太网接口芯片。其中，FPGA主芯片为Xilinx的zynq系列XC7Z020芯片，该芯片是模块的处理器核心器件，由它实现物联网汇集嵌入式系统的软硬件控制，实现对传感器数据的采集和控制，实现FPGA嵌入式系统的应用，支撑对外的网络通信和串口通信交互。
存储器件FLASH是模块的程序和数据存储芯片，实现FPGA系统的自启动配置的必需外设，该芯片选用N25Q128A13BSF40F(Micron/Numonyx)，该款芯片是存储容量为16MB的4bit QSPI FLASH，支持x1/x2/x4的操作模式。 模块使用外部缓存DDR3芯片，使用Micron的MT41K256M8DA，为256MB的DDR3缓存器件，使用x16接口，封装FBGA84；该芯片可以支持以400Mhz时钟驱动的800Mb/s的数据操作。模块使用外部时钟源，由一个200Mhz晶振提供；FPGAPS处理器核则单独由一个33.33Mhz晶振提供运行参考时钟。模块接口，使用表贴焊盘接口，共200pin。这些引脚分别是模块电源地、无线3G通信接口、GPS接口、传感器接口、JTAG1下载线、状态指示及系统复位、USB通信、GPIO。模块设计采用八层板PCB设计，单面元件布局，模块尺寸大小为80mmx60mm。
视频传输接口
视频传输接口子卡接口电路采用网络摄像头网口接入方式。系统使用4-6路网络视频数据输入通道。通过网口芯片与FPGA进行交互。
温度传感器接口
主板支持多种传感器接口，通过多路通用GPIO扩展单总线、RS232等接口，支持温度传感器、气体传感器等多种环境信息数据的采集。将采集到的环境信息数据传给FPGA物联网接入模块进行处理，并最终与其他采集数据一起通过3G无线模块或者USB接口最终传给PC应用端进行处理和显示。
GPS模块
GPS模块为Ublox的NEO-6M GPS通信模块，它采用Atmel的无线GPS定位芯片，以及GPS专用接收天线，主板为模块提供电路接入点，为表贴形式。
人工报警按钮接口
系统的人工报警按钮接口使用标准GPIO扩展，硬件连接外部按键button，进行报警信息触发，并通过FPGA模块处理和上行传输。
以太网接口
以太网接口直接由FPGA模块的以太网接口信号连接，同过以太网PHY连接器接入有线以太网网络，进行数据通信交互。
4G模块
4G模块为基于华为的ME3760模块，模块使用标准MiniPCIe接口，该 模块集成4G无线通信和RF天线。主板为模块提供电路接入点，为表贴插件形式。4G模块采用USB2.0通信接口，需要一个USB PHY芯片转换成ULPI接口与FPGA进行通信交互，这里使用USB3320接口芯片。
SATA存储接口
主板硬件系统支持视频数据的实时采集存储，提供一路硬盘存储通信接口，使用SATA接口电路，与扩展FPGA模块GPIO进行连接，将实时采集视频视频数据输入存储到外部挂接的硬盘存储器上。
wifi模块接口
主板同时支持通用wifi的统一接入接口，通过扩展GPIO连接FPGA模块。接收前端基于wifi无线信号的信息采集，也可以将安控终端配置信息发送到前端采集器。
User IO扩展接口
另外主板额外提供64pin可扩展通用GPIO接口，支持用户自定义接口扩展，扩展设计标准接口和自定义设计通信、控制接口。
主板系统配置电路
USB接口主板的调试通信接口，它通过一个USB接口控制芯片CP2103与FPGA模块交互，数据格式是采用UART数据通讯方式；
(1)按键：分为用户按键和内置按键两种。
用户按键包括开关按键(POWER)和复位按键(Rst_Z)外露，供用户使用。
内置按键包括FPGA控键(FPGA_B)，内置不外露。
(2)指示灯电路：分为上电指示灯和状态指示灯两部分。
上电指示灯显示系统是否正常上电，亮：系统正常上电；灭：未上电/电源电路故障。
状态指示灯分为四个：
a)状态指示灯1显示系统的工作状态。
b)状态指示灯2显示视频子卡的工作状态。
c)状态指示灯3显示3G无线网络接口数据发送状态，闪烁：正在进 行数据的发送；灭：太网接口没有进行数据发送或接口电路故障。
(3)JTAG电路：分为JTAG接口1和JTAG接口2，分别为采集器设计人员提供FPGA的程序下载调试接口，内置不外露。
主板电源模块
电源模块即供电电路，为5路直流变电电路，分别为系统提供12v、5v、3.3V、2.5V、1.8v、1.5V、1.2V、1.0，0.75V电源，输入为24V直流，由车载电源提供。
Claims (7)
1.一种公交车物联网安控终端装置的主板，其特征在于：包括安控终端FPGA模块、通信模块、网络视频接口、数据传感模块、硬盘存储模块和供电模块；其中：
所述的安控终端FPGA模块与通信模块、网络视频接口、数据传感模块、硬盘存储模块相连接；
所述的通信模块，至少包含一无线通信4G模块；
所述的网络视频接口，至少包含一路网络视频数据接口；
所述的数据传感模块，至少包含一GPS模块；
所述的硬盘存储模块，至少包含一硬盘接入接口。
2.根据权利要求1所述的主板，其特征在于，所述的通信模块包括以太网接入接口。
3.根据权利要求1所述的主板，其特征在于，网络视频接口采用多路高清网络视频接入电路，包含多路网络视频数据接口。
4.根据权利要求1所述的主板，其特征在于，所述的数据传感模块包括温度传感器和报警器接口。
5.根据权利要求1所述的主板，其特征在于，所述的硬盘存储模块包括多块硬盘接入接口。
6.根据权利要求1所述的主板，其特征在于，所述的通信模块，采用基于3G、4G、Wi-Fi的无线通信接口或标准mini PCIe通信接口。
7.根据权利要求1所述的主板，其特征在于，所述的传感器接口，采用基于标准I2C、I2S、SPI或UART的传感器通信接口。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN113810643A (zh) * | 2021-11-01 | 2021-12-17 | 山东芯慧微电子科技有限公司 | 一种基于FPGA的多路HDMI接口转PCIe的视频处理与采集系统 |
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2015
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