一种基于RK3568+STM32+AD8684的电力可信物联人工智能网关设计方案

关于压敏电阻选型，由于该装置额定工作在４８Ｖ／０．２５Ａ，因此压敏电阻额定工作压需至少大于输入电压１．５倍（即８２Ｖ），瞬时工作电流大于２ｋＡ，推荐使用型号为直插式１４Ｄ８２０Ｋ。作用，１６位逐次逼近ＡＤＣ转换器可选配４通道ＡＤＳ８６８４或者８通道ＡＤＳ８６８８，对上通过ＳＰＩ接口与主控ＲＫ３５６８Ｊ交互，电压检测范围为－１０～１０Ｖ。ＲＫ３５６８Ｊ作为主控制器，

深圳信迈科技DSP+ARM+FPGA

3119人浏览 · 2023-02-07 18:59:04

深圳信迈科技DSP+ARM+FPGA · 2023-02-07 18:59:04 发布

针对电力物联网融合业务场景国产化应用需求，设计了一种可信多功能物联网关装置。方案采用ＲＫ３５６８Ｊ作为核心主控制器，搭载可信安全模块构建可信认证启动，具备串口、以太网、开入／开出、遥测、微功率无线、载波通信、４Ｇ／５Ｇ常用接口，支持ＷｉＦｉ、ＺｉｇＢｅｅ、ＮＢＩｏＴ等无线通信链路扩展。本装置业务接口资源丰富，能够实现多链路传输通道与安全防护，高度融合特性提高了市场竞争力。

０引言

在当前电力物联网建设过程中，具备边缘计算的智能装置承担重要角色，对上与主站交互信息，向下对接传感设备，动态感知现场采集业务，实现协议转发和数据分析、

智能化检测与运维［１－２］。虽然采集网关类装置应用前景明朗，但是目前试点情况主要存在业务接口单一、系统计算资源匮乏、生产成本居高不下等问题，另外对于配用电、动

环监测、视频监控电力业务场景存在非法入侵与篡改风险，所使用的物联网关种类繁多，不利于电力物联网体系统一规划［－５］。

为了解决上述问题，本文提出了一种可信物联网关设计方案。该装置以瑞芯微ＲＫ３５６８Ｊ作为核心主控制器，其丰富的接口资源能够支持无线４Ｇ／５Ｇ、多串口、三遥、以太网、ＨＤＭＩ，强大的多核处理器支持边缘计算要求，自带ＮＰＵ与ＧＰＵ具备轻量级ＡＩ场景拓展，有效承载跨专业的动态业务需求［６－７］。与此同时，可信启动的引入为资

产统一管控、接入身份认证提供了可靠安全的保护，规避了资源浪费。

１可信物联网关方案设计

可信物联网关采用“ＣＰＵ＋标准接口＋扩展接口”模块化硬件设计思路，以行业标准业务接口为基础，支持以太网、ＵＳＢ、串口、ＨＤＭＩ、北斗／ＧＰＳ等应用，通过标准连接器实现通信总线扩展接口，同时结合安全芯片实现可信启动与数据加密应用。

１．１硬件架构

基于电力物联网应用框架，融合物联网关部署于感知层，对上通过标准以太网、无线方式与物管平台对接，对下具备隔离型串口、以太网、无线接口、ＵＳＢ等，同时支持三遥、ＨＰＬＣ、微功率无线业务接口，承载多种协议分析、数据转发等边缘计算功能。本文所设计网关采用瑞芯微ＲＫ３５６８Ｊ作为主控制器，本身集成ＡＩ计算，完全满足电力场景轻量级人工智能业务应用，硬件架构如图１所示。

１．２软件架构

基于瑞芯微ＲＫ３５６８Ｊ平台，可信物联网关搭载瑞盾四级安全操作系统，软件架构如图２所示。该软件服务是一种微服务形式边缘计算框架，对上通过ＭＱＴＴ、ＨＴＴＰ协议与物管平台对接，内部集成模块化ＡＰＰ容器、安全防护功能、智能分析等微服务，对下通过ＲＳ４８５、以太网、无线通信方式获取感知数据。该边缘计算框架以容器形态部署于多种操作系统（即平台无关性），支持动态优化，具有强大兼容性，支持物联ＡＰＰ一次开发移植与重构。

２关键电路设计

２．１输入级电源ＥＭＣ保护设计

为了保证装置安全、可靠地运行，整机需要满足输入电源ＥＭＳ电力四级防护要求，具体电路设计如图３所示。电源模块采用金升阳ＵＲＢ４８１２ＹＭＤ２０ＷＲ３，通过搭建外围防护电路实现电快速瞬变脉冲群、浪涌四级标准。以浪涌四级标准ＩＥＣ／ＥＮ６１０００４为基准，

外围电路首先通过压敏电阻ＲＴ对共模和差模脉冲群进行钳位以降低等效阻抗大小，同时两级共模电感和电解电容吸收瞬态大电流，进一步屏蔽浪涌电压干扰。关于压敏电阻选型，由于该装置额定工作在４８Ｖ／０．２５Ａ，因此压敏电阻额定工作压需至少大于输入电压１．５倍（即８２Ｖ），瞬时工作电流大于２ｋＡ，推荐使用型号为直插式１４Ｄ８２０Ｋ

依据经验值，代入式（２），计算结果理论值约为１３２５μＦ，在实际应用中，考虑压敏电阻对瞬时脉冲大电流具有吸收作用，前级电路电解电容Ｃ１取值范围为３３０～６８０μＦ，耐压１００Ｖ，后级电容Ｃ５可选择３３０μＦ／１００Ｖ规格，ＲＴ１和ＲＴ２可依据浪涌保护等级要求额定电压值，Ｄ１为防反接二极管。

２．２模拟量采集电路设计

电力模拟量主要包括电流量与电压量，一般短距离场景选用电压形式，远距离选用电流形式。基于成本与业务场景需要，本网关设计了一种兼容电压与电流模拟量采集电路，如图４所示，从左向右，二极管Ｄ１为稳压保护功能，电阻Ｒ１为电流取样电阻，Ｒ２和Ｃ１构建ＲＣ低通滤波器，利用运放搭建电压跟随器，具备缓冲、隔离、提高带载能力的作用，１６位逐次逼近ＡＤＣ转换器可选配４通道ＡＤＳ８６８４或者８通道ＡＤＳ８６８８，对上通过ＳＰＩ接口与主控ＲＫ３５６８Ｊ交互，电压检测范围为－１０～１０Ｖ。

对于电流模拟量采集，本网关支持二线式４～２０ｍＡ模式应用场景。图４中Ｒ１为精度±０．１％的金属膜电阻，且温度漂移参数控制在 ±５０ｐｐｍ／℃ 范围，即通过ＩＶ转

换电路。首先基于模拟线性变换电路将４～２０ｍＡ电流信号转换为电压信号，稳压在电阻Ｒ１位置，经ＲＣ滤波电路传输至电压跟随器同相端，这样电流型模拟量采集计算公式为：

Ｒ１选配为２００Ω时，经式（４）计算可得运放输出电压范围是１．６～８Ｖ，为充分发挥ＡＤＣ芯片输入端滤波功能，图４中电阻Ｒ５可配置为０Ω，电容Ｃ２为０．０１μＦ。电流采集方案电路简单、成本可控，对于高性能主控制器ＲＫ３５６８Ｊ来说，完全可以胜任多路电流型模拟量转换运算要求，保证采集精度与效率。

２．３可信启动设计

本网关基于国产化瑞芯微平台应用，可信启动应用功能主要涵盖ＴＰＣＭ模块、逻辑控制单元、主控板ＲＫ３５６８Ｊ。其中，ＴＰＣＭ模块采用苏州国芯ＣＳ３２２架构，实现签名验签、密钥存储、密钥验证，对外通信接口采用标准ＳＰＩ；逻辑控制单元主要实现整机上电、复位时序适配；主控板ＲＫ３５６８Ｊ为可信受控平台，负责整机业务应用。

基于Ｌｉｎｕｘ系统，其可信启动流程如图５所示，具体流程如下：

① 依据安全策略约束，ＴＰＣＭ模块预置相关可信密钥、可信源文件、验证模式；

② 整机上电，逻辑控制单元保证主控ＲＫ３５６８Ｊ处于上电启动复位状态，优先采用ＳＰＩＦＬＡＳＨ启动模式，而ＴＰＣＭ模块读取ＳＰＩＦＬＡＳＨ中ＵＢｏｏｔ进行度量；

③ 待ＵＢｏｏｔ度量无误，逻辑控制单元随即释放复位，同时ＴＰＣＭ模块变更ＳＰＩ为从模式，整机可信启动，继续开展设备树与内核文件校验，最后进行根文件系统验

证（如度量未发现篡改痕迹），以便系统启动后作为加解密应用。

由于本装置采用瑞盾安全操作系统，已通过国密四级安全认证，所占存储空间约６００ＭＢ，装置启动ＳＰＩＦＬＡＳＨ也无法容纳，故存储在大容量的ＥＭＭＣ内，对于

大文件一般采用ＭＤ５加密验证，而在本装置实施此方式需要较长时间，不易应用。对此，本文采用方案为对文件系统验证生成校验码，以“文件系统源文件＋校验码”形式存储在ＥＭＭＣ中，在实际使用中，可先将校验码通过ＴＰＣＭ开展度量以确定文件系统完整性［１１

－１２］。

２．４无线接口设计

本可信网关支持多种无线通信模式，基于串口形式可适配微功率无线ＬｏＲａ、ＧＰＳ／ＢＤＳ、ＰＬＣ，基于ＵＳＢ接口可对接４Ｇ／５Ｇ、ＮＢＩｏＴ、ＷｉＦｉ等，另外根据功耗要求，需要单独一路ＤＣ／ＤＣ为４Ｇ／５Ｇ供电，以保证整机稳定运行。为了增强网关装置在无线通信链路４Ｇ／５Ｇ中的应用，功能上支持实现双卡单待、公转一体应用，硬件设计框

架如图６所示。由于结构尺寸受限，ＳＩＭ卡座仅支持两个，为便于装配，采用ＭｉｃｒｏＳＩＭ型封装，基于两路模拟开关实现４Ｇ／５ＧＳＩＭ卡复用，推荐使用广芯电子的ＢＣＴ４５６７［１３］。

３测试与应用

利用５Ｇ专用测试工具在同一地点开展性能评估测试，由于无线通信链路不够稳定，故采用多次平均测试，记录结果如表１所列。可信物联网关下行速率不高于６８５．６Ｍｂ／ｓ，上行速率平均达到９２．５Ｍｂ／ｓ，能够胜任当前电力５Ｇ业务场景应用。相对于市场已有工业级物联网关，本文所提可信物联网关生产成本约为其５０％，同时平均上行速率、平均下行速率、平均时延大概为其８２％以上，丰富的接口资源强化了产品复用性，使其性价比更高。

文中所提可信网关，正常启动加载至文件系统处需要５ｓ左右，而启用可行验证功能需要１３ｓ左右，这是因为采用ＳＰＩ接口形式而非高速ＰＣＩｅ接口形式与ＴＰＣＭ模块交互，抑制了认证效率。表２为可信启动测试记录情况，若分别对ＴＰＣＭ模块、ＵＢｏｏｔ、Ｋｅｒｎｅｌ、文件系统非常操作，都会导致可信启动异常，使用过程中必须严格管控

度量操作。

４结语

依据电网多类型通信链路并存情况，结合电力物联装置成本与功能要求，本文提出了一种国产化可信物联网关，高性能边缘计算能力与丰富的通信接口使其能够满足电力输变电、配用电业务需求，安全运算使其具备可信认证启动、业务数据加解密功能，另外内置１ＴＯＰＳ的ＡＩ算力与多路视频编解码，可应用于轻量级人工智能场景。可信物联网关位于智慧物联体系架构的“边”，实现一定区域内各类感知数据本地汇聚，并参考规范模型实现采集数据标准化传输，支持区域诊断与智能分析，有效简化电力物联网终端装置部署节点，节约成本。由于当前供应链问题，本文所提可信网关部分国产化元器件在性能与采购成本方面优势不明显，需根据技术迭代与市场供应情况继续向全国产化物联网关演进