一种基于RK3568+STM32+AD8684的电力可信物联人工智能网关设计方案
2024-06-27 15:31:41
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、ＮＢ ＩｏＴ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／ＥＮ６１０００ ４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 ４８ Ｖ／ 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１．６～８ Ｖ，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 Ｕ Ｂｏｏｔ进行度量；
③ 待 Ｕ Ｂｏｏｔ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 ６００ ＭＢ，装 置 启 动 ＳＰＩ ＦＬＡＳＨ 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、ＮＢ ＩｏＴ、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／５Ｇ ＳＩＭ 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９２．５ Ｍｂ／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、Ｕ Ｂｏｏｔ、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
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