基于Banana Pi BPI-5202 龍芯2K2000的工業控制網關設計

2024-09-04 19:32·BananaPi開源硬件

基于國產龍芯Loongson 2K1000LA 工業控制開發板

Banana Pi BPI-5202作為單純的嵌入式通用控制器軟硬件開發平臺，采用龍芯2K1000LA芯片設計，基本配置中有2個獨立MAC以太網端口、2個RS485端口+1個RS232端口+2個CAN2.0端口，配置靈活，為應用開發者提供功能齊全的硬件解決方案。提供較強算力的邊緣計算支持。開發者可以快速利用開發平臺，進行開發并產品化

全志科技 A40i 方案設計 香蕉派 BPI-6202 工業控制網關 中科龍芯 2K1000LA 方案設計: 香蕉派 BPI-5202 嵌入式工業控制網關計算機 中科龍芯 3A6000 方案設計: 香蕉派 BPI-3A6000 工業級迷你計算機

龍芯CPU架構簡介

龍芯CPU是龍芯中科自主研發的具有完整自主知識產權的CPU產品。

龍芯CPU面向國家信息化建設的需求，面向國際信息技術前沿，以安全可控為主題，以產業發展為主線，以體系建設為目標，堅持自主創新，掌握計算機軟硬件的核心技術，為國家安全戰略需求提供自主、安全、可靠的處理器，為信息產業及工業信息化的創新發展提供高性能、低成本、低功耗的處理器。

龍芯CPU系列產品包括：面向行業應用的專用小CPU、面向工控和終端類應用的中CPU、以及面向桌面與服務器類應用的大CPU。在國家安全、電腦及服務器、工控及物聯網等領域與合作伙伴展開廣泛的市場合作。

龍芯嵌入式CPU（1系列和2系列）主要應用于網絡通信安全產品、指紋密碼產品、工控互聯網、行業應用等領域，與板卡、軟件、整機廠商建立了緊密的合作關系。

國內主要網安企業的國產防火墻、交換機、網閘、路由器、各類數據通訊終端等產品，均使用龍芯CPU研發；在工控互聯網領域，PLC、DTU、FSU、集中器、網絡開票機、交通燈、門禁門鎖、工控集終端等，正在快速增長。在SOC設計領域：行業SOC、數字電視、機頂盒、電力SOC等。

龍芯2K1000LA CPU簡介

龍芯2K1000LA處理器是面向網絡安全、移動智能終端、高性能邊緣計算場景應用需求的雙核處理器芯片。龍芯2K1000 處理器集成兩個GS264 處理器核，芯片外圍接口包括兩路x4 PCIE2.0、一路SATA2.0、4 路USB2.0、兩路DVO、64 位DDR2/3，及其它各種小接口。該芯片可以滿足中低端網絡安全領域應用需求，并為其擴展應用提供相應的接口。

龍芯2K1000LA處理器，是全新的LoongArch架構處理器，與2K1000實現了PIN2PIN兼容。對比2K1000，2k1000LA性能提升20%，功耗降低20%，更重要的是，LoongArch架構徹底擺脫了MIPS架構，是目前我國唯一具有完整自主知識產權的自主指令集的CPU架構產品。

適用對象

需要采用完全國產化自主可控產品，特別是以龍芯嵌入式架構形成信創工業產品

通過既往經驗，認識到以“購買核心板+自研底板”的方式研發產品，效率低、時間長、價格高、調試工作量大

面臨不同應用需求，在不斷研發新品的過程中，不斷重復調試/適配各種驅動、中間件、數據接口時

為滿足不同需求，需要不斷重構軟件模塊，但因缺少軟件開發工具，無法保證軟件成熟度與軟件質量

當出現以“核心板+底板“的方式，在應用中面臨擴展性、可靠性、穩定性、抗干擾性不足的困擾

為盡快實現產品上市，不愿從頭設計，而計劃采用成熟的硬件+工具軟件+應用功能整合的方案

為推出創新性的產品，需要整合不同的軟件功能，或自研、或開源都無法滿足要求時

獨特優勢

單板工控機，融合大量應用場景的需求，完整輸出CPU的IO資源，無需重復設計IO功能擴展，研發更高效

單板工控機，工業級設計，品質更有保證，抗電磁干擾性能更強、繼承性更好，生命周期運行更穩定

單板工控機，通過PCIe、內部高速總線等方式，與更多擴展功能板卡互聯

工控開發組件（可選），提供基于硬件/驅動上的IO通信與控制、協議解析與轉發、擴展數據接口功能

工控應用產品包（可選），通過應用開發工具，快速構建各種工控應用產品，確保可靠性和多樣性

支持ARM架構/全國產化自主可控（龍芯LoongArch）架構和運行環境

龍芯（LoongArch）、飛騰/全志/瑞星微（ARM）等硬件架構下，實現了軟件中間件+應用功能模塊全兼容

能夠滿足板卡元器件100%國產化的需求

能夠滿足軟件中間件/應用功能模塊國產化率（自研率）99%以上要求

硬件

BPI-5202 PCBA 硬件設計

PCBA 硬件接口

PCBA 硬件規格

處理器及OS	龍芯2K1000LAi 雙核1.0GHz,Loongnix、LoongOS、LxAMP、麒麟V10
內存	4G DDR3，可配大容量SSD硬盤
基本通信功能	以太網口：2 x 1000M自適應，獨立MAC,?2 x RSRS485+1 x RS232+ 2 x CAN 2.0，帶隔離,?4G全網通
擴展功能模塊	5個擴展槽位，以下模塊任意組合,?7 x RS485：帶隔離（最多支持1個板卡擴展）;?16 x DI：無源輸入型，模塊提供24V隔離電源;?16 x DO：光耦繼電器輸出型，最大負載60V/500MA;?8 x DI + 8 DO：繼電器輸出型，NC、COM、NO節點;?8 x AI + 4 xAO：0-5V/4- 20mA;?其它定制模塊
HMI接口	HDMI
USB	USB支持鍵盤、鼠標；或電阻/電容顯示屏接口
電源	DC24V電源輸入,?24V隔離輸出，IO板使用，500mA

硬件擴展

為滿足現場復雜的電氣量接入需求，BPI-5202設計了5個可擴展IO槽位，每個IO槽位可根據需要配置為16xDI、16xDO、8xDI+8xDO、8xAI+4AO中的任意一種IO板卡，配合提供靈活多變的配置組合方式，并可以根據用戶和項目的需求，定制各種功能板卡.

BPI-5202擴展口采用2.54mm 間距，2x10P 排針座，用來擴展IO接口。

BPI-5202支持模塊化設計，提供豐富的擴展接口，可以采用基本單元 + 5個擴展單元，支持按需配置。擴展IO單元模塊包括：

7 x RS485模塊，帶隔離

16 x DI模塊（開關輸入模塊），無源輸入（最多支持5個模塊混插）

16 x DO模塊(開關輸出模塊)，繼電器輸出（最多支持5個模塊混插）

8 x DI+8 x DO O模塊(開關輸入/輸出模塊)，繼電器輸出（最多支持5個模塊混插）

8 x AI + 4 x AO 模塊（模擬量輸入輸出模塊），支持0-5V、0-20mA輸入

可根據需求定制Lora、ZigBee、433M無線傳輸模塊、電力線載波模塊、以及其它功能模塊

支持第三方自行定制功能板卡，并與BPI-5202實現通信

所有電路板都通過內部總線(485或SPI)連接在盒子里

Banana Pi BPI-5202 全功能擴展網關設計

基于BPI-5202 的產品介紹

BPI-5202S，是基于龍芯2K1000LA CPU研發的工業級、具有可信計算功能的高性能嵌入式單板工控機，主板板卡具有強大的計算性能，內存/存儲可擴，IO接口豐富；采用CPU+IO底板的整體設計，抗干擾性更強，品質更穩定，生命周期更長，能滿足各種工業現場復雜的應用要求。

BPI-5202S提供了內置的基于PCIe和高速RS485的總線接口，便于連接更多的IO功能板，滿足更加多樣化的、更加專業化的應用需求。

BPI-5202S已經實現了所有元器件的100%國產化。

在強大的硬件架構之上，吉斯凱達公司集成具有完整自主知識產權的眾多軟件功能（可選），通過吉斯凱達公司提供的開發組件和應用產品功能包的選擇，實現（且不限于）如下功能：

協議轉換功能300+工業通用/行業專用協議庫

音視頻處理：音視頻接入傳輸/控制/錄像/聯動功能

邊緣計算：邊緣計算編程功能

網絡安全：工業防火墻功能

PLC：支持IEC61131編程

300+工業通用/行業專用協議庫

視頻接入傳輸/控制/錄像/聯動功能

電氣IO量采集控制功能（AI/AO/DI/DO）

工業控制器：支持各種算法的靈活定義和數據的共享

C/S架構SCADA系統

B/S架構SCADA系統

BPI-5202為導軌式安裝方式，外觀如下圖所示。

硬件型態

為滿足工業產品不同的開發和應用標準與需求，BPI-5202提供了多種硬件形態的產品，均為可以立即使用的，工業級工業控制/IOT產品。

單板、單板整機

BPI-5202，有多種產品形態：

單板方式：單獨的板卡

原廠定制機殼方式：采用社區專門定制的機殼

開發者定制機殼方式：采用開發者自己定制的機殼、機箱

多板整機的各種組合模式

為滿足現場不同的應用需求，BPI-5202 能夠以主控板為基礎，擴展各種IO板卡，組合成各種的多板整機形態（需在交付時指明），包括但不限于以下形態：

BPI-5202：1-2聯典型應用模式

BPI-5202：3聯典型應用模式

BPI-5202：7聯典型應用模式

BPI-5202系統的層次結構

為適應不同層次的開發能力與開發需求，全系統由硬件核心到軟件外延，分為三個相對獨立、但能緊密耦合的三個功能層：單板工控機、開發組件、應用產品包。

1．核心層：單板工控機

在嵌入式工業級CPU上開發的高性能單板工控機，具有滿足各類工控/物聯網應用需求的資源、算力、IO接口，并具有承載高性能工控組件和工控應用運行的能力。

通過多種高速數據總線接口，能夠擴展更多的功能板卡，滿足各種應用場景的實際需求。

2．組件層：工控開發組件iDevToolkit

iDevToolkit工控開發組件，由協議解析器框架、C/S架構服務框架、B/S架構服務框架、MQTT服務器框架、視頻服務框架、及實時數據庫API、關系數據庫API、時序數據庫API等組件構成。

開發者利用iDevToolkit工控開發組件，以多種編程語言，通過各類數據接口和服務接口，存取、處理數據，實現自己的業務流程，從而在5202的彈性硬件平臺上，自行實現各類工業級的產品。

3．應用層：工控應用產品包iCtrlPkg

iDevPkg工控應用產品包，是基于iDevToolkit開發出的一系列成熟的、功能強大的、可以靈活定制和裁剪的、具有大量案例的工業控制/IOT產品；依照同樣的技術路徑，不同的開發者，借助iDevToolkit，也能開發出更多樣、更優秀、更強大的工業控制/IOT產品。

BPI-5202產品典型應用場景

適用于國產化自主可控需求中涉及多通道/多協議接入、數據處理與整合、監控、SCADA和輕量級PLC的應用場景：

變電站/配電間自動化系統中各類（串口/網口/IO電氣量）數據采集單元、測控裝置、保護設備的接入、協議解析、報警處理、轉換、整合傳輸與控制

機房動力環境監控、泵房監控系統中各類（串口/網口/IO電氣量）自動化控制設備、PLC、變頻器設備的接入、協議解析、報警處理、轉換、整合傳輸與控制

智慧城市、智慧園區、智慧校園系統中各類（串口/網口/電氣量IO）物聯網傳感器設備、控制設備的接入、協議解析、報警處理、轉換、整合傳輸與控制

智能配電房、機房動力環境、泵站、智慧園區、智慧校園、智能制造等現場的視頻前段設備接入 配合后臺API和平臺，為應用開發商和用戶提供不依賴視頻廠家SDK和后臺系統的低成本、易開發的獨立安全的視頻監控整合方案

BPI-5202主要特點

1,工業成品與應用開發平臺, BPI-5202嵌入式通用工業控制器，有三個不同的角色：

作為工業成品：以其所具有的功能（輕量級PLC、協議網關、視頻網關、綜合網關、嵌入式SCADA系統等各種角色），直接應用于工程項目現場

作為二次開發的基礎平臺，為應用開發者提供各類開發工具和協議解析數據庫接口，大大縮短各類行業應用產品的開發周、降低開發難度 作為單純的國產化自主可控的嵌入式通用控制器軟硬件平臺，為應用開發者提供較強算力的邊緣計算支持

2,工業級標準:

工業級低功耗設計，現場長期穩定運行

支持-40℃~+85℃寬溫運行（高溫環境下需選配合適的散熱片/風扇）

執行GB/T17626、GB/T15153、IEC61850-3、EN61000-6-5標準，EMC III級

支持雙機冗余

3,可擴展功能

支持定制外殼的板卡擴展，包括電氣IO模塊（AI / AO /DI /DO模塊）、擴展串口模塊、擴展以太網交換模塊、HPLC通信模塊、CAN通信模塊、Zigbee通信模塊、Lora通信模塊，以及其他行業應用的定制模塊，采用內部高速總線與6202主板通信

4,數據+視頻現場整合

多年積累的300+國際/國家/行業/企業協議庫，即插即連，提高接入效率，解析數據準確

視頻RTSP/RTMP，Onvif/GB28181功能，流媒體服務器功能，H.264/H.265播放功能，數據聯動短視頻聯動報警錄像功能，攝像頭 AI分析事件捕獲/上傳功能（近期發布），數據OSD打碼功能（近期發布）

解決長期以來視頻監控獨立于數據監控、需要視頻廠家前端+后端綁定方案痼疾和痛點

5,輕量級PLC功能

通過IEC61131-3編程語言，可針對網關內所有數據進行PLC方式編程，通過電氣IO模塊，實現輕量級PLC功能

6,多種南向/北向通信方式

支持2個獨立MAC千兆自適應網口

支持2個RS485和1個RS232串口；通過機箱擴展和擴展板，可以多支持7個RS485

支持2路CAN接口；

支持擴展WIFI、4G/5G通信

7,HMI及上位機功能集成

通過HDMI/USB接口連接觸摸屏/大屏-鍵盤-鼠標，應用程序可實現友好的HMI交互

配合內置的全功能SCADA系統（C/S架構和B/S架構），取代現場X86+Windows架構的上位機計算機系統，適合無人值守環境，具有極高的性價比

8,多核架構、資源豐富、算力充裕

龍芯高性能處理器2K1000LA，主頻1.0GHz，4G DDR3

1 x M.2 SATA硬盤接口，可接入SSD硬盤

1 x mini PCIE接口，可接入4G模塊、Wifi模塊或AI算力卡；

內置軟件狗加密芯片

可信平臺模塊，保障設備與通信安全

9,多種二次開發接口

C、表達式、梯形圖、Java、Python、SqLite編程接口

Docker功能

內部邏輯結構

外部連接方式

BPI-5202技術說明

為滿足各關鍵行業項目對國產化自主可控產品的需要，而特別設計的BPI-5202，基本配置中有2個獨立MAC以太網端口、2個RS485端口+1個RS232端口+2個CAN2.0端口，配置靈活，廣泛適用于軍工、電力、石油、廠礦、及物聯網行業的自動化監控場合

為滿足現場復雜的電氣量接入需求，BPI-5202設計了5個可擴展IO槽位，每個IO槽位可根據需要配置為16xDI、16xDO、8xDI+8xDO、8xAI+4AO中的任意一種IO板卡，配合提供靈活多變的配置組合方式，并可以根據用戶和項目的需求，定制各種功能板卡

BPI-5202內置300+規約解釋庫和實時數據庫，可連接國內外各種保護裝置、測控裝置、IEDs等設備，并支持IEC61850。可根據用戶要求定制特殊規約；提供開放的API，方便用戶自行開發規約軟件，規約軟件可獨立下載

BPI-5202支持近百臺設備的接入，數據協議解析、轉換與統一傳輸

BPI-5202具有強大的視頻處理能力，包括RTSP/RTMP視頻推拉流、Onvif/GB28181協議棧等視頻監控傳輸功能，實現對多廠家視頻前端設備（IPC、NVR）的兼容接入，配置大容量硬盤后可取代NVR，實現視頻錄像及回放功能。獨有的基于數據+視頻的聯動功能，提供了業界唯一的數據+視頻完美融合的解決方案

BPI-5202通過HDMI顯示接口和USB鍵盤鼠標（或觸摸屏），支持2048點以下完整的SCADA系統功能

BPI-5202支持三種配置方式：

內置WEB管理，通過瀏覽器查詢／配置設備的工作參數

專用的配置軟件配置設備參數

云端遠程管理，通過云端對參數進行配置和診斷，實現固件和應用程序的升級

BPI-5202使用了先進的數字隔離技術、RS485自動方向控制、RS485零延時傳送技術，在設計上充分考慮了工業現場應用的特殊性，遵循EMI/EMC設計規范，適應各種嚴酷的工業現場和物聯網現場，保障通信以及各種IO信號量的可靠

1)BPI-5202系列嵌入式邊緣計算工控機采用DC24V供電。

BPI-5202產品主要功能

1)內置300+通訊規約庫（詳見協議列表清單），包括：MQTT及其它物聯網協議、BACNET、OPC UA、IEC 60870-5-101/103/104、CDT、SPABUS、標準MODBUS及數十個變種，即插即通；可根據需求快速定制特殊協議，可提供二次開發環境

2)支持西門子/AB/施耐德/三菱等各類PLC連接

3)支持IEC61850 Server/Client功能，實現傳統規約與61850的雙向轉換

4)視頻流獲取、傳輸、分發，云臺控制、本地流媒體服務器功能

)加密傳輸、斷點續傳

6)內置RTC，提供高精度時間參考

7)模塊化設計，基本單元 + 5個擴展單元，支持按需配置。擴展IO單元模塊包括：

7 x RS485模塊，帶隔離

16 x DI模塊（開關輸入模塊），無源輸入（最多支持5個模塊混插）

16 x DO模塊(開關輸出模塊)，繼電器輸出（最多支持5個模塊混插）

8 x DI+8 x DO O模塊(開關輸入/輸出模塊)，繼電器輸出（最多支持5個模塊混插）

8 x AI + 4 x AO 模塊（模擬量輸入輸出模塊），支持0-5V、0-20mA輸入

可根據需求定制Lora、ZigBee、433M無線傳輸模塊、電力線載波模塊、以及其它功能模塊

支持第三方自行定制功能板卡，并與CS5202LS-IC實現通信

8)HDMI/USB接口，配合嵌入式SCADA系統的UI操作

9)本地設備配置管理，云端設備配置管理

10)Telnet、SNMP服務

11)電磁兼容性設計，符合國際相關標準，具有良好的抗干擾能力

12)可進行二次開發，提供完整的協議開發包，可定制各種協議

13)全功能SCADA功能

14)導軌式安裝方式，造型美觀，組屏方便

BPI-5202 主要技術規格

項目	說明
處理器及OS	龍芯2K1000LAi 雙核1.0GHz,Loongnix、LoongOS、LxAMP、麒麟V10
內存	4G DDR3，可配大容量SSD硬盤
基本通信功能 ?	以太網口：2 x 1000M自適應，獨立MAC;?2 x RSRS485+1 x RS232+ 2 x CAN 2.0，帶隔離;?4G全網通
擴展功能模塊	可選
USB	USB支持鍵盤、鼠標；或電阻/電容顯示屏接口
數據處理能力	設備接入能力：?64臺（根據帶寬和采樣周期可調）;模擬量<8192;數字量<8192;控制量<8192;表達式計算定義、報警處理
視頻處理能力	視頻RTSP/RTMP、Onvif、GB28181;視頻錄像、回放;數據觸發片段視頻錄像、上傳;AI攝像頭圖像AI分析事件捕獲、數據OSD打碼;本地流媒體服務;H.264/H.265播放
HMI接口	HDMI
SCADA功能	全功能SCADA系統，處理點數：2048點
開發環境	C/表達式/梯形圖/Java/Python等邊緣計算二次開發環境
加密芯片	無
電源 ?	DC24V電源輸入,?24V隔離輸出，IO板使用，500mA

環境規格

項目	說明
工作溫度	-40~+60℃
存儲溫度	-40~+75℃
工作濕度（RH）	5%~95%無冷凝
存儲濕度（RH）	5%~95%無冷凝
海拔高度	<5000m
防雷	內置防雷元件，支持戶外使用，符合高等級EMC標準
防護等級	IP40
散熱方式	無風扇自然散熱
電磁兼容	EMC III級，GB/T17626、GB/T15153、IEC61850-3、EN61000-6-5
安規	GB/T7621-2008
認證	CE認證

物理規格

尺寸（寬x深x高）	36mm x105mm x 145mm，導軌式安裝,定制擴展的寬度為30mm x n+6（n≥2，為定制擴展時的寬度）
重量	0.5kg
功耗	典型功耗：5W ,最大功耗：10W

嵌入式工控機

嵌入式工控機的定義與應用場景

工控機（Industrial Personal Computer，簡稱IPC），是上世紀90年代開始出現的、廣泛應用于工業現場監視與控制的加固、增強型微型計算機，工控機常常會在環境比較惡劣的環境下運行，對數據的安全性要求也更高，所以工控機通常會進行加固、防塵、防潮、防腐蝕、防輻射等特別設計 截止到目前，X86+Windows（Wintel）架構，依然是工控機的主流方案，可被定義為傳統工控機。一般而言

在傳統工控機在工控領域的自動化和信息化方面發揮重要作用的同時，其先天弱勢也一直困擾著廠家、集成商和用戶。大家都在尋找更好的方案

近十年來，嵌入式系統發展迅速，以其具有的低功耗、低成本及不斷提升的高性能等特點，已經成為移動設備（手機、PAD）的唯一方案；也成為包括工業控制在內的各行業實現數據采集處理的理想選擇ARM架構的嵌入式系統，具有的靈活高效的軟硬件方案定制特點，目前已經形成完整的產業鏈生態圈，能夠為用戶提供滿足其現實需求、并有一定超前擴展余度的產品，且價格更有競爭優勢的產品；當用戶需求逐漸超出目前產品的能力時，又能夠通過快速的方案設計與迭代，不斷提供滿足用戶要求的新產品，能夠實現“需求——技術——方案——產品——市場——用戶——需求“不斷上升的良性循環

相對于傳統工控機，經特殊設計的基于嵌入式計算機架構的系統，被稱為嵌入式工控機

傳統工控機與嵌入式工控機的主要特點對比如下：

序號	關鍵要素	傳統工控機（Windows+X86）	嵌入式工控機（Linux+LoongArch/ARM）
1	性能	商用級賽揚或商業/工業級酷睿i3~I5	工業級，性能高于賽揚，弱于I3
2	安全性	漏洞多，易受病毒和黑客攻擊	系統穩定、較少升級，安全性高
3	實時性	實時響應能力較差	實時響應能力能夠滿足要求
4	可靠性	高功耗必須強散熱，可靠性低	低功耗無需考慮散熱，可靠性高
5	擴展性	在主板上擴展各類接口復雜	在核心板/開發板上擴展各類接口較為方便
6	工業級	實現真正工業級產品較為困難	實現真正工業級產品較為容易
7	定制化	定制化效率低、成本高	面向應用快速高效訂制與迭代
8	性能	對工業應用而言性能不足或過剩	針對應用，具有最佳性能方案
9	總體價格	較高	針對應用，具有價格優勢
10	運維成本	功耗高、運維成本高	低功耗低成本，綠色環保
11	生命周期	換代頻繁，庫存難以保證	CPU生命周期較長，可保證庫存

嵌入式工控機已經成為傳統工控機的強力競爭對手。在未來，前者形成對后者的壓倒性優勢，毫無懸念

嵌入式工控機的應用場景

工業互聯網及物聯網的迅速發展，既是一場眾多的計算機軟硬件廠家（也包括通訊方案和產品廠家，其本質也是計算機系統，甚至是嵌入式系統的軟硬件廠家）嘗試進入利潤相對較高的行業監控市場的前赴后繼的嘗試；也是一場開啟“民覺民智”，普及專業知識的啟蒙運動。這個已經持續了十數年的大風暴，使普羅大眾對監視和控制的應用需求和想象，擴展到了各行各業的每個角落

“云—管—邊—端”的概念，是以互聯網思維和術語，對監視控制原理做了經典的總結與歸納；但從技術發展歷史看，它遠非全新概念和新技術，實際上是數十年來各行業監控應用所采用的主流模式和架構

云：實現監控中心系統及更多高級應用軟件和算法的計算機系統。這里的“云”，既包括互聯網上的“公有云”，也包括企業局域網上的“私有云”。構建“云”的計算機系統，目前主要為高端X86+Windows/Linux服務器，及其集群

管：為設備兩側提供各種效率、可靠、便捷、高性價比的有線/無線通道。不僅在“云”和”邊“之間有“管”的存在，例如廣域以太網網、4G/5G等；在應用現場的“邊”和“端”之間，也有適合現場應用場景的有線/無線的“管”的存在，比如局域以太網、串口、高速電力線載波（HPLC）、LoRa、ZigBee、WIFI等

邊：用于完成現場計算任務的計算機系統。邊”的主要角色，早期由傳統工控機、或者在要求不那么嚴格時，用一般的臺式機及服務器來承擔；目前開始出現以中高端ARM架構嵌入式系統構建嵌入式工控機的趨勢

端：用于實現對行業應用中對主設備（一次設備）進行監視和控制的裝置（二次設備）、以及物聯網環境中對各類主設備進行監控的設備（二次設備）。“端”的主要角色，早期由低端的嵌入式單片機系統實現；目前以逐漸過渡到以中低端嵌入式系統（主頻1GMHz以下）為主流方案

從以上的分析不難看出，工控機的應用，主要定位在“邊”的層面。作為“邊”的具體應用，嵌入式工控機主要承載以下兩種類型的功能：

自動運行類，如網關、NVR、路由器、防火墻等，通過特別設計的工業級中低檔嵌入式計算機系統實現。部分具有簡單的基于字符/位圖的展示和特殊按鍵的參數配置和狀態顯示功能

交互運行類，完成監控和系統（含HMI人機交互界面）等功能，通過特別設計的工業級中高檔嵌入式計算機系統實現，具有矢量化圖形系統的交互能力

從以上的分析不難看出，工控機的應用，主要定位在“邊”的層面。作為“邊”的具體應用，嵌入式工控機主要承載以下兩種類型的功能：

自動運行類，如網關、NVR、路由器、防火墻等，通過特別設計的工業級中低檔嵌入式計算機系統實現。部分具有簡單的基于字符/位圖的展示和特殊按鍵的參數配置和狀態顯示功能

交互運行類，完成監控和系統（含HMI人機交互界面）等功能，通過特別設計的工業級中高檔嵌入式計算機系統實現，具有矢量化圖形系統的交互能力

嵌入式系統的CPU種類很多:

ARM系列，國外的有：恩智浦（NXP）、高通（QUALCOMM）、德州儀器（TI）、三星（SAMSUNG）；國內的有：飛騰、全志、瑞星微、海思等

龍芯（LoongArch）系列，龍芯家族中的2系列，主要面向“邊“及高級“端”的應用；1系列，主要面向中低級“端”的應用。

BPI-5202 軟件說明

軟件層次說明

在BPI-5202的硬件平臺上，開源社區與吉斯凱達以授權方式（可選）提供部署了面向工業應用的應用開發環境和開發套件，功能全面、結構合理、擴展性強、精簡高效，開發者可以根據不同的應用需求，開發功能各異的最終產品。

硬件板卡資源層

在140mm x 100mm（8層板）單板上，集成了LoongArch 2K1000LA CPU、DDR及各種IO接口電路，實現操作系統級的所有IO驅動。

軟件基本資源層

通過與IO驅動（包括串口RS232/RS485、網口、CAN、4G/5G、WIFI、PCIe等）的交互，實現協議解析（300+協議庫）、MQTT服務、實時數據庫、時序數據庫（歷史數據庫）、關系數據庫（歷史數據庫）、音視頻推拉流/Onvif/GB28181等功能。

應用功能擴展層

通過與協議解析器、實時數據庫、時序數據庫、歷史數據庫的交互，實現各種數據處理應用功能的擴展。

應用服務層

可動態擴展的輕量級C+HTTP應用服務器，無需龐大繁雜不穩定的中間件，實現高效的應用服務。

這個服務機制既可以直接與應用展示層的C/S架構的HMI/SCADA交互；又可以通過發布層的Nginx服務器，為設備配置、B/S HMI交互、外部接口調用，提供服務。

流媒體服務器，直接與軟件基本資源層的推拉流/云臺控制組件交互，并通過發布層的Nginx服務器，為B/S HMI交互、外部接口調用，提供服務。

應用發布層

Nginx服務器，通過反向代理機制，為應用展示層和外部接口，提供各類服務。

應用展示層

通過C/S與B/S的方式，提供HMI人機交互，和外部接口。

2．主要應用功能

a.工控全功能組合：

具有PLC、網關、視頻監控、網絡安全、上位機組態軟件等功能，可分可合，靈動面對不同應用場景。

b.多協議支持：

支持多達300多個工業協議庫的協議轉換機，覆蓋電力、水利水務、石油石化、軌道交通、PLC、CNC、物聯網、機器人控制、視頻監控等行業協議的協議數據解析。

c.統一數據處理

電氣量IO數據（AIAODIDO）、協議數據與視頻流媒體的整合和聯動，網口、串口、有線無線、4G/5G統一處理。

d.統一數據模型：

以實時數據庫為載體的協議數據、協議模型和協議擴展框架，為新協議開發，提供了極大的便利。

e.支持關系數據庫與時序數據庫：

支持數據向關系數據庫（Sqlite、MySQL）和時序數據庫（InfluxDB）的讀寫，全面支持多變的上層數據處理與分析需求。

f.SCADA功能：

內置高性能、多功能的C/S+B/S架構輕量級SCADA系統（嵌入式全功能組態軟件），架構簡單、高效、一體化設計。

g.HMI功能

既可通過HDMI/USB實現觸摸屏人機交互（C/S、B/S），也可通過瀏覽器實現網絡方式的人機交互（B/S）。

h.輕量級WEB服務器

無需配置TOMCAT等厚重的中間件，內嵌輕量級HTTP/MQTT服務，簡捷、高效、安全、可靠。

i.雙機冗余

支持雙網/雙節點主備冗余機制，為高性能、高可靠性需求提供保障

j.多種二次開發套件

提供多種二次開發工具的API和開發環境，包含C/C++、QSA、JAVA、JS、Python下的API接口，實現增值應用的多樣性與便捷性。

BPI-5202典型應用場景

常規網關

網關，是邊緣側其它應用設備的基礎。

BPI-5202具備多種通信接口、并可靈活擴展；具有海量南北向通信協議庫；開發者可通過開放框架定制新協議、配置網關各種參數、并實現與云平臺的對接。

邊緣計算單元

利用BPI-5202豐富的資源和算力，可以在BPI-5202常規網關的基礎上，實現邊緣計算單元的功能。

針對協議解析之后存儲于實時數據庫中的數據，可以進行數據處理、計算、報警、斷點續傳、腳本/表達式運算的各種深度處理；通過實時數據庫接口，實現與關系數據庫/時序數據庫的對接，實現報警、查詢、歷史數據存取等高級功能。在上述基礎上，能夠實現更多的定制化應用開發，從而實現邊緣計算的能力。

通常網關/邊緣計算單元是沒有本地HMI交互、而通過網絡配置和瀏覽/操作的“黑盒”產品；但根據5202的產品特點和差異化競爭優勢考慮，也可以選擇有HDMI/USB的交互方式。

其它特殊需求的通信（如Lora、ZigBee等）、數采功能，可通過定制板卡和定制機殼開口實現。

邊緣側視頻AI分析裝置

近年來，現場視頻AI分析的需求越來越強烈。但視頻AI分析功能，也只是現場各種監控手段的一種，無法獨立存在；另一方面，視頻分析的準確率永遠也無法達到100%，所以必須綜合現場其它的監控手段，綜合判斷、協調處理。

BPI-5202本身缺少AI算力，但具有強大的數據處理能力與設備整合能力，與獨立的視頻AI分析裝置進行整合，能夠形成全新的、更有競爭優勢、更能滿足現場需求的產品。

這個方案，可以選擇采用算力棒/算力卡/AI盒子整合等幾種方式。

算力棒: 通過CS5202LS外置的USB插口，實現與算力棒的物理連接，并實現與BPI-5202中相關軟件模塊的對接。這種方式，實現最為簡單。算力棒的算力一般在0.5~1TOPS之間，只能應用于幾路或者較為常規的視頻AI分析。

算力卡：通過BPI-5202內置的PCIe接口，實現與算力卡的物理連接，并實現與BPI-5202中相關軟件模塊的對接。這種方式，實現稍微復雜，需要另行定制機殼，算力卡的算力一般在2~6TOPS之間，能夠支持多路或者較為復雜的視頻AI分析。

AI盒子整合：通過BPI-5202外置的LAN接口，實現與AI盒子的物理連接，并實現與BPI-5202中相關軟件模塊的對接。這種方式，實現簡單，可以另外定制機殼，也可以將兩個裝置分立部署或者整合于一個更大的機箱中。AI盒子的算力彈性較大，能夠對更多的視頻通道進行處理，或者實現復雜的視頻AI分析功能。

風光儲協調控制器

利用多種通信接口，并具有海量南北向通信協議庫；通過開放框架定制新協議，形成對風光儲哥子系統的數據采集與控制機制，高效、穩定，擴展便捷。對控制器中的數據，能夠進行處理、計算、報警、斷點續傳、腳本/表達式運算、算法應用植入，滿足智能化計算需要。

通過內置的HMI/SCADA功能，通過HDMI/USB實現與觸摸屏的交互。

其它特殊需求的通信（如Lora、ZigBee等）、數采功能，可通過定制板卡和定制機殼開口實現。

嵌入式工控機

有滿足絕大部分工業控制需求的算力，有顯示/輸入交互能力、有大容量硬盤，為開發者提供面向工控需求的應用程序的開發和運行環境。

根據用戶需求，可以擴展更多的網絡、串口、電氣量（AIAODIDO）模塊。

其它特殊需求的通信（如Lora、ZigBee等）、數采功能，可通過定制板卡和定制機殼開口實現。

智能配電房、機房動力環境、泵站、智慧園區、智慧校園、智能制造等現場的邊緣“大腦”，實現與現場數采單元、測控裝置、保護設備、PLC設備、CNC設備、機器人設備的接入、協議解析、報警處理、轉換、整合傳輸與控制

嵌入式SCADA系統（C/S、B/S模式）

100ms級別的軟PLC

工控/物聯網現場小型數據服務器

滿足“智改數轉”要求的企業車間級工業看板/OEE看板、輕量級MES前端數采和展示

基于行業應用的第三方算法、模型的開發與運行平臺

視頻前端設備的接入與推送、視頻錄像與聯動、視頻AI分析接口及分析結果的綜合聯動

現場網絡安全及審計

通用工業控制器

通用控制器運行Linux操作系統，通過iDevToolkit開發套件，能夠實現基于各種功能組件的面向工控需求的應用程序的開發和運行，包括但不限于：

具有通信協議解析功能、電氣量IO（AIAODIDO）連接和數據處理功能、HMI功能、ms級PLC邏輯編程與控制（IEC61131）功能、C/Java/JS/Python/數據庫等多種形式的編程接口。

根據不同需求，可在基本配置和滿配中，定制不同的板卡-機殼。

其它特殊需求的通信（如Lora、ZigBee等）、數采功能，可通過定制板卡和定制機殼開口實現。

現場數據+視頻監控一體化服務器

視頻監控，是現場整體方案的重要部分。但常規的方案中，一直存在視頻監控系統與數據監控系統整合難度高、在廣域網環境下費用高（包括流量費）的短板。 iDevToolkit工控開發組件及iCtrlPackage完美地解決了融合問題，以更低的造價、更高的安全性，實現數據監控與視頻監控的一體化，實現報警的觸發、聯動、水印、記錄、回放等功能；能通過DIDO模塊實現對監控環境的聯動感知和控制，整合視頻AI分析功能，高效實現多維智能監控

其它特殊需求的通信（如Lora、ZigBee等）、數采功能，可通過定制板卡和定制機殼開口實現。

輕量級PLC

面向測控點數在數十點以內、也可通過以太網/CAN/RS485擴展更多測控點的分布式應用場景，實現實時性指標在0.1s級別的常規PLC所具有的IEC61131編程/運行功能；通過靈活多變的通訊端口部署、協議解析（含第三方開發框架）與數據共享能力，實現分布式的實時處理、數據共享與聯動。

其它特殊需求的通信（如Lora、ZigBee等）、數采功能，可通過定制板卡和定制機殼開口實現。

工業機器人控制器

工業機器人控制器，通常采用實時操作系統和Ethercat通信方式，實現對多軸工業機器人的高精度實時控制。

BPI-5202可以部署實時操作系統，實現微秒級的實時響應性能，支持Ethercat主站協議，為開發者提供工業機器人控制器的運行平臺。

作為工業機器人控制器，5202既能夠通過Ethercat主站，與Ethercat子站模式的執行器連接通信‘；也能夠通過附加的其它通訊端口（網口或串口）及IO模塊與控制中心和周邊的設備交互，扮演現場主控單元的角色。

HMI（輕量級組態軟件）

HMI是工業現場常用的集信號處理、協議解析、數據處理、人機圖形交互的計算機設備，BPI-5202可以部署C/S或B/S架構的HMI軟件。

創新型、特殊定制的產品

上述功能的組合產品，或者開發者根據不同現場的需求，自己定義的產品。

應用模式

1．原位替代：

任何現場、任何方案中所采用的自動化設備，都能在iCtrlPackage中找到對應的替代產品，功能更強大、性能更高效、運行更安全，壽命更長久。

2．整合替代：

以創新的思維、緊抓嵌入式系統性能快速提升的機遇，通過持續迭代的專項研發和技術融合，使得以5202單板工控機+ iDevToolkit +iCtrlPkg構成單一設備，替代常規方案中必須由多個常規設備才能構成現場應用系統的理想，成為現實，造價更低廉、架構更簡捷、調試更方便、運維更高效。