PROFIBUS（Process Field Bus，過程現場總線）是一種國際化現場總線標準，具有完善的技術體系、可靠的數據傳輸和完整的技術標準等特點，成為工業網絡中最流行、最成功的一種總線。在制造業自動化、流程工業自動化、樓宇、交通電力及其他領域得到廣泛應用。

　　4G（the 4th Generation mobile communication technology）作為新一代的移動通信技術，具有通信速度快、網絡頻譜更寬、延遲低的優點，是未來幾年通信技術的佼佼者。“移動網+工業控制網”一直是研究的熱點，而4G 通信技術的發展使工業控制網絡移動互聯成為可能，其在工業領域的應用一直備受矚目。

　　本項研究在對 PROFIBUS-DP 現場總線網絡和4G 移動網絡兩種異構網絡的網絡結構和網絡協議深入研究和分析的基礎上，提出了基于FPGA 嵌入式網關的方法實現兩種異構網絡的無縫連接。PROFIBUS-DP 現場總線通過該網關接入到4G 通信模塊，將現場總線的數據通過4G 通信模塊上傳到云服務器，實現在Android 客戶端上查看、控制PROFIBUS-DP 現場設備，從而達到利用無處不在的4G 移動網對PROFIBUS-DP 現場總線上設備遠程實時監控的目的。同時，在系統安全方面，考慮到PROFIBUS-DP 工控網絡通過嵌入式網關接入移動互聯網的安全性，在FPGA網關內部實現基于AES 128bit 的數據加密算法，從而保證數據傳輸的安全。

　　本項研究以 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嵌入式網關的硬件系統。4G 通信模塊采用華為公司的ME909s-821 LTE 模塊，加上中國移動的4G SIM 卡。軟件系統分為三個部分：在Quartus II 軟件平臺上配合Nios II IDE eclipse 軟件實現協議轉換與數據加密功能；在Android Studio 平臺上開發Android 客戶端，提供查詢、控制現場設備的友好可視化界面；服務器部分采用阿里云端服務器ECS，服務器架構采用Nginx 服務器+基于Django 的Web 應用框架+MongoDB 數據庫，提供響應更快、效率更高、更適用于工業控制網絡的后臺服務支持。

　　本研究對設計的網關進行了模擬驗證與測試，測試結果表明：以FPGA 為控制器的嵌入式網關系統，能夠實現4G 和PROFIBUS-DP 兩種異構網絡的協議轉換和數據安全傳輸；開發的服務器和Android 客戶端能達到通過移動4G 網對PROFIBUS-DP 總線上的設備進行方便快捷、實時遠程監控的目的。該網關具有高靈活性、快速高效和安全性高的優點。