CN107172724B - 一种基于LoRa技术的网关 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于LoRa技术的网关，该网关包括第一LoRa模组、第二LoRa模组、第一处理单元、第二处理单元、电源管理模块和太阳能供电设备。第一处理单元与第二处理单元连接，第一处理单元用于控制第一LoRa模组与其覆盖的传感器的通信以及与第二处理单元进行通信，第二处理单元用于控制第二LoRa模组与其覆盖的传感器通信。由于第一处理单元与第二处理单元是同时对各自的LoRa模组进行控制并通信，这种并行工作的方式相对于单主芯片控制两个LoRa模组的模式，在LoRa数据传输及时性和系统工作可靠性上都有一定程度的提升，而及时性的提升为增加了网关的网络容量。

Description

一种基于LoRa技术的网关

技术领域

本发明实施例涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种基于长距离无线通信(LongRange，LoRa)技术的网关。

背景技术

LoRa技术是一种基于线性扩频调制方式的无线通讯技术，主要用于物联网领域的无线传感器网络。与传统物联网通信技术相比，LoRa技术拥有以下两点优势：1)采用线性扩频调制技术，拥有高达-148dBm的无线接收灵敏度，可解调低于噪声20dB的无线信号，这使得LoRa网关的覆盖范围比采用传统技术的无线局域网网关有不小的优势；2)LoRa采用了7种相互正交的扩频因子，可以做到在同一频率、时间以不同扩频因子传输的数据互不干扰，这种特性大大提升了网关的网络容量，与传统物联网网关相比可带的节点数量有了巨大提升。与此同时，需要处理大规模网络节点数据的LoRa网关也就引入了更为复杂的处理机制，从而对网关硬件平台的处理性能提出了更高的要求，这大幅度提升了LoRa网关的功耗水平，由此导致目前使用LoRa技术的网关都只能采用外接有线供电。LoRa网关必须通过有线供电有着如下显而易见的缺点，网关安装选址不灵活，线缆穿线难度高、安装复杂，线缆易被损坏等，并由此导致了项目施工、成本的增加以及市政破路穿线审批导致的工期耽搁等难题。

发明内容

本发明实施例提供一种基于LoRa技术的网关，用以实现无需有线供电的LoRa网关，解决了LoRa网关选址不灵活、线缆穿线难度高等问题。

本发明实施例提供的一种基于LoRa技术的网关，包括：

第一LoRa模组、第二LoRa模组、第一处理单元、第二处理单元、电源管理模块和太阳能供电设备；

所述第一LoRa模组与所述第一处理单元连接，所述第二LoRa模组与所述第二处理单元连接，所述第一LoRa模组和所述第二LoRa模组分别用于与各自覆盖的传感器进行通信；

所述第一处理单元与所述第二处理单元连接，所述第一处理单元用于控制所述第一LoRa模组与其覆盖的传感器的通信以及与所述第二处理单元进行通信，所述第二处理单元用于控制所述第二LoRa模组与其覆盖的传感器通信；

所述电源管理模块分别与所述第一LoRa模组、所述第二LoRa模组、所述第一处理单元、所述第二处理单元和所述太阳能供电设备连接，所述电源管理模块用于将从所述太阳能供电设备接收的电源进行处理并为所述第一LoRa模组、所述第二LoRa模组、所述第一处理单元和所述第二处理单元供电。

可选的，所述第一LoRa模组为扩频因子为7的LoRa芯片。

可选的，所述第二LoRa模组为扩频因子为10的LoRa芯片。

可选的，所述第一处理单元和第二处理单元为微控制单元MCU。

可选的，所述电源管理模块包括：太阳能电源接口、第一滤波电路、直流转直流转换器和电源输出接口；

所述太阳能电源接口与所述第一滤波电路的输入端口连接，所述第一滤波电路输出端口与所述直流转直流转换器的输入端口连接，所述直流转直流转换器的输出端口与所述电源输出接口连接。

可选的，所述电源管理模块包括：太阳能电源接口、第一滤波电路、充电控制器、控制开关、第二滤波电路、防护电路、电池和电源输出接口；

所述太阳能电源接口与所述第一滤波电路的输入端口连接，所述第一滤波电路输出端口接入所述充电控制器，所述充电控制器经过所述控制开关接入第二滤波电路的输入端口，所述第二滤波电路的输出端口与所述防护电路的输入端口连接，所述防护电路的输出端口与所述电池的输入端口连接，所述电池的输出端口与所述电源输出接口连接。

可选的，所述电源管理模块还包括：温度采集模块、电压采集模块和电流采集模块；

所述温度采集模块接入所述充电控制器，用于向所述充电控制器反馈充电温度；

所述电压采集模块的一端接入所述第二滤波电路的输出端口，另一端接入所述充电控制器，用于向所述充电控制器反馈充电电压；

所述电流采集模块的一端接入所述第二滤波电路的输入端口，另一端接入所述充电控制器，用于向所述充电控制器反馈充电电流。

可选的，所述太阳能供电设备为太阳能电池板。

可选的，所述网关还包括通信模块；

所述通信模块分别与所述第一处理单元和所述电源管理模块连接。

本发明实施例表明，该网关包括第一LoRa模组、第二LoRa模组、第一处理单元、第二处理单元、电源管理模块和太阳能供电设备。第一LoRa模组与第一处理单元连接，第二LoRa模组与第二处理单元连接，第一LoRa模组和第二LoRa模组分别用于与各自覆盖的传感器进行通信。第一处理单元与第二处理单元连接，第一处理单元用于控制第一LoRa模组与其覆盖的传感器的通信以及与第二处理单元进行通信，第二处理单元用于控制第二LoRa模组与其覆盖的传感器通信。电源管理模块分别与第一LoRa模组、第二LoRa模组、第一处理单元、第二处理单元和太阳能供电设备连接，电源管理模块用于将从太阳能供电设备接收的电源进行处理并为第一LoRa模组、第二LoRa模组、第一处理单元和第二处理单元供电。由于第一处理单元与第二处理单元是同时对各自的LoRa模组进行控制并通信，这种并行工作的方式相对于单主芯片控制两个LoRa模组的模式，在LoRa数据传输及时性和系统工作可靠性上都有一定程度的提升，而及时性的提升为增加了网关的网络容量。并且在没有数据需要处理的情况下，第一处理单元与第二处理单元可以进入低功耗模式，更进一步降低功耗。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种基于LoRa技术的网关的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种电源管理模块的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种电源管理模块的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种电源管理模块的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一种电源管理模块的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的一种网关的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

图1示例性的示出了本发明实施例提供的一种基于LoRa技术的网关的结构，如图1所示，该网关可以包括：第一LoRa模组101、第二LoRa模组102、第一处理单元103、第二处理单元104、电源管理模块105和太阳能供电设备106。

其中，第一LoRa模组101与第一处理单元103连接，第二LoRa模组102与第二处理单元104连接，第一LoRa模组101和第二LoRa模组102分别用于与各自覆盖的传感器进行通信。第一处理单元103与第二处理单元104连接，第一处理单元103用于控制第一LoRa模组101与其覆盖的传感器的通信以及与第二处理单元104进行通信，第二处理单元104用于控制第二LoRa模组102与其覆盖的传感器通信。电源管理模块105分别与第一LoRa模组101、第二LoRa模组102、第一处理单元103、第二处理单元104和太阳能供电设备106连接，电源管理模块105用于将从太阳能供电设备106接收的电源进行处理并为第一LoRa模组101、第二LoRa模组102、第一处理单元103和第二处理单元104供电。

在本发明实施例中，该第一LoRa模组101可以使用扩频因子为7的LoRa芯片，其可以覆盖距离网关较近的传感器节点，特点为传输速率快、数据包持续时间短、网络容量更大。第二LoRa模组102可以使用扩频因子为10的LoRa芯片，其可以覆盖距离网关较远的传感器节点，其特点为虽然传输速率比扩频因子为7的LoRa芯片要慢一些，但是传输距离更远，主要用于网关进行更远距离范围的覆盖，同时可以增加系统的网络容量。

上述第一处理单元103和第二处理单元104可以为微控制单元(Micro ControlUnit，MCU)，其中第一处理单元103和第二处理单元104可以采用处理能力和低功耗性能上有着较好的平衡性能的MCU，为网关提供比较低的功耗。该第一处理单元103可以为主控芯片、第二处理单元104可以为辅控芯片，第一处理单元103处理控制自己所属的第一LoRa模组101之外，同时也负责与第二处理单元104的数据、命令的交互，而第二处理单元104只负责控制自己所属的第二LoRa模组102。由于第一处理单元103与第二处理单元104是同时对各自的LoRa模组进行控制并通信，这种并行工作的方式相对于单主芯片控制两个LoRa模组的模式，在LoRa数据传输及时性和系统工作可靠性上都有一定程度的提升，而及时性的提升为增加了网关的网络容量。并且在没有数据需要处理的情况下，第一处理单元103与第二处理单元104可以进入低功耗模式，更进一步降低功耗。

可选的，上述电源管理模块105可以分为下述几种结构来描述：

如图2所示的电源管理模块105的第一种结构，该电源管理模块105可以包括太阳能电源接口1051、第一滤波电路1052、直流转直流转换器1053和电源输出接口1054。该太阳能电源接口1051与第一滤波电路1052的输入端口连接，第一滤波电路1052输出端口与直流转直流转换器1053的输入端口连接，直流转直流转换器1053的输出端口与电源输出接口1054连接。

该太阳能电源接口1051可以与太阳能供电设备106连接，太阳能供电设备106提供的电能经过该太阳能电源接口1051进入到第一滤波电路1052，经过第一滤波电路1052的滤波之后，再经过直流转直流转换器1053的转换，通过电源输出接口1054为网关中的各个模块供电。这种结构下，可以延长电池寿命，且在常电供电的情况下可以不用连接电池充电电路，可以最大限度节省成本。其中，第一滤波电路1052可以采用阻容滤波结构，大电容用于稳定输入电压，小电容串接电阻用以吸收尖峰脉冲干扰。而直流转直流转换器1053的作用是将输入的高直流电压，转化为低直流电压供网关中各模块使用。

如图3所示的电源管理模块105的第二种结构，该电源管理模块105可以包括太阳能电源接口1051、第一滤波电路1052、充电控制器1055、控制开关1056、第二滤波电路1057、防护电路1058、电池1059和电源输出接口1054。

其中，太阳能电源接口1051与第一滤波电路1052的输入端口连接，第一滤波电路1052输出端口接入充电控制器1055，充电控制器1055经过控制开关1056接入第二滤波电路1057的输入端口，第二滤波电路1057的输出端口与防护电路1058的输入端口连接，防护电路1058的输出端口与电池1059的输入端口连接，电池1059的输出端口与电源输出接口1054连接。

该太阳能电源接口1051可以与太阳能供电设备106连接，太阳能供电设备106提供的电能经过该太阳能电源接口1051进入到第一滤波电路1052，经过第一滤波电路1052的滤波之后，进入到充电控制器1055，然后再经过控制开关1056进入到第二滤波电路1057，再经过防护电路1058后存入电池1059中，电池1059中存储的电能通过电源输出接口1054为网关中的各个模块供电。

这种结构下，在太阳能供电能量充足时，给系统备用电压充电，以便在太阳能供电能量不足时，由电池1059为网关中各模块供电。其中，充电控制器1055可以为太阳能充电专用芯片，比如BQ24650，支持5～28V输入，同时支持过电压、过电流以及温度保护功能。其最大充电电流可达8A以上。该芯片支持太阳能电池1059最大功率点跟踪(Maximum PowerPoint Tracking、MPPT)功能，充电效率高。第二滤波电路1057采用电容滤波，选用大电容可以保证在负载瞬时电流较大时引起的电压跌落较小。防护电路1058可以是以瞬态抑制二极管为主，大电容为辅的结构，防止静电以及浪涌对电路的冲击。

可选的，图3所示的电源管理模块105还可以包括温度采集模块10510、电压采集模块10511和电流采集模块10512，具体如图4所示。

其中，温度采集模块10510接入充电控制器1055，用于向充电温度反馈给充电控制器1055。电压采集模块10511的一端接入第二滤波电路1057的输出端口，另一端接入充电控制器1055，用于向充电控制器1055反馈充电电压。电流采集模块10512的一端接入第二滤波电路1057的输入端口，另一端接入充电控制器1055，用于向充电控制器1055反馈充电电流。在本发明实施例中，温度采集模块10510可以采用电阻式温度传感器，配合其它分压电阻，可以准确的采集充电温度，以使充电控制器1055实现对电池1059的最大程度保护。电流采集模块10512和电压采集模块10511也可以采用电阻式传感器，将采集的充电电流和充电电压反馈给充电控制器1055，以实现充电控制器1055对电池1059的过压、过流的保护。

可选的，图5示出了一种电源管理模块105的结构，该电源管理模块105可以包括太阳能电源接口1051、第一滤波电路1052、直流转直流转换器1053、充电控制器1055、控制开关1056、第二滤波电路1057、防护电路1058、电池1059和电源输出接口1054。

其中，该太阳能电源接口1051与第一滤波电路1052的输入端口连接，第一滤波电路1052输出端口与直流转直流转换器1053的输入端口连接，直流转直流转换器1053的输出端口与电源输出接口1054连接，第一滤波电路1052输出端口还可以接入充电控制器1055，充电控制器1055经过控制开关1056接入第二滤波电路1057的输入端口，第二滤波电路1057的输出端口与防护电路1058的输入端口连接，防护电路1058的输出端口与电池1059的输入端口连接，电池1059的输出端口与电源输出接口1054连接。

图5所示的电源管理模块105的电能流通方式有两种，其中一种在太阳能供电能力充足时，可以直接为网关中的各模块供电，多余的电能的可以由电池1059储存起来。图5所示的结构中各部分电路的功能已在上述实施例中描述，在此不再赘述。

可选的，本发明实施例中太阳能供电设备106可以为太阳能电池1059板，其可以将太阳能转化为电能，然后经过电源管理模块105的处理为网关中各模块提供电能。

可选的，上述网关还可以包括通信模块，如图6所示，该通信模块107分别与第一处理单元103和电源管理模块105连接。该通信模块107可以为3G或4G模组，主要用于与外网进行无线通信。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种基于LoRa技术的网关，其特征在于，包括：第一长距离无线通信LoRa模组、第二LoRa模组、第一处理单元、第二处理单元、电源管理模块和太阳能供电设备；

所述第一LoRa模组与所述第一处理单元连接，所述第二LoRa模组与所述第二处理单元连接，所述第一LoRa模组和所述第二LoRa模组分别用于与各自覆盖的传感器进行通信；

所述第一处理单元与所述第二处理单元连接，所述第一处理单元用于控制所述第一LoRa模组与其覆盖的传感器的通信以及所述第一处理单元用于与所述第二处理单元进行通信，所述第二处理单元用于控制所述第二LoRa模组与其覆盖的传感器通信；

所述电源管理模块分别与所述第一LoRa模组、所述第二LoRa模组、所述第一处理单元、所述第二处理单元和所述太阳能供电设备连接，所述电源管理模块用于将从所述太阳能供电设备接收的电源进行处理并为所述第一LoRa模组、所述第二LoRa模组、所述第一处理单元和所述第二处理单元供电。

2.如权利要求1所述的网关，其特征在于，所述第一LoRa模组为扩频因子为7的LoRa芯片。

3.如权利要求1所述的网关，其特征在于，所述第二LoRa模组为扩频因子为10的LoRa芯片。

4.如权利要求1所述的网关，其特征在于，所述第一处理单元和第二处理单元为微控制单元MCU。

5.如权利要求1所述的网关，其特征在于，所述电源管理模块包括：太阳能电源接口、第一滤波电路、直流转直流转换器和电源输出接口；

所述太阳能电源接口与所述第一滤波电路的输入端口连接，所述第一滤波电路输出端口与所述直流转直流转换器的输入端口连接，所述直流转直流转换器的输出端口与所述电源输出接口连接。

6.如权利要求1所述的网关，其特征在于，所述电源管理模块包括：太阳能电源接口、第一滤波电路、充电控制器、控制开关、第二滤波电路、防护电路、电池和电源输出接口；

所述太阳能电源接口与所述第一滤波电路的输入端口连接，所述第一滤波电路输出端口接入所述充电控制器，所述充电控制器经过所述控制开关接入第二滤波电路的输入端口，所述第二滤波电路的输出端口与所述防护电路的输入端口连接，所述防护电路的输出端口与所述电池的输入端口连接，所述电池的输出端口与所述电源输出接口连接。

7.如权利要求6所述的网关，其特征在于，所述电源管理模块还包括：温度采集模块、电压采集模块和电流采集模块；

所述温度采集模块接入所述充电控制器，用于向所述充电控制器反馈充电温度；

所述电压采集模块的一端接入所述第二滤波电路的输出端口，另一端接入所述充电控制器，用于向所述充电控制器反馈充电电压；

所述电流采集模块的一端接入所述第二滤波电路的输入端口，另一端接入所述充电控制器，用于向所述充电控制器反馈充电电流。

8.如权利要求1所述的网关，其特征在于，所述太阳能供电设备为太阳能电池板。

9.如权利要求1至8任一项所述的网关，其特征在于，所述网关还包括通信模块；

所述通信模块分别与所述第一处理单元和所述电源管理模块连接。