CN108011814B - 一种基于窄带物联网的多协议智能网关及其实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于窄带物联网的多协议智能网关及其实现方法，该智能网关包括低功耗单元和高性能单元；所述低功耗单元包括低功耗控制器、太阳能电池板、用于管理供电方式及电池状态信息的电源管理模块、用于接收来自云端服务器信息的NB‑IOT模块、用于获取本地LPWAN内现场LoRa节点信息的LoRa模块和信号采集调理模块，其中低功耗控制器分别与所述电源管理模块、NB‑IOT模块和LoRa模块双向通信；所述高性能单元包括高性能控制器、用于连接RS485节点的RS485接口模块、用于接计算机串口或者串口液晶屏的人机接口模块、GPS接口模块、数据存储模块和以太网接口模块。该网关采用低功耗单元和高性能单元协同的方式，有效解决了多个应用场景下低功耗与高性能的协调问题。

Description

一种基于窄带物联网的多协议智能网关及其实现方法
技术领域
本发明涉及低功耗广域无线通信领域，尤其涉及一种基于窄带物联网的多协议智能网关及其实现方法，用于物联网系统中低功耗无线网络接入互联网，是与网络互联相关的低成本低功耗广域网接入设备，
背景技术
以物联网为代表的信息通信技术驱动着新一轮科技革命与产业变革，深刻改变着传统产业形态和生活方式。作为物联网产业兴起的重要条件，各种无线技术不断突破，推动更多的传感器设备接入网络，为物联网提供大范围、大规模的连接能力。除运营商广域网GPRS和4G以外，还有局域网的ZigBee、Wi-Fi、Bluetooth，但是这些无线技术不能兼顾长距离和低功耗。在全球范围内低功率广域网(LPWAN)技术克服了复杂环境下通信距离和长期布置时电池供电等多个难题，快速兴起并逐步商用，形成了以LPWAN为核心的网络连接服务体系。
目前备受瞩目的LPWAN技术可分为两类：一类是非授权频段技术，包括LoRa和Sigfox。另一是授权频段技术，以国际电信标准制定组织3GPP推出的NB-IOT为代表。电信运营商利用已有频段资源优势，提供NB-IOT(窄带物联网)面向物联网的连接服务能力，可以保证接入公众移动通信网。而行业用户而言，利用非授权频段LoRa技术构建自身的LoRaWAN提供自用物联网业务，具有网络部署简单灵活、服务成本较低可控等优势。综合分析成本和灵活性，现场LoRa节点通过网关，采用NB-IOT接入公共网络的方式将会长期并存，满足NB-IOT与LoRa的互联互通的多协议智能网关是一种有效的解决方案。
例如公布号CN107249211A公开了一种基于LoRa和NB-IoT的智能网关及运行流程，采用了NB-IOT、LoRa、GPS和蓝牙多种技术。例如公布号CN107027162A公开了一种LoRa智能网关及其使用方法、物联网系统，采用多模通信模组，兼容新旧物联网系统的通讯模式。这两种公开技术都采用了NB-IOT与LoRa互联的方式设计网关。但是已有的物联网网关都采用了单一控制器的方式，如果单独采用低功耗控制器不能有效处理复杂的任务需求，如果单独采用高性能处理器不利于电池供电场景。
发明内容
为了解决这些技术问题，本发明提供了一种基于窄带物联网的多协议智能网关及其实现方法。采用低功耗单元和高性能单元协同的方式，能满足以太网络操作、人机接口和总线模块扩展等复杂的任务需求，也能保证系统长期低功耗运行，有效解决了多个应用场景下低功耗与高性能协的调问题。
本发明解决所述技术问题采用的技术方案是：
一种基于窄带物联网的多协议智能网关，其特征在于，该智能网关包括低功耗单元(1)和高性能单元(2)；所述低功耗单元(1)包括低功耗控制器(1-1)、太阳能电池板(1-2)、用于管理供电方式及电池状态信息的电源管理模块(1-3)、用于接收来自云端服务器信息的NB-IOT模块(1-4)、用于获取本地LPWAN内现场LoRa节点信息的LoRa模块(1-5)和信号采集调理模块(1-6)，其中低功耗控制器(1-1)分别与所述电源管理模块(1-3)、NB-IOT模块(1-4)和LoRa模块(1-5)双向通信，同时低功耗控制器的输入端连接信号采集调理模块(1-6)的输出端，电源管理模块(1-3)的输入端与太阳能电池板(1-2)相连；所述电源管理模块提供太阳能供电、蓄电池组和直流供电三种方式；
所述高性能单元(2)包括高性能控制器(2-1)、用于连接RS485节点的RS485接口模块(2-2)、用于接计算机串口或者串口液晶屏的人机接口模块(2-3)、GPS接口模块(2-4)、数据存储模块(2-5)和以太网接口模块(2-6)，其中高性能控制器(2-1)分别与RS485接口模块(2-2)、人机接口模块(2-3)、数据存储模块(2-5)和以太网接口模块(2-6)双向通信；同时高性能控制器的输入端连接GPS接口模块(2-4)，所述低功耗控制器(1-1)与高性能控制器(2-1)双向通信；人机接口模块连接人机交互界面。
一种基于窄带物联网的多协议智能网关实现方法，其特征在于，低功耗单元(1)和高性能单元(2)按高低搭配的方式协同工作，默认场景下低功耗单元(1)独自运行，根据多个场景唤醒或休眠高性能单元(2)；
所述低功耗单元(1)控制高性能单元(2)的依据包括供电方式、电池状态信息、云端服务器信息、现场LoRa节点信息和低功耗控制器运行信息。
所述高性能单元(2)被低功耗单元(1)唤醒后执行的操作包括依次与数据存储模块、人机接口模块、以太网接口模块、RS485接口模块、GPS接口模块进行交互。
所述低功耗控制器(1-1)的控制流程是：
步骤1：检查供电方式和电池状态，设定高性能控制器(2-1)工作方式；
步骤2：判断是否是直流供电，若是，则低功耗控制器(1-1)唤醒高性能控制器(2-1)协同工作，设定唤醒标志Flag＝1，转到步骤4；若不是直流供电则转至步骤3；
步骤3：判断电源管理模块(1-3)中蓄电池组状态是否良好，若是，则低功耗控制器(1-1)唤醒高性能控制器(2-1)协助工作，设定唤醒标志位Flag＝1；若蓄电池组状态不好，则低功耗控制器(1-1)设定唤醒标志位Flag＝0，进入步骤4；
步骤4：控制LoRa模块(1-5)轮询现场LoRa节点，解析处理协议报文；
步骤5：处理NB-IOT模块(1-4)接收到的云端服务器指令，根据云端服务器指令上传现场LoRa节点信息和信号采集数据；
步骤6：检测唤醒标志位Flag是否为1，若唤醒标志位Flag为1，则低功耗控制器(1-1)与高性能控制器(2-1)交换缓存数据，执行步骤7；若唤醒标志位Flag不为1，则直接返回到步骤1；
步骤7：低功耗控制器根据GPS数据更新坐标和时间，根据RS485接口数据更新现场设备信息，根据人机交互界面更新配置信息，之后转到步骤1。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明智能网关采用低功耗单元1与高性能单元2协同工作，其中低功耗单元1处理NB-IOT模块和LoRa网络互连操作，高性能单元2处理以太网、RS485、人机和GPS等多个接口模块。通过低功耗控制器与高性能控制器协调工作的方式，默认场景下低功耗控制器单独工作，充分体现LoRa和NB-IOT网络设备功耗低的特点，同时能根据需要唤醒高性能控制器协同工作，满足多种任务需求。
2.本发明智能网关的本地可以通过组建现场LoRa网络，降低使用成本，增大覆盖区域；Modbus报文传输包含在LoRa帧内，便于工业设备控制；通过NB-IOT接入移动电信网络，便于通过云服务远程维护和状态监测。
3.本发明智能网关通过工作状态受控的高性能控制器连接RS485接口模块便于扩展Modbus设备，通过人机接口模块扩展液晶显示屏便于人机交互，通过以太网接口模块连接云端服务器，便于高性能场合应用，低功耗与高性能搭配的方式，同时考虑到多个应用场景需求，能兼顾低功耗与高性能间的均衡，既可满足低功耗场景需求，也可以突发处理复杂性任务。
4.本发明实现方法中高性能单元默认工作在休眠状态，有益于降低系统功耗，延长电池工作时间，同时按需唤醒保证处理复杂需求。
附图说明
图1为本发明智能网关的结构示意图；
图2为本发明的物联网的系统结构图；
图3为本发明实施例1的Modbus报文在LoRa网络透明传输；
图4为本发明实施例1的Modbus报文在LoRa协议转换传输；
图5为本发明的低功耗控制器流程图。
具体实施方式
下面结合附图以及实施例对本发明进行进一步说明，但并不以此作为对本申请保护范围的限定。
本发明基于窄带物联网的多协议智能网关(简称智能网关，参见图1)，包括低功耗单元1和高性能单元2。包括低功耗单元1和高性能单元2；所述低功耗单元1包括低功耗控制器1-1、太阳能电池板1-2、用于管理供电方式及电池状态信息的电源管理模块1-3、用于接收来自云端服务器信息的NB-IOT模块1-4、用于获取本地LPWAN内现场LoRa节点信息的LoRa模块1-5和信号采集调理模块1-6，其中低功耗控制器1-1分别与所述电源管理模块1-3、NB-IOT模块1-4和LoRa模块1-5双向通信，同时低功耗控制器的输入端连接信号采集调理模块1-6的输出端，电源管理模块1-3的输入端与太阳能电池板1-2相连；所述电源管理模块提供太阳能供电、蓄电池组和直流供电三种方式；
所述高性能单元2包括高性能控制器2-1、用于连接RS485节点的RS485接口模块2-2、用于接计算机串口或者串口液晶屏的人机接口模块2-3、GPS接口模块2-4、数据存储模块2-5和以太网接口模块2-6，其中高性能控制器2-1分别与RS485接口模块2-2、人机接口模块2-3、数据存储模块2-5和以太网接口模块2-6双向通信；同时高性能控制器的输入端连接GPS接口模块2-4，所述低功耗控制器1-1与高性能控制器2-1双向通信；人机接口模块连接人机交互界面。
所述电源管理模块1-3包括蓄电池组、光伏控制器、电压调节电路和滤波电路；其中，光伏控制器的输入端分别连接蓄电池组、太阳能电池板和直流电源，光伏控制器的输出端连接电压调节电路经过滤波电路为低功耗控制器1-1供电，同时光伏控制器为低功耗控制器1-1提供供电方式和蓄电池组状态信息。
所述NB-ION模块1-4接收来自云端服务器信息，LoRa模块1-5用于获取本地LPWAN内现场LoRa节点信息，所述低功耗控制器1-1分析云端服务器信息和现场LoRa节点信息，根据分析结果控制NB-IOT模块1-4上传信息到云端服务器，或者控制LoRa模块发送信息到现场LoRa节点。LoRa模块与LoRa节点组成的LoRa网络3支持透传机制和协议转换机制的Modbus协议报文传输，Modbus协议传输简单便于实现，成本低。
所述LoRa模块1-5作为主机负责网络的创建和管理，现场LoRa节点作为从机不进行网络维护，可以随时被LoRa模块1-5休眠或唤醒。单个LoRa模块与多个现场LoRa节点组成星形LoRa网络3，Modbus协议报文的无线传输建立在LoRa通信技术基础之上。采用透明传输机制时，主机和从机传递Modbus报文时，只需要将完整的Modbus协议报文封装在LoRa网络的MAC层的帧负载部分，接收端将帧负载解析后获得Modbus报文；采用协议转换机制时，将Modbus地址与LoRa帧头中的设备DevAddr进行绑定，通过低功耗控制器1-1进行协议报文转换。
所述信号采集调理模块包括电流采集、电压采集和开关量输入电路；所述RS485接口模块2-2连接RS485节点，多个RS485节点及RS485接口模块2-2构成RS485网络4，在RS485网络内采用Modbus协议便于级联方式扩展功能模块。
所述人机接口模块包括RXD、TXD、RTS、CTS、GND和12V等管脚，用于接计算机串口或者串口液晶屏，通过计算机端软件，或通过串口液晶屏，显示出人机交互界面，在人机交互界面上配置参数和查看数据。所述人机交互界面用于显示内容，其包括可视化的网关网络配置界面、网关数据转发过程中的状态显示界面、设备控制界面以及传感数据的数据库存储查询交互界面。
本申请中的多协议指LoRa、NB-IOT、Modbus以及以太网传输的TCP等多种协议，低功耗单元与高性能单元自主智能化按需协同。在低功耗控制器1-1的控制下，低功耗单元1和高性能单元2按高低搭配的方式协同工作。默认场景下低功耗单元1独自运行，根据多个场景唤醒或休眠高性能单元2。低功耗单元1控制高性能单元2的依据包括供电方式、电池状态信息、云端服务器信息、现场LoRa节点信息和低功耗控制器运行信息。高性能单元2被低功耗单元1唤醒后执行的操作包括依次与数据存储模块、人机接口模块、以太网接口模块、RS485接口模块、GPS接口模块进行交互。低功耗控制器1-1控制流程如图5所示，包含以下循环执行步骤：
步骤1：检查供电方式和电池状态，设定高性能控制器2-1工作方式；
步骤2：判断是否是直流供电，若是，则低功耗控制器1-1唤醒高性能控制器2-1协同工作，设定唤醒标志Flag＝1，转到步骤4执行；若不是直流供电则转至步骤3；
步骤3：判断电源管理模块1-3中蓄电池组状态是否良好，若是，则低功耗控制器1-1唤醒高性能控制器2-1协助工作，设定唤醒标志位Flag＝1；如否，则低功耗控制器1-1设定唤醒标志位Flag＝0，进入步骤4；
步骤4：控制LoRa模块1-5轮询现场LoRa节点，解析处理协议报文；
步骤5：处理NB-IOT模块1-4接收到的云端服务器指令，根据云端服务器指令上传现场LoRa节点信息和信号采集数据；
步骤6：检测唤醒标志位Flag是否为1，若是，低功耗控制器1-1与高性能控制器2-1，交换缓存数据，执行步骤7；如否，直接返回到步骤1执行；
步骤7：低功耗控制器根据GPS数据更新坐标和时间，根据RS485接口数据更新现场设备信息，根据人机交互界面更新配置信息，之后转到步骤1执行。
实施例1
在本实施例中，低功耗单元内还设置有按键、LED、EEPROM(带电可擦可编程只读存储器)，低功耗控制器1-1采用STM32L431CCTx微控制器，通过串行接口USART1连接NB-IOT模块，通过串行接口USART2连接LoRa模块，通过串行总线SPI1连接高性能控制器2-1，通过串行总线SPI2连接信号采集调理模块，通过模拟输入管脚IN15和模拟输入管脚IN16监测供电方式和电池状态，通过串行总线I2C2连接的EEPROM，通过中断输入管脚PB2和中断输入管脚PA8连接用于设定低功耗控制器运行模式的按键，通过数字输出管脚PB6和数字输出管脚PB7连接LED进行运行状态指示，通过多功能管脚PB8控制对高性能单元的供电，通过输入管脚PB9监测高性能单元的状态。本实施例中STM32L431CCTx微控制器动态调整主频，默认状态采用低频模式，根据需要主频调整到80MHz，通过串行总线SPI1以40Mbits/s的波特率与高性能控制器2-1交换缓存数据。
所述信号采集调理模块1-6包括精密恒温取样电路、0.2倍衰减电路、模数转换电路和隔离型SPI接口电路。所述精密恒温取样电路支持电压分压和电流取样两个功能，覆盖0～5V、0～10V、-5V～5V、-10V～+10V、4mA～20mA、4mA～24mA和0mA～24mA等多个输入范围，支持多种传感电路。所述0.2倍衰减电路可以保证将最大范围-10V～10V的输入，调整到-2V～+2V，利于模数转换电路取样。所述隔离型SPI接口电路与低功耗控制器相连，能更好的保证数据精度和可靠性。
所述电源管理模块1-3包括蓄电池组、光伏控制电路、电压调节电路、滤波电路和电池状态测量电路，支持太阳能电池板1-2供电、蓄电池组和直流供电三种供电方式，太阳能电池板和直流供电时都可以对蓄电池组进行充电，也可以对低功耗控制器1-1进行供电，同时连接低功耗控制器的模拟输入管脚IN15和模拟输入管脚IN16，为低功耗控制器提供供电方式和电池状态信息。
所述NB-IOT模块采用BC95，NB-IOT模块的数据发送管脚TXD1和数据接收管脚RXD1连接低功耗控制器1-1的串行接口USART1，用于数据收发；NB-IOT模块通过网络指示NETLIGHT和接收振铃RI连接到低功耗控制器串行接口USART1的清除发送管脚CTS1和请求发送管脚RTS1用于指示工作状态。为了降低功耗，NB-IOT模块在活动、浅睡眠和节能模式之前自由切换。活动模式下进行数据收发；浅睡眠模式可以连接网络，通过消息唤醒；节能模式最大耗流为5μA，通过NB-IOT模块内部定时器或者低功耗控制器串行接口USART1唤醒。
所述LoRa模块采用SX1278主芯片扩频传输，LoRa模块的数据发送管脚TXD2和数据接收管脚RXD2连接低功耗控制器1-1的串行接口USART2，用于数据收发，清除发送管脚CTS2和请求发送管脚RTS2用于控制工作模式，发送时钟输出管脚CK2用于指示工作状态。采用高效循环交织纠错编码，最大连续纠错64bit。通过在线修改波特率、收发功率、信道和空中速率，灵活规避干扰频段和调整收发距离节省能量。
所述高性能单元2包括高性能控制器2-1、RS485接口模块2-2、人机接口模块2-3、GPS接口模块2-4、数据存储模块2-5、以太网接口模块2-6，其中高性能单元2分别与所述RS485接口模块2-2、人机接口模块2-3、GPS接口模块2-4、数据存储模块2-5、以太网接口模块2-6相连；所述低功耗控制器1-1与高性能控制器2-1相连。
所述高性能控制器2-1采用STM32F439VITx微控制器，180MHz主频时钟、工业以太网接口和82个多功能IO脚可以胜任视频处理之外的网关需求。通过SDIO口连接大容量SD卡存储历史数据，通过串行总线SPI4扩展DataFlash存储本月内数据，通过串行总线I2C1存储配置参数，通过高性能控制器的串行总线SPI2与低功耗控制器1-1交换缓存数据，通过高性能控制器的串行接口USART1扩展人机接口模块，通过高性能控制器的串行接口USART2扩展RS485接口模块用于级联Modbus设备，通过高性能控制器的串行接口USART3扩展GPS接口模块获取当前坐标和授时。
所述RS485接口模块2-2采用隔离型ADM2483BRW芯片，通过陶瓷放电管、自恢复保险丝、瞬态抑制二极管进行防雷、防浪涌、防静电多种保护，连接RS485节点采用Modbus协议便于级联方式扩展功能模块。
所述人机接口模块接口包括RXD、TXD、RTS、CTS、GND和12V等管脚，用于接计算机串口或者串口液晶屏，可以通过计算机终端软件，也可以通过串口液晶屏，显示人机交互界面，配置参数和查看数据。所述人机交互模块用于显示内容，包括可视化的以太网网络配置界面、LoRa配置界面、NB-IOT配置界面、状态显示界面、设备控制界面以及传感数据的数据库存储查询交互界面。
图2为本实施的多协议智能网关构成的物联网系统结构图。智能网关通过以太网接口模块2-6与云端服务器有线高速连接，或者通过NB-IOT模块1-4与云端服务器无线远程连接，通过人机接口模块2-3连接PC端软件或者串口液晶屏，通过RS485接口模块2-2以级联的方式连接RS485节点组建RS485网络4，通过LoRa模块1-5以星形方式连接现场LoRa节点组建LoRa网络3。NB-IOT模块1-4接收来自云端服务器信息，LoRa模块1-5用于获取本地LPWAN内现场LoRa节点信息，低功耗控制器1-1分析云端服务器信息和现场LoRa节点信息，根据分析结果控制NB-IOT模块1-4上传信息到云端服务器，或者控制LoRa模块发送信息到现场LoRa节点。
所述LoRa网络3以LoRa模块为Gateway，LoRa节点为End-device(终端设备)，组建星形网络，支持Modbus协议。LoRa模块与LoRa节点组成的LPWAN以Modbus协议报文RTU方式传输，支持透传机制和协议转换机制。所述LoRa模块1-5作为主机负责网络的创建和管理，与作为从机的现场LoRa节点不进行网络维护，现场LoRa节点可以随时休眠或唤醒。LoRa网络3支持Modbus透明传输机制和协议转换机制，Modbus协议报文的无线传输建立在LoRa通信技术基础之上。
LoRa模块支持显式和隐式两种数据包格式，实际传输的报文包括命令也有数据，需要采用可变长度数据包格式。显式报头模式是默认的操作模式，在这种模式下，PHY帧头包括以字节数表示的有效负载长度和FEC前向纠错码率，以及可选的16位PHY帧头校验。PHY有效负载的长度在PHY帧头定义，并且有一定的前向纠错FEC功能，通过PHY帧头校验，可以判别所接收到的LoRa帧是否完整，使接收机可以丢弃无效的报头，节省控制器资源。
如图3所示，所述LoRa网络采用透明传输机制时，LoRa模块与现场LoRa节点传递Modbus报文，只需要将完整的Modbus协议报文封装在LoRa帧的PHY负载部分，将Modbus报文的CRC校验部分对应到LoRa帧的负载校验。接收到帧的LoRa模块或现场LoRa节点，将帧负载解析后获得完整的Modbus报文。进一步处理再解析出Modbus报文的地址、功能码、数据和CRC校验位。
如图4所示，所述LoRa网络采用协议转换机制时，低功耗控制器1-1需要保存Modbus地址和LoRa帧中DevAddr映射表，将Modbus地址与LoRa帧头中的设备ID进行绑定，LoRa节点只需要保存LoRa地址，通过低功耗控制器1-1进行协议报文转换。
低功耗控制器收到Modbus网络报文，读取Modbus报文内地址码，在DevAddr映射表内查找对应的ID和LoRa节点地址，将CRC校验对应到LoRa帧负载校验，把Modbus报文的功能码和数据封装到LoRa帧的MAC层帧负载发送出去。低功耗控制器收到LoRa帧，根据DevAddr映射表查询地址码，从MAC负载中的帧负载提取功能码和数据，再结合负载校验，恢复成Modbus报文，根据Modbus报文进行下一步操作。
LoRa网络中的End-device现场LoRa节点支持节能模式Class A、低延迟模式ClassB和无延迟模式Class C，充当Gateway的LoRa模块一直处于工作状态。LoRa网络初始化阶段现场LoRa节点工作在Class C模式，采用协议转换机制，在建立网络获取DevAddr、NwkSKey和AppSKey后切换到Class A模式，采用透传机制。此时，现场LoRa节点定时发起通信Uplink，LoRa模块在设定时间窗口内完成Downlink发送包含Modbus报文的LoRa帧，完成与现场LoRa节点的报文交换。
本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (6)

1.一种基于窄带物联网的多协议智能网关，其特征在于，该智能网关包括低功耗单元(1)和高性能单元(2)；所述低功耗单元(1)包括低功耗控制器(1-1)、太阳能电池板(1-2)、用于管理供电方式及电池状态信息的电源管理模块(1-3)、用于接收来自云端服务器信息的NB-IOT模块(1-4)、用于获取本地LPWAN内现场LoRa节点信息的LoRa模块(1-5)和信号采集调理模块(1-6)，其中低功耗控制器(1-1)分别与所述电源管理模块(1-3)、NB-IOT模块(1-4)和LoRa模块(1-5)双向通信，同时低功耗控制器的输入端连接信号采集调理模块(1-6)的输出端，电源管理模块(1-3)的输入端与太阳能电池板(1-2)相连；所述电源管理模块提供太阳能供电、蓄电池组和直流供电三种方式；
所述高性能单元(2)包括高性能控制器(2-1)、用于连接RS485节点的RS485接口模块(2-2)、用于接计算机串口或者串口液晶屏的人机接口模块(2-3)、GPS接口模块(2-4)、数据存储模块(2-5)和以太网接口模块(2-6)，其中高性能控制器(2-1)分别与RS485接口模块(2-2)、人机接口模块(2-3)、数据存储模块(2-5)和以太网接口模块(2-6)双向通信；同时高性能控制器的输入端连接GPS接口模块(2-4)，所述低功耗控制器(1-1)与高性能控制器(2-1)双向通信；人机接口模块连接人机交互界面；
所述的基于窄带物联网的多协议智能网关的实现方法是：低功耗单元(1)和高性能单元(2)按高低搭配的方式协同工作，默认场景下低功耗单元(1)独自运行，根据多个场景唤醒或休眠高性能单元(2)；
所述低功耗单元(1)控制高性能单元(2)的依据包括供电方式、电池状态信息、云端服务器信息、现场LoRa节点信息和低功耗控制器运行信息；
所述高性能单元(2)被低功耗单元(1)唤醒后执行的操作包括依次与数据存储模块、人机接口模块、以太网接口模块、RS485接口模块、GPS接口模块进行交互；
所述低功耗控制器(1-1)的控制流程是：
步骤1：检查供电方式和电池状态，设定高性能控制器(2-1)工作方式；
步骤2：判断是否是直流供电，若是，则低功耗控制器(1-1)唤醒高性能控制器(2-1)协同工作，设定唤醒标志Flag＝1，转到步骤4；若不是直流供电则转至步骤3；
步骤3：判断电源管理模块(1-3)中蓄电池组状态是否良好，若是，则低功耗控制器(1-1)唤醒高性能控制器(2-1)协助工作，设定唤醒标志位Flag＝1；若蓄电池组状态不好，则低功耗控制器(1-1)设定唤醒标志位Flag＝0，进入步骤4；
步骤4：控制LoRa模块(1-5)轮询现场LoRa节点，解析处理协议报文；
步骤5：处理NB-IOT模块(1-4)接收到的云端服务器指令，根据云端服务器指令上传现场LoRa节点信息和信号采集数据；
步骤6：检测唤醒标志位Flag是否为1，若唤醒标志位Flag为1，则低功耗控制器(1-1)与高性能控制器(2-1)交换缓存数据，执行步骤7；若唤醒标志位Flag不为1，则直接返回到步骤1；
步骤7：低功耗控制器根据GPS数据更新坐标和时间，根据RS485接口数据更新现场设备信息，根据人机交互界面更新配置信息，之后转到步骤1。
2.根据权利要求1所述的基于窄带物联网的多协议智能网关，其特征在于，所述电源管理模块(1-3)包括蓄电池组、光伏控制器、电压调节电路和滤波电路；其中，光伏控制器的输入端分别连接蓄电池组、太阳能电池板和直流电源，光伏控制器的输出端连接电压调节电路经过滤波电路为低功耗控制器(1-1)供电，同时光伏控制器为低功耗控制器(1-1)提供供电方式和蓄电池组状态信息。
3.根据权利要求1所述的基于窄带物联网的多协议智能网关，其特征在于，LoRa模块与LoRa节点组成的LoRa网络支持透传机制和协议转换机制的Modbus协议报文传输；LoRa模块(1-5)作为主机，现场LoRa节点作为从机，采用透明传输机制时，主机和从机传递Modbus报文时，只需要将完整的Modbus协议报文封装在LoRa网络的MAC层的帧负载部分，接收端将帧负载解析后获得Modbus报文；采用协议转换机制时，将Modbus地址与LoRa帧头中的设备DevAddr进行绑定，通过低功耗控制器(1-1)进行协议报文转换。
4.根据权利要求1所述的基于窄带物联网的多协议智能网关，其特征在于，所述人机接口模块包括RXD、TXD、RTS、CTS、GND和12V管脚，所述人机交互界面包括可视化的网关网络配置界面、网关数据转发过程中的状态显示界面、设备控制界面以及传感数据的数据库存储查询交互界面。
5.根据权利要求1所述的基于窄带物联网的多协议智能网关，其特征在于，所述信号采集调理模块包括电流采集、电压采集和开关量输入电路。
6.根据权利要求1所述的基于窄带物联网的多协议智能网关，其特征在于，所述高性能控制器采用STM32F439VITx微控制器，低功耗控制器采用STM32L431CCTx微控制器。
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Families Citing this family (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108494414B (zh) * 2018-05-10 2020-08-04 武汉中电物联科技有限公司 超低功耗多模物联网无线模块
CN108810136B (zh) * 2018-06-08 2021-06-11 东北农业大学 一种基于NB-IoT和LoRa的通信方法及通信设备
CN108551424A (zh) * 2018-06-26 2018-09-18 百斯特（广州）信息技术有限公司 一种基于nb-iot技术的设备状态物联网关
CN108600397B (zh) * 2018-07-03 2023-08-15 东北大学 基于LoRa的无线LED智能疏散指示系统及控制方法
CN109257425A (zh) * 2018-09-25 2019-01-22 江苏斯菲尔电气股份有限公司 新型物联网网关及物联网网关工作方法
CN109495859A (zh) * 2018-10-18 2019-03-19 华东交通大学 一种融合5g物联网技术的杆塔健康监测无线传感网络
CN111371733B (zh) * 2018-12-26 2024-03-12 上海新微技术研发中心有限公司 支持NB-IOT协议与LPMesh协议的系统、装置、方法、设备和介质
CN111371827B (zh) * 2018-12-26 2023-04-18 中兴通讯股份有限公司 数据传输方法、装置及计算机可读存储介质
CN109379242A (zh) * 2018-12-28 2019-02-22 万能 一种LoRa网关设备的配置方法
CN109660631A (zh) * 2019-01-17 2019-04-19 苏州大学 基于模块化接口的窄带物联网节点通信系统及方法
CN111131020A (zh) * 2019-12-13 2020-05-08 北京博大光通物联科技股份有限公司 通信管理方法和系统
CN111010338A (zh) * 2019-12-23 2020-04-14 深圳物控智联科技有限公司 一种物联网网关
CN113098988B (zh) * 2019-12-23 2022-06-24 中国电信股份有限公司 数据传输方法及数据传输系统
CN111147365A (zh) * 2019-12-25 2020-05-12 上海新物科技有限公司 一种模块化物联网网关设备
CN111641583B (zh) 2020-04-07 2021-09-03 北京邮电大学 一种物联网资源接入系统及资源接入方法
CN111556053A (zh) * 2020-04-27 2020-08-18 同济大学 掘进环境下基于OPC UA over TSN的窄带物联数据采集系统
CN111835829B (zh) * 2020-06-15 2023-04-07 北京三快在线科技有限公司 无人设备远程控制系统、方法、可读存储介质及电子设备
CN111615133A (zh) * 2020-06-19 2020-09-01 国动物联网有限公司 一种解决工控设备监控的低功耗传输设备
CN112367249B (zh) * 2020-09-30 2022-12-06 三维通信股份有限公司 LoRa设备的通信方法、LoRaWAN系统、电子装置和存储介质
CN112615651A (zh) * 2020-12-11 2021-04-06 浙江大学 监管流动人口居住场所出入的信息传递系统和方法
CN113075991B (zh) * 2021-04-01 2023-08-29 深圳市研强物联技术有限公司 一种基于双处理器系统中电源和开关机的控制电路及方法
CN113368271A (zh) * 2021-06-09 2021-09-10 山东新华医疗器械股份有限公司 一种基于NB-IoT技术的消毒机器人终端模组及使用方法
CN113965828A (zh) * 2021-10-20 2022-01-21 山西三合企业管理有限公司 一种基于4g通信的智能物联网网关
CN116709237A (zh) * 2023-05-31 2023-09-05 武汉新烽光电股份有限公司 一种基于低功耗的LoRa透传控制系统及控制方法

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2007147974A1 (fr) * 2006-06-21 2007-12-27 ABB FRANCE (Sociéte par actions simplifiée) Dispositif de communication entre modules esclaves d'un reseau de telecommunication
CN101692502A (zh) * 2009-09-25 2010-04-07 深圳市航盛电子股份有限公司 电池管理系统及其方法
CN202535552U (zh) * 2012-04-05 2012-11-14 电子科技大学 一种6LoWPAN网关装置
CN103107927A (zh) * 2011-11-15 2013-05-15 海信集团有限公司 家庭网关、家庭网络系统的信息交互方法及家庭网络系统
CN103391644A (zh) * 2013-08-22 2013-11-13 南京农业大学 用于大田作物生长信息监测的无线传感网网关装置及方法
CN103472251A (zh) * 2013-08-22 2013-12-25 浙江工业大学 一种降低流速剖面仪信号处理单元功耗的方法及装置
CN205029698U (zh) * 2015-10-13 2016-02-10 浙江大学城市学院 一种面向农业物联网的无线传感数据采集装置
WO2016170659A1 (ja) * 2015-04-23 2016-10-27 株式会社 東芝 クライアントシステム、複合クライアントシステムまたはサーバクライアントシステム
CN106506349A (zh) * 2016-11-28 2017-03-15 辽宁宜居尚雅科技有限公司 一种网关
CN207995122U (zh) * 2018-01-12 2018-10-19 河北工业大学 一种基于窄带物联网的多协议智能网关

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2007147974A1 (fr) * 2006-06-21 2007-12-27 ABB FRANCE (Sociéte par actions simplifiée) Dispositif de communication entre modules esclaves d'un reseau de telecommunication
CN101692502A (zh) * 2009-09-25 2010-04-07 深圳市航盛电子股份有限公司 电池管理系统及其方法
CN103107927A (zh) * 2011-11-15 2013-05-15 海信集团有限公司 家庭网关、家庭网络系统的信息交互方法及家庭网络系统
CN202535552U (zh) * 2012-04-05 2012-11-14 电子科技大学 一种6LoWPAN网关装置
CN103391644A (zh) * 2013-08-22 2013-11-13 南京农业大学 用于大田作物生长信息监测的无线传感网网关装置及方法
CN103472251A (zh) * 2013-08-22 2013-12-25 浙江工业大学 一种降低流速剖面仪信号处理单元功耗的方法及装置
WO2016170659A1 (ja) * 2015-04-23 2016-10-27 株式会社 東芝 クライアントシステム、複合クライアントシステムまたはサーバクライアントシステム
CN205029698U (zh) * 2015-10-13 2016-02-10 浙江大学城市学院 一种面向农业物联网的无线传感数据采集装置
CN106506349A (zh) * 2016-11-28 2017-03-15 辽宁宜居尚雅科技有限公司 一种网关
CN207995122U (zh) * 2018-01-12 2018-10-19 河北工业大学 一种基于窄带物联网的多协议智能网关

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