CN108156672A - 一种基于NB-IoT和LoRa的母线槽温度采集网关 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种能够实现无线自组网的基于NB‑IOT和LoRa的母线槽温度采集网关。其包括LoRa收发天线、LoRa射频模块、主控制器、NB‑IoT射频模块、NB‑IoT收发天线、Contiki系统、调试接口、存储器、指示灯、电源模块。由于LoRa融合了数字扩频、数字信号处理和前向纠错编码技术，抗干扰能力极大增强，即使电磁噪声很大，也能从容应对，利用Contiki系统实现自组网，扩展信号传输的范围，这对温度采集器数据传输的可靠性起到了关键的作用，确保不丢失数据。

Description

一种基于NB-IoT和LoRa的母线槽温度采集网关
技术领域
本发明涉及一种无线通信网关，特别是能够实现无线自组网，基于NB-IoT和LoRa的母线槽温度采集网关。
背景技术
母线槽，是由铜、铝母线柱构成的一种封闭的金属装置，用来为分散系统各个元件分配较大功率。在户内低压的电力输送干线工程项目中已越来越多地代替了电线电缆。
随着我国经济的高速发展，各行各业的用电量与日俱增，动辄上千安的电流传统电缆显得力不从心，此时母线槽登上历史舞台也是水到渠成的事。
由于母线槽的载流能力强，在一些负载功率大的场合，上千A的电流是很常见的，由于母线槽是刚性结构，不能像普通电缆那样卷起来包装运输，为方便运输，母线槽一般是以3m 左右的长度出厂的，在施工的时候需要将这一段段的母线槽拼接起来，而由于其载流比较大，如果拼接的时候，接触不良，就会造成接头发热，严重的话会引起火灾等重大安全事故，于是，对母线槽接头的温度检测就显得极为重要。目前主流的检测手段有：
1.通过手持红外热像仪，定时人工巡检。这是比较传统的方法，这种方法费时费力，一般巡检的周期也比较长，很难第一时间发现问题，而且手持红外热像仪一般也比较昂贵；
2.在母线槽接头的位置安装温度传感器，并通过RS485等总线连接到监控中心，通过专用设备进行检测分析，若出现过温情况，能及时报警。着种方法对温度的采集可以达到实时检测，但是由于其连接到机房，机房需要有人值守，才能对突发的故障进行及时处理，而且在施工方面，由于需要铺设RS485等总线传输温度传感器数据，所以存在布线困难等问题。
3.在母线槽接头的位置安装由温度传感器，ZigBee通信模组等组成的温度检测装置，通过ZigBee网络协议，通过无线的方式发送到附近的网关，再由ZigBee网关通过GPRS或网线将采集到的温度数据传送到云服务器。这种方式虽然避免了施工的布线问题，但是由于ZigBee 工作在2.4G的公共信道上，存在大量的蓝牙，WiFi设备，电磁干扰十分严重，容易导致数据丢失；另外，由于2.4G频段电磁波的方向性比较好，绕射能力很弱，在电井及比较弯曲的通道里面，通信距离很受限，导致每一个网关下面能链接的节点数量比较有限，这样就势必需要增加网关布置的数量，这样就需要配置更多的Sim卡流量套餐费用，不利于后期维护成本的降低。而且，由于通信距离受限，网关布置的位置选择性也受限，在电井或地下室等地方，不可避免的也需要布置网关，但这些地方经常会出现没有GPRS信号的情况，导致虽然温度数据已经送到网关了，但是网关无法发送给服务器，导致数据丢失。
4.网关跟服务器连接用网线的方式，这种方式虽然避免了空间的电磁干扰，传输比较稳定，但是网线传输的距离有限，而且需要单独布线，施工比较麻烦。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于NB-IoT和LoRa的母线槽温度采集网关。其包括LoRa收发天线、LoRa射频模块、主控制器、NB-IoT射频模块、NB-IoT收发天线、 Contiki系统、调试接口、存储器、指示灯、电源模块。
进一步的，LoRa收发天线：实现应用现场433MHz频段信号的收发，用于与温度采集节点通信；LoRa射频模块：实现对接收信号的解调，和对发射信号的调制；主控制器：是Contiki 系统运行的硬件平台，实现对网关的全局控制，包括对收发数据的打包，解包，转发，存储和对运行状态的判断并控制指示灯指示相应状态；NB-IoT射频模块：实现远程通信功能，将网关获取的信号调制成NB-IoT协议格式，并通过NB-IoT收发天线发射出去，传到云服务器； NB-IoT收发天线：实现NB-IoT信号的收发，用于与远程云服务器通信；Contiki系统：该系统实现自组网协议，及其他网络协议；调试接口：包括UART，SWD等，用于对网关进行调试或二次开发用；存储器：用于存储网关运行过程中产生的数据及在线升级；指示灯：用于指示网关运行的状态，如节点接入，数据收发，告警等状态；电源模块：用于给LoRa射频模块、主控制器、NB-IoT射频模块、存储器，指示灯等模块供电。
进一步的，一种基于NB-IoT和LoRa的母线槽温度采集网关，其在应用中，可以通过LoRa 无线技术与分布在母线槽上的温度采集节点通过自组网的方式进行通信，也可以通过NB-IoT 无线技术，跟云服务器通信。
进一步的，LoRa收发天线：可以选用弹簧天线或是鞭状天线，利用该天线来接收应用现场由温度采集节点发送的433MHz频段的信号或将网关接收到的指令发送给温度采集节点；
进一步的，LoRa射频模块：一方面将LoRa收发天线接收到的信号进行解调，并将解调出来的信息通过SPI接口送给主控制器；另一方面，将主控制器通过SPI接口送过来的信息根据LoRa的协议进行调制，并通过LoRa收发天线发送出去；
进一步的，主控制器：主控制器设有Contiki系统，实现以下功能：对LoRa射频模块发送过来的信息进行解析，并根据设定的规则，将数据打包之后通过UART接口发送给NB-IoT 射频模块；对NB-IoT射频模块发送过来的信息进行解析，并根据设定的规则，将数据打包之后通过SPI接口发送给LoRa射频模块；实现与底下温度采集节点的自组网协议，控制网络的组建及维护；实现网关固件的在线升级功能；实现对采集到的温度信息进行判断，控制指示灯，指示网关的运行状态，包括数据收发，网络状态，告警信息；实现网关运行过程中，重要数据的存储，如运行日志。
进一步的，NB-IoT射频模块：实现远程通信功能，一方面将主控制器通过UART接口传送过来的数据调制成NB-IoT协议格式，并通过NB-IoT收发天线发射出去，传到云服务器；另一方面，将云服务器传送过来的信息进行解调，并通过UART接口传送给主控制器。
由此，本申请具备了以下优点和有益效果：
1.使用LoRa无线技术与温度采集节点通信；降低施工复杂度，节省施工成本；解决了传统无线通信方式距离受限问题，减少网关的布置，由于网关一般比节点成本高很多，可以极大的降低施工成本。
2.使用NB-IoT无线技术与云服务器进行通信，改善了无线网络的通信距离，NB-IoT 覆盖广，将提供改进的室内覆盖，在同样的频段下，NB-IoT比现有的网络增益20dB，相当于提升了100倍覆盖区域的能力；NB-IoT的网络连接质量高，有效提高数据传输的可靠性和稳定性；网关安装的位置比较随意，更容易找到移动通信信号好的位置，降低工程安装难度。
3.由于LoRa融合了数字扩频、数字信号处理和前向纠错编码技术，抗干扰能力极大增强，即使电磁噪声很大，也能从容应对，利用Contiki系统实现自组网，扩展信号传输的范围，这对温度采集器数据传输的可靠性起到了关键的作用，确保不丢失数据。
附图说明
图1基于NB-IoT和LoRa的母线槽温度采集网关原理框图
图2基于NB-IoT和LoRa的母线槽温度采集网关在应用中的网络拓扑图
图中编号101-LoRa收发天线、102-LoRa射频模块、103-主控制器、104-NB-IoT 射频模块、105-NB-IoT收发天线、106-Contiki系统、107-调试接口、108-存储器、109- 指示灯、110-电源模块。
具体实施方式
如图1所示，一种基于NB-IoT和LoRa的母线槽温度采集网关由LoRa收发天线101、LoRa 射频模块102、主控制器103、NB-IoT射频模块104、NB-IoT收发天线105、Contiki系统106、调试接口107、存储器108、指示灯109、电源模块110组成。其中主控制器103分别与LoRa射频模块102、NB-IoT射频模块104、Contiki系统106、调试接口107、存储器108双向通信连接。
所述母线槽温度采集网关用于传输母线槽温度传感器检测的温度信号，并在出现超温状态时提醒用户或者管理者。
进一步的，LoRa收发天线：实现应用现场433MHz频段信号的收发，用于与温度采集节点通信；LoRa射频模块：实现对接收信号的解调，和对发射信号的调制；主控制器：是Contiki 系统运行的硬件平台，实现对网关的全局控制，包括对收发数据的打包，解包，转发，存储和对运行状态的判断并控制指示灯指示相应状态；NB-IoT射频模块：实现远程通信功能，将网关获取的信号调制成NB-IoT协议格式，并通过NB-IoT收发天线发射出去，传到云服务器； NB-IoT收发天线：实现NB-IoT信号的收发，用于与远程云服务器通信；Contiki系统：该系统实现自组网协议，及其他网络协议；调试接口：包括UART，SWD等，用于对网关进行调试或二次开发用；存储器：用于存储网关运行过程中产生的数据及在线升级；指示灯：用于指示网关运行的状态，如节点接入，数据收发，告警等状态；电源模块：用于给LoRa射频模块、主控制器、NB-IoT射频模块、存储器，指示灯等模块供电。
进一步的，一种基于NB-IoT和LoRa的母线槽温度采集网关，其在应用中，可以通过LoRa 无线技术与分布在母线槽上的温度采集节点通过自组网的方式进行通信，也可以通过NB-IoT 无线技术，跟云服务器通信。
进一步的，LoRa收发天线：可以选用弹簧天线或是鞭状天线，利用该天线来接收应用现场由温度采集节点发送的433MHz频段的信号或将网关接收到的指令发送给温度采集节点；
进一步的，LoRa射频模块：一方面将LoRa收发天线接收到的信号进行解调，并将解调出来的信息通过SPI接口送给主控制器；另一方面，将主控制器通过SPI接口送过来的信息根据LoRa的协议进行调制，并通过LoRa收发天线发送出去；
进一步的，主控制器：主控制器设有Contiki系统，实现以下功能：对LoRa射频模块发送过来的信息进行解析，并根据设定的规则，将数据打包之后通过UART接口发送给NB-IOT 射频模块；对NB-IoT射频模块发送过来的信息进行解析，并根据设定的规则，将数据打包之后通过SPI接口发送给LoRa射频模块；实现与底下温度采集节点的自组网协议，控制网络的组建及维护；实现网关固件的在线升级功能；实现对采集到的温度信息进行判断，控制指示灯，指示网关的运行状态，包括数据收发，网络状态，告警信息；实现网关运行过程中，重要数据的存储，如运行日志。
进一步的，NB-IoT射频模块：实现远程通信功能，一方面将主控制器通过UART接口传送过来的数据调制成NB-IoT协议格式，并通过NB-IoT收发天线发射出去，传到云服务器；另一方面，将云服务器传送过来的信息进行解调，并通过UART接口传送给主控制器。
由于LoRa融合了数字扩频、数字信号处理和前向纠错编码技术，抗干扰能力极大增强，即使电磁噪声很大，也能从容应对，利用Contiki系统实现自组网，扩展信号传输的范围，这对温度采集器数据传输的可靠性起到了关键的作用，确保不丢失数据。
以上实施例仅用以说明本发明而非限制，尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明进行修改该或者同等替换，而不脱离本发明的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种基于NB-IoT和LoRa的母线槽温度采集网关,其特征在于：包括LoRa收发天线、LoRa射频模块、主控制器、NB-IoT射频模块、NB-IoT收发天线、Contiki系统、调试接口、存储器、指示灯、电源模块。
2.如权利要求1所述的母线槽温度采集网关，其特征在于所述LoRa收发天线匹配433MHz频段信号的收发，所述主控制器内设Contiki系统，对收发数据的打包，解包，转发，存储和对运行状态的判断并控制指示灯指示相应状态；所述NB-IoT射频模块将网关获取的信号调制成NB-IoT协议格式；并通过NB-IoT收发天线发射出去，传到云服务器；所述指示灯用于指示网关运行的状态；所述电源模块为所述LoRa射频模块、所述主控制器、所述NB-IoT射频模块、所述存储器，所述指示灯模块供电。
3.如权利要求1所述的母线槽温度采集网关，其特征在于还包括多个温度检测节点，多个温度检测节点直接或者间接连接至网关。
4.如权利要求3所述的母线槽温度采集网关，其特征在于：各个所述节点同时连接多个其他节点进行信号传输。
5.如权利要求1所述的母线槽温度采集网关，其特征在于：主控制器分别与所述LoRa射频模块、所述Contiki系统、所述调试接口、所述NB-IoT射频模块、所述存储器双向通信连接。
6.如权利要求1所述的母线槽温度采集网关，其特征在于：所述指示灯由LED灯组成，且设置信号显示芯片。
7.如权利要求5所述的母线槽温度采集网关，其特征在于：所述NB-IoT射频模块将主控制器通过UART接口传送过来的数据调制成NB-IoT协议格式，并通过NB-IoT收发天线发射出去，传到云服务器；同时，将云服务器传送过来的信息进行解调，并通过UART接口传送给主控制器。
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