CN108173752B - Lorawan网关及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及物联网技术领域，具体涉及一种LORAWAN网关及其控制方法，本申请提供的LORAWAN网关，包括以第一LORA模块为主的接收部分和以第二LORA模块为主的发送部分，通过与双工器和天线模块相配合，LORAWAN网关可同时进行无线射频数据的收和发，达到全双工的效果，增加了网络容量，实现了LORAWAN更广阔的应用。

Description

LORAWAN网关及其控制方法

技术领域

本发明涉及物联网技术领域，具体涉及一种LORAWAN网关及其控制方法。

背景技术

物联网应用中的无线技术，除通信网的2G/3G/4G外，还有局域网和短距的多种通信技术，比如2.4G频段的WiFi、蓝牙、Zigbee和Sub-Ghz等等。这些短距无线技术，优缺点也都非常明显。而且从无线应用开发和工程运维人员角度来看，一直以来都存在这样一个两难问题：即设计人员在更长的距离和更低的功耗两者之间只能二选一。而采用LoRa技术之后，设计人员现在可做到两者都兼顾，最大程度地实现更长距离的通信与更低的功耗，同时还可节省额外的中继器成本。

LORAWAN网关是LORA网络的核心，是终端节点和服务之间的桥梁，同时也是多信道的收发机。LORAWAN又称LORA基站或者LORA集中器。LORAWAN网关使用不同的扩频因子，不同的扩频因子两两正交因而可以再同一信道中对多条不同扩频因子的信号进行解调。LORAWAN网关与网络服务器间通过标准IP进行连接，终端节点通过单条与一个或多个LORAWAN网关进行通讯，所有的终端节点通信都是双向通信。目前，如何让LORAWAN网关适用于要求功耗低、距离远、大量连接以及定位跟踪等的物联网应用，如智能抄表、智能停车、车辆追踪、宠物跟踪、智慧农业、智慧工业、智慧城市、智慧社区等等应用和领域是目前亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本申请提供一种LORAWAN网关及其控制方法，解决上述存在的问题。

为解决以上技术问题，本发明提供的技术方案是一种LORAWAN网关，包括处理器、第一LORA模块、第二LORA模块、双工器、天线模块、存储模块和远程通信模块，所述处理器分别与第一LORA模块、第二LORA模块、存储模块和远程通信模块连接，所述双工器分别与第一LORA模块、第二LORA模块和天线模块连接。

更优地，LORAWAN网关还包括本地通信模块，所述本地通信模块与所述处理器连接。

更优地，LORAWAN网关还包括定位模块，所述定位模块与所述处理器连接。

更优地，所述远程通信模块包括以太网通信模块和无线通信模块。

更优地，所述本地通信模块包括串口通信模块和蓝牙通信模块。

更优地，所述第一LORA模块包括SX1301芯片和SX1255芯片，所述第二LORA模块包括SX1278芯片。

本发明还提供一种LORAWAN网关控制方法，包括：

通过远程通信模块接收网络服务器下发的下行数据包；

通过处理器解析出下行数据包中的报文；

通过存储模块分别缓存解析出的立即发送报文和带时间戳报文；

通过第二LORA模块、双工器和天线模块发送立即发送报文到终端节点；

通过第一LORA模块、双工器和天线模块发送带时间戳报文到终端节点。

更优的，控制方法还包括：

通过天线模块、双工器和第一LORA模块接收终端节点发送的数据；

通过处理器将数据打包为上行数据包；

通过远程通信模块将上行数据包发送到网络服务器。

更优地，所述带时间戳报文具有发送的最高优先级。

更优地，控制方法还包括：

通过定位模块实时获取位置信息，通过处理器和远程通信模块上报到网络服务器。

本申请与现有技术相比，其有益效果详细说明如下：本申请提供的LORAWAN网关，包括以第一LORA模块为主的接收部分和以第二LORA模块为主的发送部分，通过与双工器和天线模块相配合，LORAWAN网关可同时进行无线射频数据的收和发，达到全双工的效果，增加了网络容量，实现了LORAWAN更广阔的应用。

附图说明

图1为本发明实施例一LORAWAN网关的结构示意图；

图2为本发明实施例二LORAWAN网关的结构示意图；

图3为本发明实施例LORAWAN网关下行数据传输控制流程图；

图4为本发明实施例LORAWAN网关上行数据传输控制流程图。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，本发明实施例一提供一种LORAWAN网关，包括处理器、第一LORA模块、第二LORA模块、双工器、天线模块、存储模块和远程通信模块，处理器分别与第一LORA模块、第二LORA模块、存储模块和远程通信模块连接，双工器分别与第一LORA模块、第二LORA模块和天线模块连接。其中，远程通信模块包括以太网通信模块和无线通信模块。其中，第一LORA模块包括SX1301芯片和SX1255芯片，第二LORA模块包括SX1278芯片。

具体的，无线通信模块可以为4G模块，LORAWAN网关具备4G通信功能，可与以太网通信自动切换：如果只有以太网连接，则通过以太网通信；如果只有4G连接，则通过4G通信；如果同时有以太网和4G连接，则通过以太网通信；如果以太网连接断开，则切换到4G通信。

LORAWAN网关通过太网通信模块连接以太网，实现有线连接。LORAWAN网关通过串口通信模块实现现场调试信息输出，方便问题追踪。LORAWAN网关有两种天线，一种4G天线外置，用以接收4G信号。一种470天线，提高无线的通信能力。

如图2所示，本发明实施例二提供另一种LORAWAN网关，在实施例一的基础上，还包括本地通信模块，本地通信模块与处理器连接；还包括定位模块，定位模块与处理器连接。其中，本地通信模块包括串口通信模块和蓝牙通信模块。

具体的，LORAWAN网关具有命令行调试功能。可通过串口、蓝牙、以太网、4G、LORA等信道进行命令操作。可用的命令操作包括：文件浏览、文件复制、文件删除、文件重命名、文件数据查看、文件查找、新建目录、文件系统格式化、系统复位、系统版本查看、系统升级、系统时间设置、Ymodem文件传输、参数查询、参数设置、网关功能和性能测试等。

具体的，LORARWAN网关具有GPS功能，通过GPS模块实时更新地理位置，并通过网络上报到网络服务器。

此外，LORARWAN网关具有USB功能，可通过U盘复制LORARWAN网关中存储的文件或将U盘中的文件复制到LORARWAN网关中。LORARWAN网关具有RS485接口，可在需要的时候连接扩展设备，进行数据采集和控制。

LORARWAN网关具有蓝牙通信接口，可连接到手机、电脑或其他具有蓝牙功能的设备上，然后可通信蓝牙进行命令行操作。LORARWAN网关具有实时时钟功能，可通过命令行进行时间设置，可自动与GPS进行对时。蓝牙模块提供掌机现场调试接口，方便现场对LORAWAN网关进行配置。SX1301是基于LoRa调制的基带芯片，它的目标是为广域范围的众多无线节点提供健壮的星型基站。SX1278是半双工传输的低中频收发器，接收的射频信号首先经过低噪声放大器(LNA)，LNA输入为单端形式。然后信号转为差分信号以改善二级谐波，之后变到中频(IF)输出同相正交信号(I&Q)，接着有ADC进行数据转换，所有后续信号处理解调均在数字领域进行，数字状态机还控制着自动频率校正(AFC)、接收信号强度指示(RSSI)、以及自动增益控制(AGC)。SX1255是基于LORA调制的前端芯片，采用低功耗数字I和Q射频多PHY收发器模式。

另外，LORAWAN网关还连接有电源，LORAWAN网关接入市电电源，通过AC-DC变换为12V直流电源，供给内部控制电路。

LORAWAN网关采用LORA芯片SX1301，每个LORAWAN网关每天可以处理500万次各节点之间的通信(假设每次发送10Bytes，网络占用率10％)。如果把LORAWAN网关安装在现有移动通信基站的位置，发射功率20dBm(100mW)，那么在建筑密集的城市环境可以覆盖2公里左右，而在密度较低的郊区，覆盖范围可达10公里。LORAWAN网关有很强的抗干扰能力，扩频调制及出色的前向纠错技术，甚至能将数据从噪声中(负信噪比)提取出来，相较传统的FSK或OOK调制技术相比。

LORAWAN网关采用LORA芯片SX1278，在通过软件相关的设置高达157db的链路预算使其通信距离可达15公里(与环境有关)。其接收电流仅10mA，睡眠电流200nA，这大大延迟了电池的使用寿命。

LORAWAN网关采用LORA芯片SX1278、SX1255、SX1301在配合相关的软件设置，使其达到低功耗、深度覆盖、容易部署等优势。因此LORAWAN网关非常适用于要求功耗低、距离远、大量连接以及定位跟踪等的物联网应用，如智能抄表、智能停车、车辆追踪、宠物跟踪、智慧农业、智慧工业、智慧城市、智慧社区等等应用和领域。

LORAWAN网络架构是一个典型的星形拓扑结构，在这个网络架构中，LORA网关是一个透明的中继，连接终端节点和网络服务器。LORAWAN网关采用LORA芯片SX1301和SX1278两个相配合，使用不同的扩频因子，不同的扩频因子两两正交因而理论上可以在同一信道中对多条不同扩频因子的信号进行解调，LORAWAN网关与网络服务器通过标准IP连接，而终端节点采用单跳与一个或多个网关通信，所有的节点均是双向通信。LORA网关和模块间以星形网方式组网，而LORA模块间理论上可以点对点轮询的方式组网，但是点对点轮询效率要远远低于星形网。LORAWAN网关可以实现多通道并行接收，同时处理多路信号，这大大增加了网络容量。

如图3所示，本发明实施例还提供一种LORAWAN网关控制方法，应用在LORAWAN网关下行数据传输，包括：

S11：通过远程通信模块接收网络服务器下发的下行数据包；

S12：通过处理器解析出下行数据包中的报文；

S13：通过存储模块分别缓存解析出的立即发送报文和带时间戳报文；

S14：通过第二LORA模块、双工器和天线模块发送立即发送报文到终端节点；

S15：通过第一LORA模块、双工器和天线模块发送带时间戳报文到终端节点。

其中，带时间戳报文具有发送的最高优先级。

具体地，LORA网关接收信号时，经470天线，通过双工器接收信号后由SX1255处理后传输到SX1301，经过SX1301将信号传输到处理器。

发射信号时，经过处理器后可以分为两条不同的发射路线，其中一条是经过SX1301处理后传输给SX1255，最后SX1255将信号传输到双工器，经双工器发射信号。另外一条是经过SX1278处理后直接传输给双工器，经双工器发射信号。

因为LORAWAN网关针对的终端节点不一样，SX1301针对的A类节点，SX1278针对的是B/C类节点。

A类节点根据自己的需要上传数据包，这可以被1个或多个LORAWAN网关接收；1秒钟后，信号最强的LORAWAN网关按上行相同的频率和速率，下发数据包；如果终端节点在Rxslot1接收成功，它不再打开Rx slot2窗口，否则它将按505.3MHz SF12/125kHz条件打开Rxslot2窗口。

A类节能效果最好，因为仅当发送和2个接收窗口外，其他时间都是休眠。当然，网络服务器仅当该终端节点上行通信后，才能下行通信。其中水表模块、气表模块属于A类节点。

B类的终端节点每128秒接收网关广播的Beacon，用于校准自身的时钟。在2个Beacon之间，终端节点会开启一些接收窗口(ping slot)，如果在窗口期接收到网关的preamble，那么它将接收完整的下发数据包。终端节点根据自身电量和应用的需要，选择ping slot的数量；以达到节能和下发通信的折中。

C类是为充足电能的驱动器设计的，如：智能插座、远程电气控制开关等。除了发送数据包和Rx slot 1外，它都在Rx slot2期间接收，这可以保证Server随时下行通信。其中电表模块属于C类模块。

双工器作用是将发射和接收信号相隔离，保证接收和发射都能同时正常工作。

如图4所示，本发明实施例还提供一种LORAWAN网关控制方法，应用在LORAWAN网关上行数据传输，包括：

S21：通过天线模块、双工器和第一LORA模块接收终端节点发送的数据；

S22：通过处理器将数据打包为上行数据包；

S23：通过远程通信模块将上行数据包发送到网络服务器。

其中，还包括：通过定位模块实时获取位置信息，通过处理器和远程通信模块上报到网络服务器。

具体的，LORAWAN网关具有物联网数据转发功能。通过SX1301接收8个LORA信道收到的数据，将之打包为JSON对象后发送到网络服务器，同时也接收网络服务器发出的下行JSON数据包，解析出数据，如果数据包是立即发送的，则通过SX1278发送，如果是带时间戳的，则通过SX1301发送。

LORAWAN网关具有全双工的下行通信。下行接收通过SX1301的8个LORA信道，下行发送通过额外的一片SX1278芯片。

LORAWAN网关下行发送时具有双队列缓存，可分别缓存立即发送报文和带时间戳报文。下行发送时时间戳报文具有最高优先级，可随时插入到发送队列，除非当前正有报文发送或与其他时间戳报文冲突，在达到发送条件时通过射频模块发出数据。

LORAWAN网关射频模块分为三个主要部分：一是由SX1301芯片为主的接收部分，负责8个速率自适应数据接收通道的数据接收，同时负责发送带时间戳的报文；二是由SX1278芯片为主的发送部分，负责发送需要立即发出的报文；三是由双工器为主的天线部分，负责收发射频信号。LORAWAN网关工作时，会不间断的接收由SX1301收到的数据，并转发到网络服务器。同时，如果网络服务器有需要立即下发的数据，便会通过SX1278芯片发往目标结点。接收和发送的频率不同，所以网关可同时进行无线射频数据的收发，达到全双工的目的。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种LORAWAN网关，其特征在于，包括处理器、第一LORA模块、第二LORA模块、双工器、天线模块、存储模块和远程通信模块，所述处理器分别与第一LORA模块、第二LORA模块、存储模块和远程通信模块连接，所述双工器分别与第一LORA模块、第二LORA模块和天线模块连接；

所述LORAWAN网关下行数据传输，包括：

通过远程通信模块接收网络服务器下发的下行数据包；

通过处理器解析出下行数据包中的报文；

通过存储模块分别缓存解析出的立即发送报文和带时间戳报文；

通过第二LORA模块、双工器和天线模块发送立即发送报文到终端节点；

通过第一LORA模块、双工器和天线模块发送带时间戳报文到终端节点；

所述LORAWAN网关上行数据传输，包括：

通过天线模块、双工器和第一LORA模块接收终端节点发送的数据；

通过处理器将数据打包为上行数据包；

通过远程通信模块将上行数据包发送到网络服务器；

所述第一LORA模块包括SX1301芯片和SX1255芯片，所述第二LORA模块包括SX1278芯片；

所述LORAWAN网关射频模块分为三个主要部分：一是由SX1301芯片为主的接收部分，负责8个速率自适应数据接收通道的数据接收，同时负责发送带时间戳报文；二是由SX1278芯片为主的发送部分，负责发送需要立即发出的报文；三是由双工器为主的天线部分，负责收发射频信号。

2.根据权利要求1所述的LORAWAN网关，其特征在于，还包括本地通信模块，所述本地通信模块与所述处理器连接。

3.根据权利要求1所述的LORAWAN网关，其特征在于，还包括定位模块，所述定位模块与所述处理器连接。

4.根据权利要求1所述的LORAWAN网关，其特征在于，所述远程通信模块包括以太网通信模块和无线通信模块。

5.根据权利要求2所述的LORAWAN网关，其特征在于，所述本地通信模块包括串口通信模块和蓝牙通信模块。

6.根据权利要求1所述的LORAWAN网关，其特征在于，所述带时间戳报文具有发送的最高优先级。

7.根据权利要求3所述的LORAWAN网关，其特征在于，所述LORAWAN网关下行数据传输还包括：

通过定位模块实时获取位置信息，通过处理器和远程通信模块上报到网络服务器。

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