CN108900411B - Lora全双工网关 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种Lora全双工网关，其包括ARM核心板以及至少一个网关主体，其中，所述网关主体包括：微控制单元；接收通路，其上包括Lora基带芯片和至少一个第一Lora收发器，二者之间通过SPI接口连通，进行配置信号交互；发射通路，其上包括第二Lora收发器，其与所述微控制单元通过SPI接口连通；所述第二Lora收发器接收所述微控制单元传递的原始信息，并对该信息分组打包、调制，并将其变频为射频信号；然后对该射频信号进行放大、除杂处理，并发射出去；并且，每个网关主体的微控制单元与所述ARM核心板进行数据、控制交互，从而实现Lora全双工网关扩容。本发明具有实现上行业务和下行业务完全独立，解决通信业务较多时半双工网关上、下行冲突的问题。

Description

Lora全双工网关
技术领域
本发明涉及Lora网关领域。更具体地说，本发明涉及一种Lora全双工网关。
背景技术
随着物联网产业的飞速发展，市场上涌现了较多应用于物联网领域的通信技术，如WIFI、Bluetooth、Zigbee、Sigfox、Lora及NB-IOT等。这其中Lora以其低功耗、远距离、抗干扰强、成本低、组网灵活等特点正被越来越多的人选择成为物联网应用的核心技术解决方案。在Lora物联网组网(LoraWan)结构中，网关作为下联众多终端模块、上联网络服务器(NS)和应用服务器(AS)的核心部件，完成信息传输、上报，配合NS和AS对终端模块进行状态/工作模式控制、软件升级(OTA)，对整个LoraWan网络进行容量控制、负荷调整等功能。目前市面上大多数LoraWan网关均为半双工的，即在处理上行业务时，下行通道是关闭的；在处理下行业务时，上行通道是关闭的。在单台网关挂载终端模块较多、或者终端模块发包密集、或者应用场景存在较多的主动下行时，半双工的工作特性会导致上行或者下行业务受阻，导致出现终端模块入网困难、上下行数据丢包，严重时会导致整个LoraWan网络瘫痪、业务无法正常开展。采取自动速率调节(ADR)、自动功率控制(APC)、负载均衡(LB)等技术可以改善这一情况，但帮助有限。如果软件算法没有做好，还会起到反作用，导致情况进一步恶化。
发明内容
本发明提供一种Lora全双工网关，实现上行业务和下行业务完全独立，解决通信业务较多时半双工网关上、下行冲突的问题。
为了实现以上目的，本发明提供一种Lora全双工网关，其包括ARM核心板以及至少一个网关主体，其中，
所述网关主体包括：
微控制单元；
接收通路，其上包括Lora基带芯片和至少一个第一Lora收发器，二者之间通过SPI接口连通，进行配置信号交互；其中，所述第一Lora收发器接收经放大、降噪处理的Lora信号，并将该高频的Lora信号转化为基带I、Q信号；然后将该基带I、Q信号传给所述Lora基带芯片，最后所述Lora基带芯片将该基带I、Q信号进行Lora解调，拆包还原信息，并将还原后的信息通过SPI接口上传至所述微控制单元；
发射通路，其上包括第二Lora收发器，其与所述微控制单元通过SPI接口连通；所述第二Lora收发器接收所述微控制单元传递的原始信息，并对该信息分组打包、调制，并将其变频为射频信号；然后对该射频信号进行放大、除杂处理，并发射出去；
并且，每个网关主体的微控制单元与所述ARM核心板进行数据、控制交互，从而实现Lora全双工网关扩容。
优选的是，所述的Lora全双工网关，所述ARM核心板通过GPS模块提供网关授时信息以及定位服务。
优选的是，所述的Lora全双工网关，还包括：所述微控制单元，监控所述接收通路和发射通路的状态，并且控制其软件配置情况、复位情况。
优选的是，所述的Lora全双工网关，所述ARM核心板通过以太网接口或者WIFI/4G模块，实现与网络服务器和应用服务器之间的网络通信。
优选的是，所述的Lora全双工网关，还包括：
低通滤波器，其对接收到的Lora信号初步过滤，滤除外界强干扰信号；
声表滤波器，其进一步对除工作Lora信号外的其他信号进行滤除，以完成对工作频段Lora信号的选择；
低噪声放大器，接收经过滤的Lora信号，并进行放大、降噪处理，然后经放大、降噪处理的Lora信号传给所述第一Lora收发器。
优选的是，所述的Lora全双工网关，所述微控制单元，具有RAM和Flash存储空间，用于存储底层驱动以及应用程序；
所述ARM核心板具有RAM和Flash存储空间，用于存储底层驱动以及应用程序。
优选的是，所述的Lora全双工网关，还包括：
双工器，其实现接收通路、发射通路上Lora信号的接收和发射合路且彼此隔离；
天馈组件，其将Lora信号辐射出去并捕获空间的Lora信号，并起到相应的防护作用。
优选的是，所述的Lora全双工网关，对该射频信号进行放大、除杂处理，具体为：
采用至少一级功率放大器逐步对该射频信号进行放大处理；
利用低通滤波器进行末级功率放大器产生的谐波进行滤除。
优选的是，所述的Lora全双工网关，所述微控制单元自带多个外围接口。
本发明至少包括以下有益效果：本发明将当前Lora网关的半双工工作模式改为全双工工作模式，实现上行业务和下行业务完全独立，解决通信业务较多时半双工网关上、下行冲突的问题。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明Lora全双工网关的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，本发明提供一种Lora全双工网关，其包括ARM核心板以及两个网关主体，此处的网关主体可以根据实际需求情况进行扩展，比如设置3个、4个，甚至于更多个；其中，所述网关主体包括：微控制单元；接收通路，其上包括Lora基带芯片和至少一个第一Lora收发器，二者之间通过SPI接口连通，进行配置信号交互；
其工作流程为：
低通滤波器，其对接收到的Lora信号初步过滤，滤除外界强干扰信号；声表滤波器，其进一步对除工作Lora信号外的其他信号进行滤除，以完成对工作频段Lora信号的选择；低噪声放大器，接收经过滤的Lora信号，并进行放大处理；声表滤波器，再次降噪处理，然后经放大、降噪处理的Lora信号传给所述第一Lora收发器。然后所述第一Lora收发器接收经放大、降噪处理的Lora信号，并将该高频的Lora信号转化为基带I、Q信号；然后将该基带I、Q信号传给所述Lora基带芯片，最后所述Lora基带芯片将该基带I、Q信号进行Lora解调，拆包还原信息，并将还原后的信息通过SPI接口上传至所述微控制单元；发射通路，其上包括第二Lora收发器，其与所述微控制单元通过SPI接口连通；所述第二Lora收发器接收所述微控制单元传递的原始信息，并对该信息分组打包、调制，并将其变频为射频信号；然后对该射频信号进行放大、除杂处理，并发射出去；其中，对该射频信号进行放大、除杂处理，具体为：采用至少一级功率放大器逐步对该射频信号进行放大处理；利用低通滤波器进行末级功率放大器产生的谐波进行滤除。并且，每个网关主体的微控制单元与所述ARM核心板进行数据、控制交互，从而实现Lora全双工网关扩容。
本发明将当前Lora网关的半双工工作模式改为全双工工作模式，实现上行业务和下行业务完全独立，解决通信业务较多时半双工网关上、下行冲突的问题。Lora全双工网关上、下行链路通过双工器器件进行合路，天线及馈线部分维持一套、和半双工网关保持一致。目前全双工网关支持1路下行和8路上行并发，可以根据业务需要进行通道扩展，如2路下行、16路上行，4路下行、32路上行，8路下行、64路上行等，所有上下行链路通过合路器、双工器进行信号合路，使得天线和馈线部分仍旧维持一套，有助于网关安装、走线以及成本控制。
另一种实施方式中，所述的Lora全双工网关，所述ARM核心板通过GPS模块提供网关授时信息以及定位服务。
另一种实施方式中，所述的Lora全双工网关，还包括：所述微控制单元，监控所述接收通路和发射通路的状态，并且控制其软件配置情况、复位情况。所述微控制单元自带多个外围接口。
另一种实施方式中，所述的Lora全双工网关，所述ARM核心板通过以太网接口或者WIFI/4G模块，实现与网络服务器和应用服务器之间的网络通信。
另一种实施方式中，所述的Lora全双工网关，所述微控制单元，具有RAM和Flash存储空间，用于存储底层驱动以及应用程序；
所述ARM核心板具有RAM和Flash存储空间，用于存储底层驱动以及应用程序。
另一种实施方式中，所述的Lora全双工网关，还包括：
双工器，其实现接收通路、发射通路上Lora信号的接收和发射合路且彼此隔离；
天馈组件，其将Lora信号辐射出去并捕获空间的Lora信号，并起到相应的防护作用。
本系统的组成如图所示，主要分三个组成部分：
处理器系统(包括ARM核心板(ARM Core Board)和微控制单元(MCU))；
a.ARM核心板
基于通用ARM Cortex处理器，主频推荐800MHz以上，拥有SPI、UART、USB、IIC、GPIO等接口，附带一定的RAM和Flash存储空间(用于存储底层驱动以及应用程序)。主要功能是通过SPI/UART/USB等接口和MCU芯片进行数据、控制交互。借助于其丰富的外围接口资源，可以方便的进行通信容量扩展，如2路下行、16路上行，4路下行、32路上行，8路下行、64路上行等(图1所示为2路下行、16路上行扩容示意框图)。通过自身的以太网接口、外挂WIFI/4G模块，实现与网络服务器(NS)和应用服务器(AS)之间的网络通信。通过外挂的GPS模块，给网关提供授时信息和实现网关的定位服务。
b.微控制单元
基于通用ARM Cortex处理器，主频可以低于100MHz，拥有SPI、UART、USB、IIC、GPIO等接口附带一定的RAM和Flash存储空间(用于存储底层驱动以及应用程序)。主要功能是通过两路SPI接口分别接发射Lora Transceiver芯片和接收Lora Baseband芯片。主要实现对接收和发射通路的软件配置、控制、复位、状态监测等功能，并和ARM核心板实现数据以及命令交互。
2、全双工Lora通信系统
该系统包括发射和接收通道、且能完全独立工作，目前支持1路下行和8路上行信道。
a.发射通道
发射通路的Lora Transceiver实现信息分组打包、Lora信号调制、上变频为射频信号、功率放大等功能。声表滤波器滤(Saw)除工作频段之外的杂散信号，避免干扰其他网关/节点的正常工作。后一级功率放大器进一步放大射频信号，增加信号的传输距离。低通滤波器(LPF)用于滤除末级功率放大器产生的谐波，较少对其他工作频段通信设备的影响。
b.接收通道
接收通路的低通滤波器(LPF)滤除外界其他工作频段强干扰信号，对信号进行初步的过滤。后面紧跟着的两级声表滤波器滤(Saw)完成工作频段的选择，对工作带外信号产生极大的抑制作用。低噪声放大器(LNA)将接收到的弱信号进行放大、改善接收机的系统噪声系数。经过滤波、放大后的接收信号进入到两个Lora Transceiver芯片，每片芯片负责4个信道的射频信号下变频，将高频信号转换为基带I、Q信号。Lora Baseband芯片通过两路SPI接口和Lora Transceiver芯片相连，进行配置信号交互。同时对Lora Transceiver芯片过来的基带I、Q信号进行Lora解调、拆包还原信息，并通过SPI接口上传到MCU芯片。
3、全双工合路系统
全双工合路系统包括双工器以及相应的天馈组件。
a.双工器组件
双工器主要实现发射和接收信号的合路、收发链路隔离等功能，使得全双工网关可以使用一套天馈组件，节约布网和走线成本。为了保证发射和接收链路能够独立的正常工作，双工器的收发端口之间需要保证较高的隔离度。此外，收发频点间隔会影响双工器端口之间的隔离度、器件体积、成本以及实现难度，需要综合考虑。因此，建议双工器收发间隔为10MHz左右，端口之间隔离度50dB以上。
b.天馈组件
天馈组件主要包括防护器件、天线以及馈线。主要作用是将Lora信号辐射出去并捕获空间的Lora信号，并起到相应的防护作用(如防雷、ESD等)。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (7)

1.一种Lora全双工网关，其特征在于，其包括ARM核心板以及至少一个网关主体，其中，
所述网关主体包括：
微控制单元；
接收通路，其上包括Lora 基带芯片和至少一个第一Lora收发器，二者之间通过SPI接口连通，进行配置信号交互；其中，所述第一Lora收发器接收经放大、降噪处理的Lora信号，并将该Lora信号转化为基带I、Q信号；然后将该基带I、Q信号传给所述Lora 基带芯片，最后所述Lora 基带芯片将该基带I、Q信号进行Lora解调，拆包还原信息，并将还原后的信息通过SPI接口上传至所述微控制单元；
发射通路，其上包括第二Lora收发器，其与所述微控制单元通过SPI接口连通；所述第二Lora收发器接收所述微控制单元传递的原始信息，并对该信息分组打包、调制，并将其变频为射频信号；然后对该射频信号进行放大、除杂处理，并发射出去；
并且，每个网关主体的微控制单元与所述ARM核心板进行数据、控制交互，从而实现Lora全双工网关扩容；
低通滤波器，其对接收到的Lora信号初步过滤，滤除外界强干扰信号；
声表滤波器，其进一步对除工作Lora信号外的其他信号进行滤除，以完成对工作频段Lora信号的选择；
低噪声放大器，接收经过滤的Lora信号，并进行放大、降噪处理，然后经放大、降噪处理的Lora信号传给所述第一Lora收发器；
双工器，其实现接收通路、发射通路上Lora信号的接收和发射合路且彼此隔离；
天馈组件，其将Lora信号辐射出去并捕获空间的Lora信号，并起到相应的防护作用；
双工器收发间隔为10MHz，端口之间隔离度50dB以上。
2.如权利要求1所述的Lora全双工网关，其特征在于，所述ARM核心板通过GPS模块提供网关授时信息以及定位服务。
3.如权利要求2所述的Lora全双工网关，其特征在于，还包括：所述微控制单元，监控所述接收通路和发射通路的状态，并且控制其软件配置情况、复位情况。
4.如权利要求1所述的Lora全双工网关，其特征在于，所述ARM核心板通过以太网接口或者WIFI/4G模块，实现与网络服务器和应用服务器之间的网络通信。
5.如权利要求1所述的Lora全双工网关，其特征在于，
所述微控制单元，具有RAM和Flash存储空间，用于存储底层驱动以及应用程序；
所述ARM核心板具有RAM和Flash存储空间，用于存储底层驱动以及应用程序。
6.如权利要求1所述的Lora全双工网关，其特征在于，对该射频信号进行放大、除杂处理，具体为：
采用至少一级功率放大器逐步对该射频信号进行放大处理；
利用低通滤波器进行末级功率放大器产生的谐波进行滤除。
7.如权利要求1所述的Lora全双工网关，其特征在于，所述微控制单元自带多个外围接口。
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