CN110136531A - 一种LoRa实训实验箱 - Google Patents

Abstract

本公开提出了一种LoRa实训实验箱，包括实验箱和设置在实验箱内的LoRa网关、LoRa终端节点和传感器开发套件；传感器开发套件用于与LoRa终端节点连接并采集传感数据，LoRa终端节点和LoRa网关分别内置LoRa无线模块，LoRa终端节点用于与LoRa网关无线连接形成自组网络将传感器开发套件采集的数据传输至监控终端或者云平台；实验箱内分别设置与上述传感器开发套件、LoRa终端节点和LoRa网关外形结构相适应的内置腔。本公开集成了LoRa网关、LoRa终端节点和传感器开发套件，通过将上述各实训部件连接并加载相应的配置文件，可以建立LoRa自组网络实现数据的采集和传输，从而实现了物联网LoRa组网的实训，并且本公开的实训部件放置在实训箱中，整个实训装置便于携带，便于推广使用。

Description

一种LoRa实训实验箱

技术领域

本公开涉及物联网实训相关技术领域，具体的说，是涉及一种LoRa实训实验箱。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

低功耗广域网技术目前是物联网应用中重要的组成部分，重点解决系统大容量、远距离、低功耗、低成本问题。现今物联网设备采用了若干种协议解决方案，但是没有一种方案是理想的解决方法。例如：Wi-Fi协议具有普及率高，稳定性好等优点，但是却无法满足能量高效使用的需求。对于海量设备接入问题，Wi-Fi协议没有一个较好的解决方案。对于2G/GPRS/3G/4G网络，存在成本、功耗的问题，对于蓝牙协议而言，其受限于远距离的通信范围。而ZigBee协议又无法满足不同设备间的兼容性问题。

物联网所需的各类无线网络通信技术似乎处于互补状态，在不同场景下，距离、功耗、容量、成本等指标各有千秋。不过，在远距离、低功耗场景下，LoRa(Long Range，远程)技术正迅速发展起来。

LoRa是由升特公司(Semtech)发布的一种专用于无线电调制解调的技术，它与其他如FSK(频移键控)、GMSK(高斯最小频移键控)、BPSK(二进制相移键控)及其派生的调制方案形成竞争关系。LoRa融合了数字扩频、数字信号处理和前向纠错编码技术，拥有前所未有的性能。此前，只有那些高等级的工业无线电通信会融合这些技术，而随着LoRa的引入，嵌入式无线通信领域的局面发生了彻底的改变。而LoRa则做到了低功耗和远距离的兼顾，是低功耗广域网技术的典型代表，是解决物联网“最后一公里”接入问题的重要手段。

鉴于LoRa技术的日趋成熟以及LoRa技术应用的日渐丰富，与之相应的人才需求也会日益提高，着力培养这方面的研发应用型人才，提供一种LoRa技术培训设备是本领域技术人员亟需解决的技术问题。

发明内容

本公开为了解决上述问题，提出了一种LoRa实训实验箱，集成了LoRa网关、LoRa终端节点和传感器开发套件，通过将上述各实训部件连接并加载相应的配置文件，可以建立LoRa自组网络实现数据的采集和传输，从而实现了物联网LoRa组网的实训，并且本公开的实训部件放置在实训箱中，整个实训装置便于携带，便于推广使用。

为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：

一种或多个实施例提供了一种LoRa实训实验箱，包括实验箱和设置在实验箱内的LoRa网关、LoRa终端节点和传感器开发套件；传感器开发套件用于与LoRa终端节点连接并采集传感数据，LoRa终端节点和LoRa网关分别内置LoRa无线模块，LoRa终端节点用于与LoRa网关无线连接形成自组网络将传感器开发套件采集的数据传输至监控终端或者云平台；

实验箱内设置多个内置腔，分别设置与上述传感器开发套件、LoRa终端节点和LoRa网关外形结构相适应的内置腔。

进一步地，LoRa网关包括本地版LoRa网关和云在线版LoRa网关，所述本地版LoRa网关和云在线版LoRa网关下载的配置文件不同。

进一步地，本地版LoRa网关和云在线版LoRa网关分别包括射频模组、主控板、转接板、射频天线和网关外壳，所述主控板分别与射频模组、转接板和网络接口分别连接，所述射频模组、主控板、转接板设置在网关外壳内，射频模组与射频天线连接，云在线版LoRa网关还包括网络接口，云在线版LoRa网关通过网络接口连接网线接入互联网。

进一步地，LoRa终端节点普通LoRa终端节点和LoRa终端节点开发板。

进一步地，普通LoRa终端节点的电路包括普通节点ARM处理器、普通节点LoRa射频单元和普通节点存储器，所述普通节点LoRa射频单元和普通节点存储器分别与普通节点ARM处理器连接。

进一步地，LoRa终端节点开发板包括开发板ARM处理器、开发板LoRa射频单元、存储器、传感器连接接口、接口指示灯和按键电路，所述开发板ARM处理器分别与开发板LoRa射频单元、传感器连接接口连接，所述传感器连接接口与接口指示灯串联连接。

进一步地，传感器开发套件包括加速度传感器模块、光照传感器模块、超声波传感器模块、磁阻传感器模块、温湿度传感器模块、GPS模块和蜂鸣器模块。

进一步地，还包括配置文件和教辅材料，在实训箱中设置相应的文件放置区域。

与现有技术相比，本公开的有益效果为：

本公开提出了一种LoRa实训实验箱，集成了LoRa网关、LoRa终端节点和传感器开发套件，通过将上述各实训部件连接并加载相应的配置文件，可以建立LoRa自组网络实现数据的采集和传输，从而实现了物联网LoRa组网的实训，并且本公开的实训部件放置在实训箱中，整个实训装置便于携带，便于推广使用。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的限定。

图1是本公开LoRa通信网络架构图；

图2是本公开的LoRa网关结构框图；

图3是本公开的LoRa终端节点开发板结构框图；

图4是本公开的普通LoRa终端节点结构框图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合附图对实施例进行详细描述。

在一个或多个实施方式中公开的技术方案中，如图1所示，一种LoRa实训实验箱，包括实验箱和设置在实验箱内的LoRa网关、LoRa终端节点和传感器开发套件；传感器开发套件用于与LoRa终端节点连接并采集传感数据，LoRa终端节点和LoRa网关分别内置LoRa无线模块，LoRa终端节点用于与LoRa网关无线连接形成自组网络，将传感器开发套件采集的数据传输至监控终端或者云平台；监控终端包括远程监控终端和本地监控终端，监控终端可以为监控计算机、智能手机、平板等。

实验箱内分别设置与上述传感器开发套件、LoRa终端节点和LoRa网关外形结构相适应的内置腔。每个部件放置在单独的内置腔内，包括传感器套件安装空间、LoRa终端节点安装空间、LoRa开发板安装空间、LoRa网关安装空间及其他配件安装空间。实验箱的设置可以实现各部件的统一管理，实现便携，当需要进行实训时，根据实训的内容选取不同的部件进行连接。

如图1所示，通过实验箱内各个部件自组LoRa通信网络主要由LoRa网关和LoRa终端节点构成，LoRa网关和LoRa终端节点可以采用星形的组网方式优化网络结构。在LoRa通信网络中，LoRa终端节点可以连接传感器开发套件，具有前端感知功能；LoRa终端节点采集相应的传感数据通过连接的LoRa网关传输至云平台或者监控终端。

LoRa网关分为本地版LoRa网关和云在线版LoRa网关，本地版LoRa网关直接连接监控终端，通过监控终端可以将数据在本地存储展示；云在线版LoRa网关则可以接入互联网，数据存储在云端，实现数据的运程访问；LoRa通信网络符合标准的LoRaWAN协议，支持上下行链路通信。

本公开的LoRa网关主要完成与终端节点的报文汇聚、协议转换等上下行数据通信的功能。LoRa网关下载无线低功耗远距离通信协议，符合LoRaWAN协议规范，可以实现多频点多信道的并发数据处理，能够完成网络资源协调、数据转发的功能。本地版LoRa网关与云在线版LoRa网关硬件结构可以设置为相同，可以为如图2所示的结构，区别在于云在线版LoRa网关还包括网络接口，通过网络接口可以连接互联网，从而可以连接至云端。其次，本地版LoRa网关与云在线版LoRa网关下载配置的文件不同：通过配置不同的文件分别作为本地版LoRa网关和云在线版LoRa网关。本地版LoRa网关可以配置包含协议转发服务，LoRawan服务和LoRawan应用服务的配置文件。云在线版LoRa网关与本地版LoRa网关配置的文件不同在于：本地版网关配置文件仅设置本地软件服务相关参数，无法连接云服务器。云在线网关配置文件，设置了云服务器相关网络参数，使得网关可以连接远程云服务。

本地版LoRa网关，所有终端节点的上报数据都在本地解析存储，同时本地版LoRa网关可以共享一个Wi-Fi热点，通过Wi-Fi热点与监控终端的连接，使监控终端可以在本地查看Web界面的实时数据展示以及服务器的配置，监控终端可以为智能手机终端或者电脑终端。本地版LoRa网关可以包括射频模组、主控板、转接板、射频天线及网关外壳。所述主控板分别与射频模组、转接板分别连接，所述射频模组、主控板、转接板设置在网关外壳内，射频模组与射频天线连接。优选的，射频模组可以为SX1301芯片，主控板可以采用树莓派3B+。转接板用于NB-IoT本地服务器外扩其他设备，如传感器模块或其他通信模块。转接板结构为单层电路板，上配有插针排，可插接模块。

云在线版LoRa网关可以包括射频模组、主控板、转接板、射频天线、网络接口及网关外壳。所述主控板分别与射频模组、转接板和网络接口分别连接，所述射频模组、主控板、转接板设置在网关外壳内，射频模组与射频天线连接。优选的，射频模组可以为SX1301芯片，主控板可以采用树莓派3B+，云在线版LoRa网关可以通过网络接口连接网线接入互联网，LoRa终端节点的数据存储在云端，通过已经接入互联网的监控终端查看Web版数据展示界面。

LoRa终端节点支持常用外围通信协议：UART、I2C、SPI等，可以对外提供丰富的扩展口。支持STM32L0系列芯片基础资源的开发学习，且支持LoRa技术的低功耗、超远距离、跳频、扩频通信等特性的应用开发调试。

本公开根据实验的操作性，LoRa终端节点按照用途在实训箱中可以设置两类，一类主要用来测试，使用LoRaWAN协议的普通LoRa终端节点。一类是用来开发、调试设备的LoRa终端节点开发板。数据传输功能上普通LoRa终端节点和LoRa终端节点开发板相同。

普通LoRa终端节点和LoRa终端节点开发板不同点在于：普通LoRa终端节点不设置传感器的连接接口，电路结构上不包括连接接口电路板，普通LoRa终端节点没有LED指示灯和按键电路。

实训时，普通LoRa终端节点只能够用来进行多节点通信测试，不能开发调试传感器，将相应的配置文件下载至普通LoRa终端节点，即可使其通过LoRa无线通信连接至LoRa网关，用于测试无线模块是否正常联网。如图4所示，普通LoRa终端节点的电路结构主要包括普通节点ARM处理器、普通节点LoRa射频单元和普通节点存储器，所述普通节点LoRa射频单元和普通节点存储器分别与普通节点ARM处理器连接，普通节点LoRa射频单元可以采用Semtech的LoRaTM远程调制解调器，用于超长距离扩频通信，支持LoRaWAN协议标准。ARM处理器可以为具有超低功耗的STM32L0系列的芯片。存储器用于存储配置的数据，将配置数据通过无线传输可以查看网络连接是否正常。普通LoRa终端节点的电路结构还包括调试接口和电源接口。

如图3所示，LoRa终端节点开发板包括开发板ARM处理器、开发板LoRa射频单元、存储器、传感器连接接口、接口指示灯和按键电路。所述开发板ARM处理器分别与开发板LoRa射频单元、传感器连接接口连接，所述传感器连接接口与接口指示灯串联连接。开发板LoRa射频单元可以采用Semtech的LoRaTM远程调制解调器，用于超长距离扩频通信，支持LoRaWAN协议标准。ARM处理器可以为具有超低功耗的STM32L0系列的芯片。实训时，如进行开发、调试设备，可以将各个传感器模块安装到LoRa终端节点开发板，LoRa终端节点开发板将相应的配置文件下载后，LoRa网关可以监控安装在LoRa终端节点开发板上的各个传感器模块的检测的数据。所述按键电路用于人机交互，如传感器触发获取数据操作，程序流程控制等。LoRa终端节点开发板还包括调试接口和电源接口。

本公开的实训箱中配备了丰富的传感器开发套件，涉及了最常用的外围设备接口：I2C、SPI、UART等。在熟练掌握LoRa终端节点、LoRa网关的使用操作后，可以结合传感器开发套件做深入的、定制化的应用开发，加深学生的实际应用和动手能力。传感器开发套件可以包括加速度传感器模块、光照传感器模块、超声波传感器模块、磁阻传感器模块、温湿度传感器模块、GPS模块和蜂鸣器模块。蜂鸣器模块可以实现传感器报警、通信状态提示和按键提示音等等。在进行实训时加速度传感器模块、光照传感器模块、超声波传感器模块、磁阻传感器模块、温湿度传感器模块、GPS模块和蜂鸣器模块分别与LoRa终端节点连接。

加速度传感器可以采用ADXL362芯片可实现3轴测量，可以采用SPI通信接口。光照传感器采用光敏器件，可以为光敏电阻，响应波长320～730nm，可以采用模拟输出通信接口。超声波传感器可以采用KS-A104，探测距离为20-4500mm，束波角度小于15°，支持UART接口。磁阻传感器可以采用HMC5883L芯片，模块测量范围为±8Gas，可以采用I2C通信接口。温湿度传感器模块可以采用SHT20，温度测量范围-40～125℃，湿度测量范围为0～100％RH，采用I2C接口通信。GPS可以采用SKG09A模块，定位精度2.5m(SBAS)，首次热启动定位时间＜1s，支持UART通讯接口。射频模块可以采用SX1276，自动射频信号检测，CAD模式和超高速AFC；支持FSK、GFSK、MSK、GMSK、LoRaTM及OOK调制方式；内置温度传感器和低电量指示器。

本公开的实训箱还可以包括源代码和教辅材料，便于学校教学以及个人科研开发。教辅材料是可以包括《LoRa实训说明书》：针对实训箱中硬件设备的整体说明，《实验手册》：针对LoRa技术、LoRaWAN协议设计的实验，针对教师端设计的教学PPT、教学课件，以及针对学生端设计的LoRa技术教材等。

本公开的LoRa实训实验箱可以搭建一套完整的LoRa通信网络，LoRa通信网络是一种基于扩频技术的远距离、低带宽、低成本的广域无线通信网络。本套LoRa实训实验以LoRaWAN为核心内容介绍该协议的工作原理和使用方法，包括Class A类低功耗模式、ClassC类强实时模式，以及LoRaWAN的功能架构，进而搭建一个专属的低功耗广域覆盖网络，实现温度、湿度、GPS定位数据的采集与传输，并通过云服务平台展示相关的数据结果。

本公开的LoRa实训实验箱是按照职业类、本科类院校的教学和实训要求而设计的教学产品，尤其适用于物联网、电子信息、通信工程等相关专业的教学实训。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种LoRa实训实验箱，其特征是：包括实验箱和设置在实验箱内的LoRa网关、LoRa终端节点和传感器开发套件；传感器开发套件用于与LoRa终端节点连接并采集传感数据，LoRa终端节点和LoRa网关分别内置LoRa无线模块，LoRa终端节点用于与LoRa网关无线连接形成自组网络将传感器开发套件采集的数据传输至监控终端或者云平台；

实验箱内设置多个内置腔，分别设置与上述传感器开发套件、LoRa终端节点和LoRa网关外形结构相适应的内置腔。

2.如权利要求1所述的一种LoRa实训实验箱，其特征是：LoRa网关包括本地版LoRa网关和云在线版LoRa网关，所述本地版LoRa网关和云在线版LoRa网关下载的配置文件不同。

3.如权利要求2所述的一种LoRa实训实验箱，其特征是：本地版LoRa网关和云在线版LoRa网关分别包括射频模组、主控板、转接板、射频天线和网关外壳，所述主控板分别与射频模组、转接板和网络接口分别连接，所述射频模组、主控板、转接板设置在网关外壳内，射频模组与射频天线连接，云在线版LoRa网关还包括网络接口，云在线版LoRa网关通过网络接口连接网线接入互联网。

4.如权利要求1所述的一种LoRa实训实验箱，其特征是：LoRa终端节点包括普通LoRa终端节点和LoRa终端节点开发板。

5.如权利要求4所述的一种LoRa实训实验箱，其特征是：普通LoRa终端节点的电路包括普通节点ARM处理器、普通节点LoRa射频单元和普通节点存储器，所述普通节点LoRa射频单元和普通节点存储器分别与普通节点ARM处理器连接。

6.如权利要求4所述的一种LoRa实训实验箱，其特征是：LoRa终端节点开发板包括开发板ARM处理器、开发板LoRa射频单元、存储器、传感器连接接口、接口指示灯和按键电路，所述开发板ARM处理器分别与开发板LoRa射频单元、传感器连接接口连接，所述传感器连接接口与接口指示灯串联连接。

7.如权利要求1所述的一种LoRa实训实验箱，其特征是：传感器开发套件包括加速度传感器模块、光照传感器模块、超声波传感器模块、磁阻传感器模块、温湿度传感器模块、GPS模块和蜂鸣器模块。

8.如权利要求1所述的一种LoRa实训实验箱，其特征是：还包括配置文件和教辅材料，在实训箱中设置相应的文件放置区域。

9.如权利要求8所述的一种LoRa实训实验箱，其特征是：教辅材料是包括《LoRa实训说明书》、《实验手册》、针对教师端设计的教学PPT、教学课件和针对学生端设计的LoRa技术教材。