CN111245710A - 一种基于LoRa的智能网关及其数据通信的管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种LoRa智能网关及其数据通信的管理方法。智能网关包括五个LoRa通信模块，下行通信利用LoRa通信模块能基于LoRa网络和多个终端设备进行双向通信；智能网关的上行通信采用蜂窝、以太网及北斗短报文三种通信链路和服务器进行双向通信；服务器能够远程管理智能网关。基于本方案，能够实现终端设备和智能网关的自动化组网，提升终端设备的接入量，同时使用多种通信链路和服务器通信，对整个数据通信高效的管理，降低人工成本，提高网络的管理效率。

Description

一种基于LoRa的智能网关及其数据通信的管理方法

技术领域

本发明涉及到无线通信技术领域，具体地说，涉及一种基于LoRa的智能网关及其数据通信的管理方法。

背景技术

随着物联网产业的快速发展，无线通信技术成为物联网应用的核心技术之一。在特定的应用环境下，对无线通信技术提出了更高的要求。LoRa作为窄带无线通信技术，具有远距离、低功耗、多节点、低成本、抗干扰能力强等特性，被广泛应用于各种场合的远距离低速率物联网无线通信领域。

在无线通信系统上一般由终端设备、网关和服务器构成，网关作为终端设备和服务器的中心连接设备，负责终端设备的数据采集、数据传输以及终端设备的管理。由于LoRa的通信覆盖范围广，在一个LoRa通信系统上一般存在大量的LoRa终端设备，在一个LoRa网关无法满足终端设备接入的情况下，必然存在大量的LoRa网关。LoRa通信系统的组网以及数据通信的管理是保证整个系统的稳定性和可靠性的关键。

目前市面上大部分物联网关处于成本或专业领域各方面因素限制，功能单一化。比如有的网关数据通信上只能提供单信道通信，数据收发的采用半双工模式，在传输效率上有限，进而影响到终端设备的接入量。现有技术上，LoRa网关的参数配合和管理需要技术人员现场处理，实际应用上LoRa网关的位置比较分散，相隔距离较远，并且每个LoRa网关的配置也可能不相同，使得整个配置管理方式人工成本高，组网效率低，缺少灵活性，除此之外，网关和服务器之间的通信链路单一，一旦该通信链路出现故障，终端节点的数据将无法通过网关回传到服务器。

发明内容

综上考虑，由于现有无线网关的应用定位等因素，产品在软硬件系统设计上均存在一定的局限性，数据通信管理未做到智能化。本发明要解决的问题在于，提供一种无线LoRa智能网关，提升数据传输效率，扩大终端设备的接入量，同时在不受人工干预的情况下，实现自动化组网，与此同时，设备提供多种和服务器通信的通信链路，提供对整个数据通信高效的管理方法，以达到降低人工成本，提高管理效率，实现智能自动化管理。

本发明采用以下技术方案：本发明设计的是一种LoRa智能网关，所述LoRa智能网关以恩智浦LPC54606J512为主控模块，板卡集成LoRa通信模块、蜂窝通信模块、SD存储、纽扣电池、状态指示灯、以太网、RS485、RS232、电源输入输出模块及SWD，其中对外接口包括状态指示灯、RS232、RS485、以太网、电源输入模块、电源输出模块、SD卡槽、SIM卡槽、LoRa天线接口、蜂窝天线接口、定位天线接口，所述模块分别与设备的主控模块通过电路连接。

所述LoRa智能网关包括五个LoRa通信模块，其中四个LoRa通信模块用户数据的接收，另一个LoRa通信模块用于对终端设备的数据收发管理，在接收模块和管理模块的相互配合下，实现与多终端设备的双向通信。

所述LoRa智能网关内设有天线接口模块，所述天线接口模块包括LoRa天线接口、蜂窝天线接口以及定位天线接口；其中五个LoRa通信模块使用两个LoRa天线接口，其中四个LoRa通信模块共用同一个LoRa天线接口，四个LoRa通信模块和天线接口之间增加了低噪放和功分器，节省天线的数量，同时提高LoRa通信模块的接收灵敏度，另一个LoRa通信模块单独使用一个LoRa天线接口。

所述LoRa智能网关在数据通信管理方法上，智能网关的LoRa通信模块首先需要自动检测，选择干扰性小的通信信道确定通信参数；LoRa通信模块的通信参数确定之后，允许终端设备接入，智能网关利用LoRa无线通信模块接收终端设备的注册连接指令，对终端设备进行身份验证，管理终端设备的接入。

智能网关支持终端设备的数据主动上报，同时支持周期性对终端设备进行数据查询，在这里两种方式下，均采用请求应答方式完成通信，智能网关定期给终端设备发送心跳指令来验证终端设备是否掉线情况。

智能网关提供蜂窝、以太网和北斗短报文三种通信链路和服务器通信，通信链路分优先级，设备能够智能自动切换通信链路，在所有通信链路断开的情况下，设备能够自动缓存数据，在通信链路恢复正常情况下，能够自动将缓存数据传输到服务器，同时在智能网关所管理的终端设备状态发生变化的情况下，能够将终端设备的离线情况反馈给服务器。

远程管理终端设备可输入管理指令进行智能网关的管理。远程管理终端设备可通过两种途径来管理智能网关，第一种远程管理终端通过智能网关的LoRa通信模块下发管理指令；第二种远程管理终端通过蜂窝、以太网或北斗短报文通信链路下发管理指令。远程管理终端可根据所述的管理指令对智能网关进行远程升级、设备重启、参数配置及状态管理的一种或多种；远程管理终端通过管理指令可以管理智能网关，也可以通过智能网关转发来管理终端设备。

本发明所采用的技术方案能够达到以下有益效果：本发明的智能网关集成了五个LoRa通信模块，四个模块作为接收模块，一个模块作为收发管理模块，接收通道和发送通道分离，有效地提升了智能网关传输效率，同时减小了信道的干扰；智能网关和服务器的通信提供三种通信链路，通信链路实现自动切换，增加数据缓存能力，有效地保证数据稳定可靠地传输；数据通信管理上，智能网关的LoRa通信模块自动选择通信信道，终端设备的接入过程实现自动化，极大地减少了人工成本；服务器远程能够有效地管控智能网关及网关对应的终端设备，可做到实时掌控设备的状态信息，提升了设备管理效率。

附图说明

图1是智能网关的应用示意图。

图2是智能网关的硬件系统结构图。

图3是智能网关的整个通信流程图。

图4是智能网关注册和数据通信过程。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本说明书的技术方案，下面将结合本说明书的附图，对本说明书中的技术方案进行清楚、完整地描述。

图1描述的是智能网关在场景应用上的示意图，智能网关作为终端设备和服务器之间的中心连接设备，终端设备和智能网关之间采用LoRa通信方式进行数据交互，在两者之间距离远无法满足数据通信要求的情况下，终端设备和智能网关之间支持一个或多个中继设备的接入来扩大智能网关和终端设备的通信距离；智能网关和服务器之间，采用蜂窝、以太网和北斗短报文三种通信链路，智能网关根据环境，智能自动选择最佳通信链路和服务器数据交互。

图2描述的是智能网关的硬件系统结构图。恩智浦LPC54606J512作为整个设备的主控单元，实现对整个外围模块的控制及系统管理。主控单元内部的存储用于存储配置参数，看门狗用来防止软件系统跑飞的情况；内部RTC给系统提供时间参数，用于数据存储和数据传输帧增加时间戳信息，RTC提供两种供电方式，智能网关外部供电的情况下，RTC电源由外部供电转换后供给，否则RTC由纽扣电池供电，确保RTC时钟不丢失。

智能网关的供电系统采用直流12伏电源供电，支持过压保护，反接保护，主板上集成了电源转换模块，将12伏电源转换成3.3伏、5伏和12伏供给其他模块，其中12V电源引出到外部接口。

硬件上包括五个LoRa通信模块，模块通过SPI接口和主控单元连接，同时主控单元可控制LoRa无线通信模块的电源，其中LoRa#1是LoRa通信的收发管理模块，在所有LoRa模块通信参数未确定的情况下，由该模块完成每个LoRa模块的通信参数的选择，之后本模块负责数据的发送，LoRa#1单独接入一根天线。LoRa#2~LoRa#5是LoRa网络通信的接收模块，四个模块共用一根天线，通过功分器将四个模块接入，同时增加一个低噪放提升LoRa的接收性能。

SD存储模块通过SDIO接口接入主控单元，用于远程升级存储固件文件，同时用于数据的缓存存储；状态指示灯用来指示系统的运行状态，包括电源指示、LoRa状态指示、网络通信指示以及故障指示。

上行通信链路支持蜂窝、以太网和北斗短报文三种通信链路，其中设备和北斗短报文之间的数据通信采用串口，北斗短报文由智能网关供电，智能网关控制北斗短报文的电源；蜂窝通信通过串口和主控单元连接，蜂窝通信模块接入两根天线，4G天线和定位天线，蜂窝通信模块提供通信和位置服务功能，以太网提供10/100M数据通信能力，可直接接入公网。

图3描述的是智能网关数据通信的流程图，智能网关进行数据通信需要完成以下三个步骤。

步骤一，LoRa通信模块进行通信参数选择，LoRa#1首先从系统参数中选择一个通信信道进行检测信道可用性，若信道被占用或信道的周边环境干扰性强，则自动跳转到下一个通信信道进行检测，直到信道可用，则将信道参数分配给一个LoRa通信模块，同理，选择其他可用信道，直到所有LoRa通信模块信道确定。

步骤二，终端设备通过信道扫描，当和智能网关的某个LoRa通信模块匹配时，进行注册入网接入智能网关，得到智能网关的身份验证后即接入成功。

步骤三，终端设备和智能网关建立连接，同时智能网关和服务器建立连接的情况下，三者就可以进行数据交互。

图4描述的是智能网关注册和数据通信过程。终端设备选择一个通信信道尝试着发送注册申请指令，若终端设备超时未收到响应，则说明终端设备和智能网关的信道不匹配，终端设备选择下一个信道尝试发送注册申请指令。当智能网关接收到注册申请指令后，在智能网关内部对终端设备进行身份验证是否有登记记录，然后将注册申请响应反馈给终端设备。注册申请响应反馈的数据信息中携带智能网关数据收发信道的参数信息。终端设备在注册申请成功的情况下，获取到了智能网关最终的收发通信参数，然后就根据所获取到的通信参数，发送就绪申请指令，终端设备在得到智能网关的就绪申请响应后，则整个入网过程完成，终端设备和智能网关就可以进行数据通信。通信过程中，智能网关周期性向终端设备发起心跳指令来判断终端设备是否掉线，且智能网关记录终端设备状态。

智能网关和服务器间可进行双向通信，服务器通过管理指令可远程管理智能网关和终端设备。智能网关接收到服务器下发的管理指令后，若指令的作用对象是智能网关，则智能网关对自身进行管理操作，否则将通过LoRa通信模块将管理指令转发给对应的终端设备。

上行通信链路提供可选的三条通信链路，分别是全网通4G、北斗短报文和以太网，通信过程中，智能网关能够自适应地选择最佳通信链路，默认情况下采用4G通信方式和服务器进行通信，当检测到所使用的通信链路中断，智能自动切换到其他通信连路上。为了保证数据不丢失，在所有的通信链路中断情况下，智能网关能够将数据缓存到SD卡，当通信链路恢复正常的情况下，智能网关从SD卡提取数据，发送给服务器。

智能网关在数据通信管理上支持远程管理，服务器可直接下发指令数据，对智能网关和终端节点进行管理，包括远程升级、远程重启、远程复位、远程参数配置等。

Claims (9)

1.一种LoRa智能网关，其特征在于：所述LoRa智能网关以恩智浦LPC54606J512为主控模块，板卡集成LoRa通信模块、蜂窝通信模块、SD存储、纽扣电池、状态指示灯、以太网、RS485、RS232、电源输入输出模块及SWD，其中对外接口包括状态指示灯、RS232、RS485、以太网、电源输入模块、电源输出模块、SD卡槽、SIM卡槽、LoRa天线接口、蜂窝天线接口、定位天线接口，所述模块分别与设备的主控模块通过电路连接。

2.如权利要求1所述的LoRa智能网关，其特征在于：所述LoRa智能网关包括五个LoRa通信模块，其中四个LoRa通信模块用户数据的接收，另一个LoRa通信模块用于对终端设备的数据收发管理，在接收模块和管理模块的相互配合下，实现与多终端设备的双向通信。

3.如权利2所述的智能网关设备，其特征在于：所述LoRa智能网关内设有天线接口模块，所述天线接口模块包括LoRa天线接口、蜂窝天线接口以及定位天线接口；其中五个LoRa通信模块使用两个LoRa天线接口，其中四个LoRa通信模块共用同一个LoRa天线接口，四个LoRa通信模块和天线接口之间增加了低噪放和功分器，节省天线的数量，同时提高LoRa通信模块的接收灵敏度，另一个LoRa通信模块单独使用一个LoRa天线接口。

4.一种LoRa智能网关的数据通信管理方法，其特征在于，所述方法包括：

智能网关和终端设备之间通过LoRa网络建立连接的通信管理方法；

智能网关和终端设备在建立连接的基础上，进行数据通信的管理方法；

智能网关和服务器的数据通信管理方法；

远程管理终端发送远程控制指令管理智能网关的方法。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述智能网关和终端设备建立连接的通信管理方法包括：智能网关的LoRa通信模块在使用之前，首先需要通过自动检测，选择干扰性小的通信信道确定通信参数；在建立连接的管理过程上，利用LoRa通信模块，接收终端设备的注册连接指令，对终端设备进行身份验证，管理终端设备的接入。

6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述智能网关和终端设备的数据通信管理方法包括：智能网关支持终端设备的数据主动上报方式，智能网关周期性对终端设备进行数据查询方式，同时在这两种方式下，均采用请求应答模式完成通信。

7.如权利要求4所述的方法，其特征在于，智能网关和服务器的数据通信管理方法包括：智能网关提供蜂窝、以太网和北斗短报文三种通信链路和服务器通信，同时通信链路分优先级，设备能够智能自动切换通信链路；在所有通信链路断开的情况下，设备能够自动缓存数据，在通信链路恢复正常情况下，能够自动将缓存数据传输到服务器。

8.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述远程控制管理指令，包括：用户通过所述的远程管理终端输入管理指令进行智能网关的管理，远程管理终端包括手持式移动终端、服务器，手持式移动终端设备内置LoRa通信模块和智能网关通信，服务器通过公网和智能网关通信管理。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，远程管理指令，包括：由所述的远程管理终端根据所述的管理指令对智能网关进行远程升级、设备重启、参数配置及状态管理的一种或多种，同时远程管理终端能够管理智能设备，还可以通过智能设备管理终端设备。

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