CN111315041A - 支持LoRaWAN协议的全双工LoRa网关 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种支持LoRaWAN协议的全双工LoRa网关结构，其中上行LoRa通信模块可以接收LoRa终端节点发送的上行数据包，将上行数据包发送至ARM主控模块，ARM主控模块，接收上行LoRa通信模块中收到的上行数据包，将上行数据包递交给LoRa服务器，并接收LoRa服务器发送的下行数据包，并根据下行数据包的下行要求信息，确定下行时机，根据下行时机将下行数据包下发至第一下行LoRa通信模块或者第二下行LoRa通信模块，使第一下行LoRa通信模块和第二下行LoRa通信模块，分别用于在相应下行时机发送下行数据包；以实现支持LoRaWAN协议的全双工LoRa网关的精度和可靠性的提升。

Description

支持LoRaWAN协议的全双工LoRa网关

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种支持LoRaWAN协议的全双工LoRa网关。

背景技术

LoRa是一种新兴的低功耗广域网技术，它使用专有的扩频技术调制信号，用于远距离通信链路场景。LoRaWAN是为LoRa远距离通信网络设计的一套通讯协议和系统架构，它是一种媒体访问控制(MAC)层协议。

LoRaWAN支持3类终端设备，分别称为A、B、C类设备(Class A、B、C)，以满足各种物联网应用的不同需求。Class A是每个LoRa终端设备必须实现的基本类。它允许双向通信，其中每个终端设备的上行链路传输后有两个短的下行链路接收窗口，如图1所示：一旦上行链路传输完成，终端设备将在给定延时RXDelay1(通常为1秒)后打开接收窗口RX1，在给定延时RXDelay2(通常为2秒)后打开接收窗口RX2，以监听来自网关的下行链路传输。Class B除了A类终端设备随机上行链路传输后的接收窗口外，B类设备会在预定时间打开额外的接收窗口。Class C类设备实现了与A类设备相同的两个接收窗口，RX1和RX2的通信参数也分别与A类中定义的相同。但是C类设备是无休眠的，除了支持与A类设备相同的接收窗口外，其余时间均开启接收窗口RX2。

综上可知，为支持LoRaWAN协议双向通信，LoRa终端节点在发送完成后，需要分别在RXDelay1和RXDelay2时间后打开接收窗口RX1和RX2；LoRa网关需要在接收到数据包后，等待RXDelay1或RXDelay2时间，然后发送下行数据包。换言之，LoRa网关需要实现在给定时间戳发送数据包的需求。若所等待的时间不够精确，将导致LoRa终端节点无法接收到数据包，或产生过多能耗。另一方面，为支持Class B类设备，LoRa网关也需要实现立刻、在GPS脉冲边沿触发下行数据包发送的需求。

原生LoRa网关(采用SX1301作为基带芯片)对上述协议规则的实现原理如图2所示：SX1301原生网关内部维护了一个微秒级时钟(计数器)，一旦收到一个上行数据包，就会为其保存当前时间戳值，表示该数据包的接收时间。该上行数据包被递交给服务器端，经解析需要下发一个下行数据包给该LoRa终端节点时，服务器会将该上行数据包中的时间戳值加上RXDelay1或RXDe2秒，作为下行数据包的发送时间。SX1301原生网关收到服务器端的下行请求后，将对该下行数据包中的时间戳与当前微秒时钟进行比较，当它们的值相同时，将该下行数据包下发。由此，实现了LoRaWAN协议中精确地在给定时间戳下发信息的需求。

但是，原生LoRa网关是半双工的：处于接收模式时，不能发送数据；处于发送模式时，不能接收数据，由此导致LoRa原生网关数据传输效率低下，所支持的节点容量偏小。总之，原生LoRa网关实现了在给定时间戳发送下行数据包的需求，但是它是半双工的。

为实现LoRa网关能同时接收、发送数据的需求，在不修改芯片的情况下，易见需采用上、下行独立通信模块的方式实现。但是为了支持LoRaWAN协议，仍需实现在给定时间戳发送下行数据包的需求。现有技术主要采用以下两类方法，实现上述需求：1)调用延时函数。它的主要思想是首先获取当前上行LoRa通信模块的时间戳，并计算该值与下行数据包要求的下行时间戳之间的差值；其次通过调用延时函数，延时给定时间后触发下行数据包的发送。显然，该方法会导致较大下行数据时间误差，使得LoRa终端节点无法接收到下行的数据包，进而导致整个网络通信质量。2)利用2个LoRa原生网关。它的主要思想是首先将2个LoRa原生网关配置为相同的接收模式；当LoRa终端节点发送一个数据包时，若这2个LoRa原生网关均收到带各自时间戳的数据包，即可实现射频对时；其次将其中一个LoRa原生网关设置为发送模式，并在相应时间戳发送下行数据包。该方法会导致资源严重浪费，网关成本剧增。同时，随着LoRa网关的长时间运行以及频繁的下行需求，可能会造成2个LoRa原生网关的时钟偏差逐步增大，进而导致无法精确地在给定的时间戳下发数据包，影响LoRa网关的可靠性与稳定性。

综上所述，目前支持LoRaWAN协议的全双工LoRa网关的方案往往存在精度低、可靠性差的问题。

发明内容

针对以上问题，本发明提出一种支持LoRaWAN协议的全双工LoRa网关。

为实现本发明的目的，提供一种支持LoRaWAN协议的全双工LoRa网关，包括上行LoRa通信模块、第一下行LoRa通信模块、第二下行LoRa通信模块和ARM主控模块；

所述上行LoRa通信模块用于接收LoRa终端节点发送的上行数据包，将上行数据包发送至ARM主控模块；

ARM主控模块，用于接收上行LoRa通信模块中收到的上行数据包，将上行数据包递交给LoRa服务器；接收LoRa服务器发送的下行数据包，并根据下行数据包的下行要求信息，确定下行时机，根据下行时机将下行数据包下发至第一下行LoRa通信模块或者第二下行LoRa通信模块；

第一下行LoRa通信模块和第二下行LoRa通信模块，分别用于在相应下行时机发送下行数据包。

在一个实施例中，所述下行要求信息包括给定时间戳发送、立刻发送或GPS脉冲边沿。

作为一个实施例，上述支持LoRaWAN协议的全双工LoRa网关，还包括GPS模块；

所述GPS模块用于为ARM主控模块提供脉冲信号；

ARM主控模块识别到下行数据包的发送时机为给定时间戳发送时，通过上行LoRa通信模块中的时钟与下行主控MCU模块的时钟转化后，将给定时间戳和下行数据包发送至第一下行LoRa通信模块，使第一下行LoRa通信模块在给定时间戳发送下行数据包；识别到下行数据包的发送时机为立刻发送时，将下行数据包发送至第二下行LoRa通信模块，使第二下行LoRa通信模块立刻发送下行数据包；识别到下行数据包的发送时机为在GPS脉冲边沿触发发送时，将下行数据包发送至第二下行LoRa通信模块，由ARM主控模块接收到GPS模块的脉冲信号后，控制第二下行LoRa通信模块发送下行数据包。

作为一个实施例，上述支持LoRaWAN协议的全双工LoRa网关，还包括下行主控MCU模块；

所述下行主控MCU模块用于维护下行微秒级精度的时钟，并控制第一下行LoRa通信模块在给定时间戳发送下行数据包。

作为一个实施例，所述GPS模块还用于为上行LoRa通信模块和下行主控MCU模块提供脉冲信号；并为ARM主控模块提供GPS时间。

作为一个实施例，所述上行LoRa通信模块与ARM主控模块的通信接口为SPI；所述下行主控MCU模块与第一下行LoRa通信模块的通信接口为SPI；所述下行主控MCU模块与ARM主控模块的通信接口为SPI；所述第二下行LoRa通信模块与ARM主控模块的通信接口为SPI。

作为一个实施例，所述GPS模块与ARM主控模块的通信接口为串口。

作为一个实施例，所述GPS模块的PPS输出引脚分别与上行LoRa通信模块和下行主控MCU模块相连。

上述支持LoRaWAN协议的全双工LoRa网关结构中，上行LoRa通信模块可以接收LoRa终端节点发送的上行数据包，将上行数据包发送至ARM主控模块，ARM主控模块，接收上行LoRa通信模块中收到的上行数据包，将上行数据包递交给LoRa服务器，并接收LoRa服务器发送的下行数据包，并根据下行数据包的下行要求信息，确定下行时机，根据下行时机将下行数据包下发至第一下行LoRa通信模块或者第二下行LoRa通信模块，使第一下行LoRa通信模块和第二下行LoRa通信模块，分别用于在相应下行时机发送下行数据包；以实现支持LoRaWAN协议的全双工LoRa网关的精度和可靠性的提升。

附图说明

图1是基于LoRaWAN架构的通信示意图；

图2是原生LoRa网关的实现原理示意图；

图3是一个实施例的支持LoRaWAN协议的全双工LoRa网关结构示意图；

图4是另一个实施例的支持LoRaWAN协议的全双工LoRa网关结构示意图；

图5是示例1的实施方案示意图；

图6是示例2的实施方案示意图；

图7是示例3的实施方案示意图；

图8是示例4的实施方案示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

LoRa作为一种新兴的地功耗广域网技术，发展前景令人期待；支持LoRaWAN协议的全双工LoRa网关的设计与实现作为该通信方式中重要的问题之一值得人们关注。在此背景下，本申请针对原生LoRa网关无法实现全双工通信的问题，基于上、下行独立通信模块，利用GPS模块实现上、下行时钟微秒级同步，以达到上行时钟与下行时钟间转化的目的，从而实现精确地在给定时间戳下行的需求。另一方面，通过另一独立下行LoRa通信模块，实现对立刻或在GPS脉冲边沿触发数据包发送的需求。从而实现完全支持LoRaWAN协议的高精度高可靠全双工LoRa网关。

参考图3所示，图3为一个实施例的支持LoRaWAN协议的全双工LoRa网关结构示意图，包括上行LoRa通信模块11、第一下行LoRa通信模块12、第二下行LoRa通信模块13和ARM主控模块14；

所述上行LoRa通信模块11用于接收LoRa终端节点发送的上行数据包，将上行数据包发送至ARM主控模块14；

ARM主控模块14，用于接收上行LoRa通信模块11中收到的上行数据包，将上行数据包递交给LoRa服务器；接收LoRa服务器发送的下行数据包，并根据下行数据包的下行要求信息，确定下行时机，根据下行时机将下行数据包下发至第一下行LoRa通信模块12或者第二下行LoRa通信模块13；

第一下行LoRa通信模块12和第二下行LoRa通信模块13，分别用于在相应下行时机发送下行数据包。

具体地，下行数据包可以携带下行要求信息和下行配置信息；下行要求信息包括给定时间戳发送、立刻发送或GPS脉冲边沿发送；下行配置信息包括中心频率、扩频因子、编码率、带宽、和发送功率等。ARM主控模块14，还用于实现上行LoRa通信模块11与其他模块之间的时间同步；接收上行LoRa通信模块11中收到的上行数据包，并通过TCP/IP网络将其递交给LoRa服务器(图中未示出)；接收由LoRa服务器通过TCP/IP网络传输给本LoRa网关的携带有下行要求信息和下行配置信息的下行数据包，并根据该数据包的下行要求信息，确定下行时机：针对需要在所给定的时间戳发送的数据包，则通过上行LoRa通信模块11中的时钟，由第一下行LoRa通信模块12在给定时间戳进行发送；针对需要立刻发送的数据包，则由第二下行LoRa通信模块13进行立刻发送；针对需要在GPS脉冲边沿触发下行的数据包，则由ARM主控模块14接收到GPS的脉冲信号后，通过第二下行LoRa通信模块13发送。

上述支持LoRaWAN协议的全双工LoRa网关结构中，上行LoRa通信模块11可以接收LoRa终端节点发送的上行数据包，将上行数据包发送至ARM主控模块14，ARM主控模块14，接收上行LoRa通信模块11中收到的上行数据包，将上行数据包递交给LoRa服务器，并接收LoRa服务器发送的下行数据包，并根据下行数据包的下行要求信息，确定下行时机，根据下行时机将下行数据包下发至第一下行LoRa通信模块12或者第二下行LoRa通信模块13，使第一下行LoRa通信模块12和第二下行LoRa通信模块13，分别用于在相应下行时机发送下行数据包；以实现支持LoRaWAN协议的全双工LoRa网关的精度和可靠性的提升。

在一个实施例中，所述下行要求信息包括给定时间戳发送、立刻发送或GPS脉冲边沿。

作为一个实施例，支持LoRaWAN协议的全双工LoRa网关，还包括GPS模块；

所述GPS模块用于为ARM主控模块提供脉冲信号；

ARM主控模块识别到下行数据包的发送时机为给定时间戳发送时，通过上行LoRa通信模块中的时钟与下行主控MCU模块的时钟转化后，将给定时间戳和下行数据包发送至第一下行LoRa通信模块，使第一下行LoRa通信模块在给定时间戳发送下行数据包；识别到下行数据包的发送时机为立刻发送时，将下行数据包发送至第二下行LoRa通信模块，使第二下行LoRa通信模块立刻发送下行数据包；识别到下行数据包的发送时机为在GPS脉冲边沿触发发送时，将下行数据包发送至第二下行LoRa通信模块，由ARM主控模块接收到GPS模块的脉冲信号后，控制第二下行LoRa通信模块发送下行数据包。

作为一个实施例，支持LoRaWAN协议的全双工LoRa网关，还包括下行主控MCU模块；

所述下行主控MCU模块用于维护下行微秒级精度的时钟，并控制第一下行LoRa通信模块在给定时间戳发送下行数据包。

作为一个实施例，支持LoRaWAN协议的全双工LoRa网关，GPS模块还用于为上行LoRa通信模块和下行主控MCU模块提供脉冲信号；并为ARM主控模块提供GPS时间。

作为一个实施例，所述上行LoRa通信模块与ARM主控模块的通信接口为SPI(Serial Peripheral Interface)；所述下行主控MCU模块与第一下行LoRa通信模块的通信接口为SPI；所述下行主控MCU模块与ARM主控模块的通信接口为SPI；所述第二下行LoRa通信模块与ARM主控模块的通信接口为SPI。

作为一个实施例，所述GPS模块与ARM主控模块的通信接口为串口。

作为一个实施例，所述GPS模块的PPS输出引脚分别与上行LoRa通信模块和下行主控MCU模块相连。

在一个实施例中，上述支持LoRaWAN协议的全双工LoRa网关的结构示意图也可以参考图4所示，包括上行LoRa通信模块、第一下行LoRa通信模块、第二下行LoRa通信模块、下行主控MCU模块、GPS模块和ARM主控模块。上行LoRa通信模块用于接收由LoRa终端节点发送给本LoRa网关的上行数据包；第一下行LoRa通信模块，用于发送需要在给定时间戳下行的数据包。第二下行LoRa通信模块，用于发送需要立刻或在GPS脉冲边沿触发下行的数据包。下行主控MCU模块，用于维护下行微秒级精度的时钟，并控制需要在给定时间戳下行的数据包的发送。GPS模块，用于分别为上行LoRa通信模块、下行主控MCU模块、ARM主控模块提供秒脉冲；为ARM主控模块提供GPS时间。ARM主控模块，用于实现上行LoRa通信模块与下行主控MCU模块之间的时间同步；接收上行LoRa通信模块中收到的上行数据包，并通过TCP/IP网络将其递交给LoRa服务器；接收由LoRa服务器通过TCP/IP网络传输给本LoRa网关的携带有下行要求信息(给定时间戳发送、立刻发送或GPS脉冲边沿发送)和下行配置信息(中心频率、扩频因子、编码率、带宽、发送功率等)的下行数据包，并根据该数据包的下行要求信息，确定其下行时机：针对需要在所给定的时间戳发送的数据包，则通过上行LoRa通信模块中的时钟与下行主控MCU模块的时钟转化后，由第一下行LoRa通信模块在给定时间戳进行发送；针对需要立刻发送的下行数据包，则由第二下行LoRa通信模块进行立刻发送；针对需要在GPS脉冲边沿触发发送的下行数据包，则由ARM主控模块接收到GPS的脉冲信号后，通过第二下行LoRa通信模块发送。

优选地，所述上行LoRa通信模块，与ARM主控模块的通信接口为SPI(SerialPeripheral Interface)；所述下行主控MCU模块，与第一下行LoRa通信模块的通信接口为SPI；所述下行主控MCU模块，与ARM主控模块的通信接口也为SPI；所述GPS模块，与ARM主控模块的通信接口为串口；所述GPS模块的PPS输出引脚，分别与上行LoRa通信模块和下行主控MCU模块相连；所述第二下行LoRa通信模块，与ARM主控模块的通信接口为SPI。

在一个示例中，支持LoRaWAN协议的全双工LoRa网关在实际工作过程中，下行主控MCU模块的工作可以包括：

步骤1，初始化配置主控MCU模块：

步骤1-1，主控MCU模块内部维护微秒级精度的实时时钟。作为优选，可以使用MCU的RTC模块实现。

步骤1-2，配置RTC时间戳中断，当对应的外部中断引脚电平发生跳变时，触发RTC时间戳中断，并在中断处理函数中备份此刻的时钟计数值。

步骤1-3，配置下行主控MCU模块与ARM主控模块的通信接口。作为优选，在与ARM主控模块的通信接口中，下行主控MCU模块配置为SPI从机。

步骤1-4，配置下行主控MCU模块与第一下行LoRa通信模块的通信接口。作为优选，在与第一下行LoRa通信模块的通信接口中，下行主控MCU模块配置为SPI主机。

步骤2，若下行主控MCU模块收到ARM主控模块发送的下行数据包以及对应的下行时间戳和下行配置信息(如中心频率、扩频因子、编码率、带宽、发送功率等)，则下行主控MCU将为该数据包的发送进行配置：

步骤2-1，下行主控MCU根据所给的下行时间戳，配置RTC可编程闹钟；

步骤2-2，下行主控MCU根据所给的下行配置信息，通过与第一下行LoRa通信模块的接口，对第一下行LoRa通信模块进行配置；

步骤3，当所设定的RTC可编程闹钟响起，则下行主控MCU将触发该数据包的发送。

相应地，支持LoRaWAN协议的全双工LoRa网关在实际工作过程中，ARM主控模块的工作主要包括以下步骤：

步骤1，配置ARM主控模块与上行LoRa通信模块的通信接口，并配置上行LoRa通信模块为接收模式；实现ARM主控模块对上行数据包的获取；实现ARM主控模块获取上行LoRa通信模块中的时钟计数值。作为优选，在与上行LoRa通信模块的通信接口中，ARM主控模块配置为SPI主机。

步骤2，配置ARM主控模块与下行主控MCU模块的通信接口，实现ARM主控模块对下行主控MCU模块中保存的时间戳值的获取。作为优选，在与下行主控MCU模块的通信接口中，ARM主控模块配置为SPI主机。

步骤3，配置ARM主控模块与第二下行LoRa通信模块的通信接口。作为优选，在与第二下行LoRa通信模块的通信接口中，ARM主控模块配置为SPI主机。

步骤4，配置ARM主控模块与GPS的通信接口，实现对GPS消息的解析，并获取GPS时间。作为优选，ARM主控模块配置为串口。

步骤5，ARM主控模块在解析到GPS时间后，分别获取上行LoRa通信模块、下行主控MCU模块在GPS秒脉冲到达时所保存的时钟数值，从而实现上述三个时钟的同步。

步骤6，若ARM主控模块接收到由LoRa服务器通过TCP/IP网络传输给本LoRa网关的携带有下行要求信息(给定时间戳发送、立刻发送或GPS脉冲边沿发送)和下行配置信息(中心频率、扩频因子、编码率、带宽、发送功率等)的下行数据包，则ARM主控模块将根据该数据包的下行要求信息，确定其发送时机：

步骤6-1，针对需要在所给定的时间戳发送的数据包，将该时间戳值转化为下行时间戳，并将该下行数据包以及对应的下行时间戳和下行配置信息(中心频率、扩频因子、编码率、带宽、发送功率等)发送给下行主控MCU，由其负责该类数据包的发送。

步骤6-2，针对需要立刻发送的数据包，ARM主控模块通过第二下行LoRa通信模块的接口，立刻发送该类数据包。

步骤6-3，针对需要在GPS脉冲边沿触发下行的数据包，ARM主控模块在检测到与GPS秒脉冲引脚相连的GPIO发生电平跳变时，通过第二下行LoRa通信模块的接口，发送该类数据包。

本实施例主要解决在采用上、下行独立通信模块的全双工LoRa网关中，针对需要在所给定的时间戳下行的数据包，如何精确地、可靠地在给定时间戳发送数据包；另一方面，为完全支持LoRaWAN协议，也需要支持能够立刻或在GPS脉冲边沿触发下行数据包的发送。基于上行LoRa通信模块(采用SX1301作为基带芯片)自身特性，采用GPS实现上、下行时钟微秒级同步的方法，达到上行时钟与下行时钟间转化的目的，从而实现精确地在给定时间戳下行的需求。与现有研究、技术相比，本实施例所提出的方法具有更高的时钟同步精度，更稳定的同步频率，更可靠的下行成功概率。

本实施例的有效效果在于：通过采用GPS实现上、下行时钟微秒级同步的方法，达到上行时钟与下行时钟间转化的目的，从而实现精确地在给定时间戳发送下行数据包的需求。另一方面，本发明也支持立刻或在GPS脉冲边沿触发下行数据包的发送需求。从而实现对LoRaWAN协议的完全支持。具体包括如下优点：

1、本发明能够实现微秒级上、下行时钟同步与时钟转化。

2、所提出的时钟同步方法具有高可靠性、高稳定性。

3、利用一个下行主控MCU实现上、下行时钟的同步，为有效解决支持LoRaWAN协议的全双工LoRa网关提供了新思路。

4、提出的支持LoRaWAN协议的高精度高可靠全双工LoRa网关，具有低成本、低实现复杂度的特点，可以适用于大规模LoRa网关的场景中。

5、模块化的设计使得系统的各个组件之间耦合度较低，各个模块之间交互简单，可以灵活适应新的需求和扩展。

在一个实施例中，通过多个示例进一步对支持LoRaWAN协议的全双工LoRa网关进行说明，以使本领域技术人员更为准确完整地理解本申请提供的支持LoRaWAN协议的全双工LoRa网关。

示例1

图5所示的实施例是本申请中支持LoRaWAN协议的高精度高可靠全双工LoRa网关的优选实施方案。其中，上行LoRa通信模块使用Semtech公司的SX1301作为基带芯片，对应前端采用SX1255、SX1257芯片。该模块将始终被配置为接收模式，以实现对LoRa终端节点上行数据包的接收。第一下行LoRa通信模块使用Semtech公司的SX1276/7/8芯片进行数据包下行。第二下行LoRa通信模块也使用Semtech公司的SX1276/7/8芯片进行数据包的下行。下行主控MCU模块使用单片机实现。ARM主控模块使用树莓派实现。

上行LoRa通信模块中SX1301芯片的SPI接口与树莓派的一个SPI接口相连；第二下行LoRa通信模块中SX1276/7/8芯片的SPI接口与树莓派的另一个SPI接口相连；MCU的一个SPI接口与树莓派的另一个SPI接口相连；第一下行LoRa通信模块中SX1276/7/8芯片的SPI接口与MCU的另一个SPI接口相连；GPS的串口与树莓派的串口相连；GPS的PPS引脚分别与SX1301芯片的GPS引脚、MCU的时间戳中断引脚、树莓派一空闲GPIO引脚相连。

针对MCU(下行主控MCU模块)，需要实现的工作主要包括以下步骤：

步骤1，初始化配置MCU：

步骤1-1，MCU使用RTC模块维护微秒级精度的实时时钟。

步骤1-2，配置RTC时间戳中断，当GPS的PPS引脚电平发生跳变时，触发RTC时间戳中断，并在中断处理函数中备份此刻的时钟计数值。

步骤1-3，配置MCU与树莓派的通信接口为SPI从机。

步骤1-4，配置MCU与第一下行LoRa通信模块中SX1276/7/8的通信接口为SPI主机。

步骤2，若MCU收到树莓派发送的下行数据包以及对应的下行时间戳和下行配置信息(如中心频率、扩频因子、编码率、带宽、发送功率等)，则MCU将为该数据包的发送进行配置：

步骤2-1，MCU根据所给的下行时间戳，配置RTC可编程闹钟；

步骤2-2，MCU根据所给的下行配置信息，对第一下行LoRa通信模块进行配置；

步骤3，当所设定的RTC可编程闹钟响起，则MCU将触发该数据包的发送。

针对树莓派模块，需要实现的工作主要包括以下步骤：

步骤1，配置树莓派与SX1301的通信接口为SPI主机，并配置SX1301为接收模式，以实现树莓派对上行数据包的获取；实现树莓派获取SX1301中的时钟计数值。

步骤2，配置树莓派与MCU的通信接口为SPI主机，实现树莓派对MCU中保存的时间戳值的获取。

步骤3，配置树莓派与第二下行LoRa通信模块中SX1276/7/8的通信接口为SPI主机。

步骤4，配置树莓派与GPS的通信接口为串口，实现对GPS消息的解析，并获取GPS时间。

步骤5，树莓派在解析到GPS时间后，分别获取SX1301、MCU在GPS秒脉冲到达时所保存的时钟数值，从而实现上述三个时钟的同步。

步骤6，若树莓派接收到由LoRa服务器通过TCP/IP网络传输给本LoRa网关的携带有下行要求信息(给定时间戳发送、立刻发送或GPS脉冲边沿发送)和下行配置信息(中心频率、扩频因子、编码率、带宽、发送功率等)的下行数据包，则树莓派将根据该数据包的下行要求信息，确定其发送时机：

步骤6-1，针对需要在所给定的时间戳发送的数据包，将该时间戳值转化为下行时间戳，并将该下行数据包以及对应的下行时间戳和下行配置信息(中心频率、扩频因子、编码率、带宽、发送功率等)发送给MCU，由其负责该类数据包的发送。

步骤6-2，针对需要立刻发送的数据包，树莓派通过第二下行LoRa通信模块的SPI接口，立刻发送该类数据包。

步骤6-3，针对需要在GPS脉冲边沿触发下行的数据包，树莓派在检测到与GPS秒脉冲引脚相连的GPIO发生电平跳变时，通过第二下行LoRa通信模块的SPI接口，发送该类数据包。

示例2

图6所示的实施例是本发明的简化实施方案之一。该简化实施方案与图5的优选实施方案(示例1)的区别在：图6中所有下行数据包均由第二下行LoRa通信模块发送。

具体的实施方式：上行LoRa通信模块使用Semtech公司的SX1301作为基带芯片，对应前端采用SX1255、SX1257芯片。该模块将始终被配置为接收模式，以实现对LoRa终端节点上行数据包的接收。第二下行LoRa通信模块使用Semtech公司的SX1276/7/8芯片进行数据包的下行。下行主控MCU模块使用单片机实现。ARM主控模块使用树莓派实现。

上行LoRa通信模块中SX1301芯片的SPI接口与树莓派的一个SPI接口相连；第二下行LoRa通信模块中SX1276/7/8芯片的SPI接口与树莓派的另一个SPI接口相连；MCU的一个SPI接口与树莓派的另一个SPI接口相连；MCU的一个GPIO引脚与树莓派的一个GPIO引脚相连；GPS的串口与树莓派的串口相连；GPS的PPS引脚分别与SX1301芯片的GPS引脚、MCU的时间戳中断引脚、树莓派一空闲GPIO引脚相连。

针对MCU，需要实现的工作主要包括以下步骤：

步骤1，初始化配置MCU：

步骤1-1，MCU使用RTC模块维护微秒级精度的实时时钟。

步骤1-2，配置RTC时间戳中断，当GPS的PPS引脚电平发生跳变时，触发RTC时间戳中断，并在中断处理函数中备份此刻的时钟计数值。

步骤1-3，配置MCU与树莓派的通信接口为SPI从机。

步骤1-4，配置MCU与树莓派连接的GPIO为输出模式，当所设定的时间戳到时，在该GPIO中触发电平跳变。

步骤2，若MCU收到树莓派发送的下行时间戳，则MCU将根据所给的下行时间戳，配置RTC可编程闹钟。

步骤3，当所设定的RTC可编程闹钟响起，则MCU将触发步骤1-4中的GPIO电平跳变。

针对树莓派模块，需要实现的工作主要包括以下步骤：

步骤1，配置树莓派与SX1301的通信接口为SPI主机，并配置SX1301为接收模式，以实现树莓派对上行数据包的获取；实现树莓派获取SX1301中的时钟计数值。

步骤2，配置树莓派与MCU的通信接口为SPI主机，实现树莓派对MCU中保存的时间戳值的获取。

步骤3，配置树莓派与第二下行LoRa通信模块中SX1276/7/8的通信接口为SPI主机。

步骤4，配置树莓派与GPS的通信接口为串口，实现对GPS消息的解析，并获取GPS时间。

步骤5，树莓派在解析到GPS时间后，分别获取SX1301、MCU在GPS秒脉冲到达时所保存的时钟数值，从而实现上述三个时钟的同步。

步骤6，若树莓派接收到由LoRa服务器通过TCP/IP网络传输给本LoRa网关的携带有下行要求信息(给定时间戳发送、立刻发送或GPS脉冲边沿发送)的下行数据包，则树莓派将根据该数据包的下行要求信息，确定其发送时机：

步骤6-1，针对需要在所给定的时间戳发送的数据包，将该时间戳值转化为下行时间戳，并将该下行时间戳发送给MCU。当MCU的GPIO电平发生跳变时，树莓派将该数据包通过第二下行LoRa通信模块的SPI接口发。

步骤6-2，针对需要立刻发送的数据包，树莓派通过第二下行LoRa通信模块的SPI接口，立刻发送该类数据包。

步骤6-3，针对需要在GPS脉冲边沿触发下行的数据包，树莓派在检测到与GPS秒脉冲引脚相连的GPIO发生电平跳变时，通过第二下行LoRa通信模块的SPI接口，发送该类数据包。

示例3

图7所示的实施例是本发明的简化实施方案之一。该简化实施方案与图5的优选实施方案(示例1)的区别在：图7中所有下行数据包均由第一下行LoRa通信模块发送。

具体的实施方式：上行LoRa通信模块使用Semtech公司的SX1301作为基带芯片，对应前端采用SX1255、SX1257芯片。该模块将始终被配置为接收模式，以实现对LoRa终端节点上行数据包的接收。第一下行LoRa通信模块使用Semtech公司的SX1276/7/8芯片进行数据包下行。下行主控MCU模块使用单片机实现。ARM主控模块使用树莓派实现。

上行LoRa通信模块中SX1301芯片的SPI接口与树莓派的一个SPI接口相连；MCU的一个SPI接口与树莓派的另一个SPI接口相连；第一下行LoRa通信模块中SX1276/7/8芯片的SPI接口与MCU的另一个SPI接口相连；GPS的串口与树莓派的串口相连；GPS的PPS引脚分别与SX1301芯片的GPS引脚、MCU的时间戳中断引脚相连。

针对MCU，需要实现的工作主要包括以下步骤：

步骤1，初始化配置MCU：

步骤1-1，MCU使用RTC模块维护微秒级精度的实时时钟。

步骤1-2，配置RTC时间戳中断，当GPS的PPS引脚电平发生跳变时，触发RTC时间戳中断，并在中断处理函数中备份此刻的时钟计数值。

步骤1-3，配置MCU与树莓派的通信接口为SPI从机。

步骤1-4，配置MCU与第一下行LoRa通信模块中SX1276/7/8的通信接口为SPI主机。

步骤2，若MCU收到树莓派发送的下行数据包以及对应的下行要求信息(给定时间戳发送、立刻发送或GPS脉冲边沿发送)和下行配置信息(中心频率、扩频因子、编码率、带宽、发送功率等)，则MCU将根据该数据包的下行要求信息，为该数据包的发送进行配置：

步骤2-1，针对下行要求信息为给定时间戳发送时，MCU根据所给的下行时间戳，配置RTC可编程闹钟；根据所给的下行配置信息，对第一下行LoRa通信模块进行配置；当所设定的RTC可编程闹钟响起，则MCU将触发该数据包的发送；

步骤2-2，针对下行要求信息为立刻发送时，MCU将立刻发送该类数据包；

步骤2-3，针对下行要求信息为GPS脉冲边沿发送时，MCU在检测到步骤1-2中的GPIO发生电平跳变时，发送该类数据包。

针对树莓派模块，需要实现的工作主要包括以下步骤：

步骤1，配置树莓派与SX1301的通信接口为SPI主机，并配置SX1301为接收模式，以实现树莓派对上行数据包的获取；实现树莓派获取SX1301中的时钟计数值。

步骤2，配置树莓派与MCU的通信接口为SPI主机，实现树莓派对MCU中保存的时间戳值的获取。

步骤3，配置树莓派与GPS的通信接口为串口，实现对GPS消息的解析，并获取GPS时间。

步骤4，树莓派在解析到GPS时间后，分别获取SX1301、MCU在GPS秒脉冲到达时所保存的时钟数值，从而实现上述三个时钟的同步。

步骤5，若树莓派接收到由LoRa服务器通过TCP/IP网络传输给本LoRa网关的携带有下行要求信息(给定时间戳发送、立刻发送或GPS脉冲边沿发送)和下行配置信息(中心频率、扩频因子、编码率、带宽、发送功率等)的下行数据包，则树莓派将检查该数据包：若其下行要求信息为给定时间戳发送时，则将该时间戳值转化为下行时间戳。

步骤6，树莓派将该下行数据包传输给MCU，由其负责该数据包的发送。

示例4

图8所示的实施例是本发明的简化实施方案之一。该简化实施方案与图5的优选实施方案(示例1)的区别在：图7不使用GPS产生秒脉冲，而是由ARM主控模块产生该脉冲。由于未使用GPS，该实施例无法支持在GPS脉冲边沿触发发送数据包。

具体的实施方式：上行LoRa通信模块使用Semtech公司的SX1301作为基带芯片，对应前端采用SX1255、SX1257芯片。该模块将始终被配置为接收模式，以实现对LoRa终端节点上行数据包的接收。第一下行LoRa通信模块使用Semtech公司的SX1276/7/8芯片进行数据包下行。第二下行LoRa通信模块也使用Semtech公司的SX1276/7/8芯片进行数据包的下行。下行主控MCU模块使用单片机实现。ARM主控模块使用树莓派实现。

上行LoRa通信模块中SX1301芯片的SPI接口与树莓派的一个SPI接口相连；第二下行LoRa通信模块中SX1276/7/8芯片的SPI接口与树莓派的另一个SPI接口相连；MCU的一个SPI接口与树莓派的另一个SPI接口相连；第一下行LoRa通信模块中SX1276/7/8芯片的SPI接口与MCU的另一个SPI接口相连；树莓派的一个GPIO引脚分别与SX1301的GPS引脚、MCU的时间戳中断引脚相连。

针对MCU，需要实现的工作主要包括以下步骤：

步骤1，初始化配置MCU：

步骤1-1，MCU使用RTC模块维护微秒级精度的实时时钟。

步骤1-2，配置RTC时间戳中断，当与树莓派相连的GPIO引脚的电平发生跳变时，触发RTC时间戳中断，并在中断处理函数中备份此刻的时钟计数值。

步骤1-3，配置MCU与树莓派的通信接口为SPI从机。

步骤1-4，配置MCU与第一下行LoRa通信模块SX1276/7/8通信接口为SPI主机。

步骤2，若MCU收树莓派发送的下行数据包以及对应的下行时间戳和下行配置信息(如中心频率、扩频因子、编码率、带宽、发送功率等)，则MCU将为该数据包的发送进行配置：

步骤2-1，MCU根据所给的下行时间戳，配置RTC可编程闹钟；

步骤2-2，MCU根据所给的下行配置信息，对第一下行LoRa通信模块进行配置；

步骤3，当所设定的RTC可编程闹钟响起，则MCU将触发该数据包的发送。

针对树莓派模块，需要实现的工作主要包括以下步骤：

步骤1，配置树莓派与SX1301的通信接口为SPI主机，并配置SX1301为接收模式，以实现树莓派对上行数据包的获取；实现树莓派获取SX1301中的时钟计数值。

步骤2，配置树莓派与MCU的通信接口为SPI主机，实现树莓派对MCU中保存的时间戳值的获取。

步骤3，配置树莓派与第二下行LoRa通信模块中SX1276/7/8的通信接口为SPI主机。

步骤4，配置树莓派与MCU、SX1301相连的GPIO引脚为输出模式，并控制该引脚电平每隔一段时间(如1秒)发送一次跳变。

步骤5，树莓派分别获取SX1301、MCU在GPIO脉冲到达时所保存的时钟数值，从而实现上述三个时钟的同步。

步骤6，若树莓派接收到由LoRa服务器通过TCP/IP网络传输给本LoRa网关的携带有下行要求信息(给定时间戳发送、立刻发送或GPS脉冲边沿发送)和下行配置信息(中心频率、扩频因子、编码率、带宽、发送功率等)的下行数据包，则树莓派将根据该数据包的下行要求信息，确定其发送时机：

步骤6-1，针对需要在给定时间戳发送的数据包，将该时间戳值转化为下行时间戳，并将该下行数据包以及对应的下行时间戳和下行配置信息(中心频率、扩频因子、编码率、带宽、发送功率等)发送给MCU，由其负责该类数据包的发送。

步骤6-2，针对需要立刻发送的数据包，树莓派通过第二下行LoRa通信模块的SPI接口，立刻发送该类数据包。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

需要说明的是，本申请实施例所涉及的术语“第一\第二\第三”仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，“第一\第二\第三”在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序。应该理解“第一\第二\第三”区分的对象在适当情况下可以互换，以使这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

本申请实施例的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或模块的过程、方法、装置、产品或设备没有限定于已列出的步骤或模块，而是可选地还包括没有列出的步骤或模块，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或模块。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种支持LoRaWAN协议的全双工LoRa网关，其特征在于，包括上行LoRa通信模块、第一下行LoRa通信模块、第二下行LoRa通信模块和ARM主控模块；

所述上行LoRa通信模块用于接收LoRa终端节点发送的上行数据包，将上行数据包发送至ARM主控模块；

ARM主控模块，用于接收上行LoRa通信模块中收到的上行数据包，将上行数据包递交给LoRa服务器；接收LoRa服务器发送的下行数据包，并根据下行数据包的下行要求信息，确定下行时机，根据下行时机将下行数据包下发至第一下行LoRa通信模块或者第二下行LoRa通信模块；

第一下行LoRa通信模块和第二下行LoRa通信模块，分别用于在相应下行时机发送下行数据包。

2.根据权利要求1所述的支持LoRaWAN协议的全双工LoRa网关，其特征在于，所述下行要求信息包括给定时间戳发送、立刻发送或GPS脉冲边沿。

3.根据权利要求2所述的支持LoRaWAN协议的全双工LoRa网关，其特征在于，还包括GPS模块；

所述GPS模块用于为ARM主控模块提供脉冲信号；

ARM主控模块识别到下行数据包的发送时机为给定时间戳发送时，通过上行LoRa通信模块中的时钟与下行主控MCU模块的时钟转化后，将给定时间戳和下行数据包发送至第一下行LoRa通信模块，使第一下行LoRa通信模块在给定时间戳发送下行数据包；识别到下行数据包的发送时机为立刻发送时，将下行数据包发送至第二下行LoRa通信模块，使第二下行LoRa通信模块立刻发送下行数据包；识别到下行数据包的发送时机为在GPS脉冲边沿触发发送时，将下行数据包发送至第二下行LoRa通信模块，由ARM主控模块接收到GPS模块的脉冲信号后，控制第二下行LoRa通信模块发送下行数据包。

4.根据权利要求3所述的支持LoRaWAN协议的全双工LoRa网关，其特征在于，还包括下行主控MCU模块；

所述下行主控MCU模块用于维护下行微秒级精度的时钟，并控制第一下行LoRa通信模块在给定时间戳发送下行数据包。

5.根据权利要求4所述的支持LoRaWAN协议的全双工LoRa网关，其特征在于，所述GPS模块还用于为上行LoRa通信模块和下行主控MCU模块提供脉冲信号；并为ARM主控模块提供GPS时间。

6.根据权利要求5所述的支持LoRaWAN协议的全双工LoRa网关，其特征在于，所述上行LoRa通信模块与ARM主控模块的通信接口为SPI；所述下行主控MCU模块与第一下行LoRa通信模块的通信接口为SPI；所述下行主控MCU模块与ARM主控模块的通信接口为SPI；所述第二下行LoRa通信模块与ARM主控模块的通信接口为SPI。

7.根据权利要求5所述的支持LoRaWAN协议的全双工LoRa网关，其特征在于，所述GPS模块与ARM主控模块的通信接口为串口。

8.根据权利要求5所述的支持LoRaWAN协议的全双工LoRa网关，其特征在于，所述GPS模块的PPS输出引脚分别与上行LoRa通信模块和下行主控MCU模块相连。

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