CN111405383B - 一种基于LBT的KR920-923MHz的LoRaWAN物联网网关 - Google Patents

一种基于LBT的KR920-923MHz的LoRaWAN物联网网关 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于LBT的KR920‑923MHz的LoRaWAN物联网网关，包括机械结构部分和电子电路部分，电子电路部分包括主控系统和供电系统，所述主控系统分别与LoRa射频单元、LBT单元、定位授时单元、声光报警单元、时钟单元、监控单元、传感器单元和以太网单元相连，所述LoRa射频单元和LBT单元分别设有天线，所述以太网单元与服务器相连，所述供电系统与各单元相连。通过将LBT电路和主要的射频回路独立，各自使用自身相连的天线，使得两部分电路相互独立，互不影响，使网关在符合安全通信要求的基础上实现了LBT功能，确保接收机灵敏度不受LBT电路的影响，有效提高了网关的灵敏度和可靠性，高性能的滤波电路使得网关满足KC认证针对射频发送杂散指标的要求。

Description

一种基于LBT的KR920-923MHz的LoRaWAN物联网网关
技术领域
本发明涉及网络通信领域，尤其涉及一种基于LBT的KR920-923MHz的LoRaWAN物联网网关。
背景技术
在LoRaWAN的KR920-923MHz的频段上，安全通信规则要求通过控制工作周期限制或者LBT(Listen Before Talk)方式规范信道访问规则，但KC认证中对于射频的辐射杂散要求大于25mW的射频设备在904-915MHz的频段范围内的杂散指标小于-76dBm。目前KR920-923MHz ISM的LoRaWAN较为通用的解决方案是使用FPGA、SX1272或者FPGA、SX1276方案实现LBT功能，即，在接收回路中直接并入一路射频接收通路用于LBT。此种方法虽然实现了LBT功能，但是会在接收回路中造成LoRa有效接收信号的强度的损失，同时带来噪声系数的增加，造成接收灵敏度的损失，而且发送无法满足KC认证中针对射频发送杂散指标的要求。
发明内容
本发明主要解决原有的技术方案会在接收回路中造成LoRa有效接收信号的强度的损失，同时带来噪声系数的增加，造成接收灵敏度的损失以及结局KC认证中的针对发送杂散的要求的技术问题，提供一种基于LBT的KR920-923MHz的LoRaWAN物联网网关，通过将LBT电路和主要的射频回路独立，各自使用自身相连的天线，使得两部分电路相互独立，互不影响，使网关在满足安全通信要求的基础上实现了LBT功能，确保接收机灵敏度不受LBT电路的影响，有效提高了网关的灵敏度和可靠性，满足KC认证针对射频发送杂散指标的要求。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：本发明包括机械结构部分和电子电路部分，电子电路部分包括主控系统和供电系统，所述主控系统分别与LoRa射频单元、LBT单元、定位授时单元、声光报警单元、时钟单元、监控单元、传感器单元和以太网单元相连，所述LoRa射频单元和LBT单元分别设有天线，所述以太网单元与服务器相连，所述供电系统与各单元相连。主控系统用于控制LoRa射频单元、LBT单元、定位授时单元、声光报警系统、时钟单元、系统监控单元、传感器单元、扩展接口部分和以太网单元并进行信息交互。LoRa射频单元和LBT单元分别与不同天线相连使得两部分电路相互独立，互不影响。供电系统用于将外部的高压直流电转换为内部需要的电压。
作为优选，所述的机械结构部分包括铝合金金属外壳，所述铝合金金属外壳上设有电源接口、射频接口、以太网接口和网关固定结构，电源接口与供电系统相连，射频接口与LoRa射频单元相连，以太网接口与以太网单元相连，所述机械结构部分具备IP67的防水等级。铝合金外壳有效屏蔽外部干扰信号同时降低向外辐射射频干扰信号，电源接口、射频接口和以太网接口用于连接各个设备，网关固定结构用于将网关固定在墙面或者设备上，IP67的防水等级防止网关受水分侵蚀产生故障。
作为优选，所述的主控系统包括最高1GHz主频的Cortex-A8的CPU，512MB的DDR3RAM，8GB eMMC，并且运行linux操作系统。确保主控系统可以在工业全温度范围内可靠运行，具有在线升级操作系统和APP功能。
作为优选，所述的供电系统包括DC/DC转换器和LDO(low dropout regulator低压差线性稳压器)，所述DC/DC转换器输入端与外部直流电源相连，DC/DC转换器输出端与LDO相连。本技术方案网关属于直流供电，外部直流电源为供电系统供电，在网关内部根据各个单元的情况分别单独供电。供电系统首先使用DC/DC转换器将外部的高压直流电降到低的电压，然后使用LDO(low dropout regulator低压差线性稳压器)转换为3.3V供数字部分使用。
作为优选，所述的LoRa射频单元包括LoRa网关基带芯片U3和两片与之外接的芯片SX1257，LoRa网关基带芯片U3采用SX1301芯片1，LoRa网关基带芯片U3的1脚、6脚、7脚、10脚、11脚均接地，LoRa网关基带芯片U3的2脚、3脚、4脚、5脚与LBT单元相连，LoRa网关基带芯片U3的8脚经并联的电容C16和C17后接地，LoRa网关基带芯片U3的9脚经电阻R16后与GPS相连的同时经电阻R19后接地，LoRa网关基带芯片U3的12脚经电容C18后接地，LoRa网关基带芯片U3的13脚经过电阻R21后在与RADIO EN A引脚相连的同时经过电容C23接地，LoRa网关基带芯片U3的14脚经过电阻R24后在与LNA EN A引脚相连的同时经过电容C24接地，LoRa网关基带芯片U3的15脚与PA EN A引脚相连，LoRa网关基带芯片U3的16脚接地，LoRa网关基带芯片U3的17脚、18脚与供电系统相连，LoRa网关基带芯片U3的19脚、20脚、21脚、22脚与芯片SX1257A相连，LoRa网关基带芯片U3的23脚与电源相连的同时和接地的24脚之间串联电容C27，LoRa网关基带芯片U3的25脚与监控单元相连，LoRa网关基带芯片U3的29脚依次连接电阻R25和电容C26并接地，LoRa网关基带芯片U3的30脚、31脚、32脚、33脚、34脚接地，35脚经电阻R17与IRXD B相连，36脚经电阻R15与供电系统相连，39脚经电阻R14与时钟单元相连，LoRa网关基带芯片U3的40脚、41脚接地，42脚经过电容C15接地，43脚经过电阻R13与定位授时单元相连，44脚、45脚、46脚、47脚分别经过电阻R10、R9、R8、R7与芯片SX1257相连，48脚、49脚、50脚、51脚经过并联的电容C6和C7与直流端相连，52脚经过并联的电容C6和C7接地，54脚、55脚、56脚、57脚、58脚与LBT单元，59脚接地，60脚经过电容C4接地，61脚、62脚、63脚、64脚与芯片SX1257B相连，所述LoRa射频单元通过SPI接口和DIO接口与主控系统相连并进行数据交换，所述LoRa射频单元的射频发射回路中包括高性能的腔体滤波器。高性能的腔体滤波器确保杂散参数满足相应的KC认证指标同时又有较低的插入损耗。
作为优选，所述的LBT单元包括通讯芯片M1，通讯芯片M1的1脚、2脚接地，接插件P1的1脚经过电容C5接地的同时与经过电容C4接地的13脚相连，接插件P1的2脚与5.4脚相连，接插件P1的3脚与接插件P3的3脚相连，接插件P1的4脚与17脚相连的同时接地，接插件P1的5脚经过电阻R2与18脚相连，接插件P1的6脚经过电阻R1与19脚相连，接插件P2的1脚与直流端相连，接插件P2的2脚接地，接插件P2的3脚经过电阻R3与9脚相连，接插件P2的4脚经过电阻R4与10脚相连，接插件P2的5脚经过电阻R5与14脚相连，接插件P3的1脚接地，接插件P3的2脚与直流端相连，通讯芯片M1的6脚、12脚、20脚、21脚接地，22脚经过电容C1与天线相连，接插件P1、P2和P3分别与主控系统1、LoRa射频单元3相连。
作为优选，所述的以太网单元包括PHY芯片和以太网变压器，以太网单元与主控系统通过MII接口相连并进行数据通信，所述MII接口设有保护电路。以太网单元能够实现10/100M的数据交互能力，保护电路用于保证以太网在外部干扰下可以正常的运行，增强系统的可靠性。
作为优选，所述的时钟单元设有备用电源。备用电源确保在系统电源掉电的时候时钟单元正常运行，为系统记录各种数据做可靠保证。
作为优选，所述的传感器单元包括温度传感器和湿度传感器，主控系统通过IIC接口与温度传感器、湿度传感器相连。主控系统通过分析温度传感器和湿度传感器采集到的信息判断网关内部是否出现短路、进水等异常，同时会将温、湿度信息上传到服务器，以提醒系统管理员做出相应的应对措施。
本发明的有益效果是：通过将LBT电路和主要的射频回路独立，各自使用自身相连的天线，使得两部分电路相互独立，互不影响，使网关在满足安全通信要求的基础上实现了LBT功能，确保接收机灵敏度不受LBT电路的影响，有效提高了网关的灵敏度和可靠性，满足KC认证针对射频发送杂散指标的要求。
附图说明
图1是本发明的一种电路原理连接结构框图。
图2是本发明的LoRa射频单元的一种电路图。
图3是本发明的LBT单元的一种电路图。
图中1主控系统，2供电系统，3 LoRa射频单元，4 LBT单元，5以太网单元，6定位授时单元，7声光报警单元，8时钟单元，9监控单元，10传感器单元，11扩展接口单元，12天线，13服务器
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：本实施例的一种基于LBT的KR920-923MHz的LoRaWAN物联网网关，如图1所示，包括机械结构部分和电子电路部分，其中机械结构部分包括铝合金金属外壳，铝合金金属外壳上安装有电源接口、射频接口和以太网接口用于连接各个设备，外壳表面安装有网关固定结构用于将外壳固定在墙体或设备上，避免晃动造成网关故障，同时整机可以实现IP67的防水等级。网关的电子电路部分包括主控系统1和供电系统2，主控系统1分别与LoRa射频单元3、LBT单元4、定位授时单元6、声光报警单元7、时钟单元8、监控单元9、传感器单元10、扩展接口单元11和以太网单元5相连，以便于控制各个单元并进行信息交互。以太网单元用于和服务器13相连，LoRa射频单元、LBT单元分别设有各自的天线12。主控系统1包括最高1GHz主频的Cortex-A8的CPU，512MB的DDR3 RAM，8GB eMMC，并且运行linux操作系统。使得主控系统可以在工业全温度范围内可靠运行，具有在线升级操作系统和APP功能。
LoRa射频单元3和LBT单元4分别与不同天线12相连，各自使用自身相连的天线，使得两部分电路相互独立，互不影响，使网关在符合安全通信要求的基础上实现了LBT功能，确保接收机灵敏度不受LBT电路的影响。其中LoRa射频单元3包括LoRa网关基带芯片U3(本实施例中采用芯片SX1301)和两片与之外接的芯片SX1257，如图2所示，基带芯片SX1301的1脚、6脚、7脚、10脚、11脚均接地，LoRa网关基带芯片U3的2脚、3脚、4脚、5脚与LBT单元4的芯片M1相连，LoRa网关基带芯片U3的8脚经并联的电容C16和C17后接地，LoRa网关基带芯片U3的9脚经电阻R16后与GPS相连的同时经电阻R19后接地，LoRa网关基带芯片U3的12脚经电容C18后接地，LoRa网关基带芯片U3的13脚经过电阻R21后在与RADIO EN A引脚相连的同时经过电容C23接地，LoRa网关基带芯片U3的14脚经过电阻R24后在与LNA EN A引脚相连的同时经过电容C24接地，LoRa网关基带芯片U3的15脚与接插件PA的EN A引脚相连，LoRa网关基带芯片U3的16脚接地，LoRa网关基带芯片U3的17脚、18脚与供电系统2相连，LoRa网关基带芯片U3的19脚、20脚、21脚、22脚与芯片SX1257A相连，LoRa网关基带芯片U3的23脚与电源相连的同时和接地的24脚之间串联电容C27，LoRa网关基带芯片U3的25脚与监控单元9相连，29脚依次连接电阻R25和电容C26并接地，30脚、31脚、32脚、33脚、34脚接地，35脚经电阻R17与IRXD B相连，36脚经电阻R15与供电系统2相连，39脚经电阻R14与时钟单元8相连，40脚、41脚接地，42脚经过电容C15接地，43脚经过电阻R13与CLKO A和CLKO B相连，44脚、45脚、46脚、47脚分别经过电阻R10、R9、R8、R7与芯片SX1257相连，48脚、49脚、50脚、51脚经过并联的电容C6和C7与直流端相连，52脚经过并联的电容C6和C7接地，54脚、55脚、56脚、57脚、58脚与LBT单元4的通讯芯片M1相连，59脚接地，60脚经过电容C4接地，61脚、62脚、63脚、64脚与芯片SX1257B相连，LoRa射频单元3通过SPI和DIO接口与主控系统1相连并进行数据交换，所述LoRa射频单元3的射频发射回路中包括高性能的腔体滤波器。高性能的腔体滤波器确保杂散参数满足相应的KC认证指标同时又有较低的插入损耗。
LBT单元4包括通讯芯片M1，通讯芯片M1的1脚、2脚接地，接插件P1的1脚经过电容C5接地的同时与经过电容C4接地的13脚相连，接插件P1的2脚与5.4脚相连，接插件P1的3脚与接插件P3的3脚相连，接插件P1的4脚与17脚相连的同时接地，接插件P1的5脚经过电阻R2与18脚相连，接插件P1的6脚经过电阻R1与19脚相连，接插件P2的1脚与直流端相连，接插件P2的2脚接地，接插件P2的3脚经过电阻R3与9脚相连，接插件P2的4脚经过电阻R4与10脚相连，接插件P2的5脚经过电阻R5与14脚相连，接插件P3的1脚接地，接插件P3的2脚与直流端相连，通讯芯片M1的6脚、12脚、20脚、21脚接地，22脚经过电容C1与天线相连，接插件P1、P2和P3分别与主控系统1、LoRa射频单元3相连。
以太网单元5包括PHY芯片和以太网变压器，以太网单元5与主控系统1和服务器13通过MII接口相连并进行数据通信，能够实现10/100M的数据交互能力，以太网单元5的网络接口上设置有保护电路，用于保证以太网单元5在外部干扰下可以正常的运行，增强系统的可靠性。供电系统2包括DC/DC转换器和LDO(low dropout regulator低压差线性稳压器)，DC/DC转换器输入端与外部直流电源相连，DC/DC转换器输出端与LDO输入端相连，LDO输出端与电子电路部分各单元相连。本实施例网关属于直流供电，外部直流电源为供电系统供电，在网关内部根据各个单元的情况分别单独供电。供电系统首先使用DC/DC转换器将外部的高压直流电降到低的电压，然后使用LDO(low dropout regulator低压差线性稳压器)转换为3.3V供数字部分使用。
定位授时单元6主要有两个功能，首先是主控系统1通过串口与定位授时单元6通信获取经纬度坐标信息，上传服务器13，方便后续的定位精准维护。同时定位授时单元6会给主控系统1和LoRa射频单元3一个秒脉冲信号，对于LoRa射频单元3来说可以实现按照真实时间实现beacon，保证全网的时间同步。声光报警单元7由主控系统1来控制，用于实现系统的各种状态的声光指示，方便用户和开发人员根据各种指示判断系统的工作状态，实现人机的简单交互，及时做出相应的处理。时钟单元8与主控系统通过IIC接口通信，时钟单元8带有备用电源，备用电源确保在系统电源掉电的时候时钟单元正常运行，为系统记录各种数据做可靠保证。监控单元9主要是通过看门狗芯片实时监测系统的喂狗脉冲，及时判断系统和APP的运行状态，在系统或者APP运行异常的时候可以及时复位系统，防止系统的死机，同时芯片具有低电压复位功能，保证系统在电压异常时重新运行防止系统出错异常。传感器单元10包括温度传感器和湿度传感器，主控系统1通过IIC接口与温度传感器和湿度传感器相连。主控系统1通过分析温度传感器和湿度传感器采集到的信息判断网关内部是否出现短路、进水等异常，同时会将温、湿度信息上传到服务器13，以提醒系统管理员做出相应的应对措施。扩展接口部分11包括预留的主控单元未使用的功能接口如USB、SPI、USART、GPIO，为后续系统扩展做相应的考虑。
网关工作时，LoRa射频单元3与主控系统1通过SPI和DIO接口进行数据交换，主控单元1将接收到的LoRaWAN数据处理过之后通过MII接口与以太网单元5进行数据通信，以太网单元5将处理过的LoRaWAN数据上传给相应的服务器13，同时主控单元1根据服务器13的数据下发指令下发相应的数据。LBT单元通过控制系统控制LoRa射频芯片，实时监测空中的相应信道的使用情况，当服务器在某个信道有数据下发指令的时候，LBT单元会辅助主控系统做出是否执行服务器指令的判断，从而实现LBT功能。
名词解释
LoRa：long range长距离通信技术
LoRaWAN：LoRaWAN是一个开放标准，它定义了基于LoRa芯片的LPWAN技术的通信协议。
LBT Listen Before Talk在LoRaWAN射频领域的意义是发送之前先监听
KR920-923是应用于韩国市场的LoRaWAN标准协议的ISM
ISM(Industrial Scientific Medical)Band，是由ITU-R(ITURadiocommunication Sector，国际通信联盟无线电通信局)定义的。
KC认证Korea Certification认证

Claims (8)

1.一种基于LBT的KR920-923MHz的LoRaWAN物联网网关，包括机械结构部分和电子电路部分，其特征在于，电子电路部分包括主控系统(1)和供电系统(2)，所述主控系统分别与LoRa射频单元(3)、LBT单元(4)、定位授时单元(6)、声光报警单元(7)、时钟单元(8)、监控单元(9)、传感器单元(10)和以太网单元(5)相连，所述LoRa射频单元(3)和LBT单元(4)分别设有天线(12)，所述以太网单元(5)与服务器(13)相连，所述供电系统(2)与各单元相连，所述LoRa射频单元(3)包括LoRa网关基带芯片U3和两片与之外接的芯片SX1257A和芯片SX1257B，LoRa网关基带芯片U3采用SX1301芯片，LoRa网关基带芯片U3的1脚、6脚、7脚、10脚、11脚均接地，LoRa网关基带芯片U3的2脚、3脚、4脚、5脚与LBT单元(4)相连，LoRa网关基带芯片U3的8脚经并联的电容C16和C17后接地，LoRa网关基带芯片U3的9脚经电阻R16后与GPS相连的同时经电阻R19后接地，LoRa网关基带芯片U3的12脚经电容C18后接地，LoRa网关基带芯片U3的13脚经过电阻R21后在与RADIO EN A引脚相连的同时经过电容C23接地，LoRa网关基带芯片U3的14脚经过电阻R24后在与LNA EN A引脚相连的同时经过电容C24接地，LoRa网关基带芯片U3的15脚与PA EN A引脚相连，LoRa网关基带芯片U3的16脚接地，LoRa网关基带芯片U3的17脚、18脚与供电系统(2)相连，LoRa网关基带芯片U3的19脚、20脚、21脚、22脚与芯片SX1257A相连，LoRa网关基带芯片U3的23脚与电源相连的同时和接地的24脚之间串联电容C27，LoRa网关基带芯片U3的25脚与监控单元(9)相连，LoRa网关基带芯片U3的29脚依次连接电阻R25和电容C26并接地，LoRa网关基带芯片U3的30脚、31脚、32脚、33脚、34脚接地，LoRa网关基带芯片U3的35脚经电阻R17与IRXD B相连，LoRa网关基带芯片U3的36脚经电阻R15与供电系统(2)相连，LoRa网关基带芯片U3的39脚经电阻R14与时钟单元(8)相连，LoRa网关基带芯片U3的40脚、41脚接地，LoRa网关基带芯片U3的42脚经过电容C15接地，LoRa网关基带芯片U3的43脚经过电阻R13与定位授时单元(6)相连，LoRa网关基带芯片U3的44脚、45脚、46脚、47脚分别经过电阻R10、R9、R8、R7与芯片SX1257A相连，LoRa网关基带芯片U3的48脚、49脚、50脚、51脚经过并联的电容C6和C7与直流端相连，LoRa网关基带芯片U3的52脚经过并联的电容C6和C7接地，LoRa网关基带芯片U3的54脚、55脚、56脚、57脚、58脚与LBT单元(4)的通讯芯片M1相连，LoRa网关基带芯片U3的59脚接地，LoRa网关基带芯片U3的60脚经过电容C4接地，LoRa网关基带芯片U3的61脚、62脚、63脚、64脚与芯片SX1257B相连，所述LoRa射频单元(3)通过SPI接口和DIO接口与主控系统(1)相连并进行数据交换，所述LoRa射频单元(3)的射频发射回路中包括高性能的腔体滤波器。
2.根据权利要求1所述的一种基于LBT的KR920-923MHz的LoRaWAN物联网网关，其特征在于，所述机械结构部分包括铝合金金属外壳，所述铝合金金属外壳上设有电源接口、射频接口、以太网接口和网关固定结构，电源接口与供电系统(2)相连，射频接口与LoRa射频单元(3)相连，以太网接口与以太网单元(5)相连，所述机械结构部分具备IP67的防水等级。
3.根据权利要求1所述的一种基于LBT的KR920-923MHz的LoRaWAN物联网网关，其特征在于，所述主控系统(1)包括最高1GHz主频的Cortex-A8的CPU，512MB的DDR3 RAM，8GBeMMC，并且运行linux操作系统。
4.根据权利要求1所述的一种基于LBT的KR920-923MHz的LoRaWAN物联网网关，其特征在于，所述供电系统(2)包括DC/DC转换器和LDO低压差线性稳压器，所述DC/DC转换器输入端与外部直流电源相连，DC/DC转换器输出端与LDO低压差线性稳压器相连。
5.根据权利要求1所述的一种基于LBT的KR920-923MHz的LoRaWAN物联网网关，其特征在于，所述LBT单元(4)包括通讯芯片M1，通讯芯片M1的1脚、2脚接地，接插件P1的1脚经过电容C5接地的同时与经过电容C4接地的通讯芯片M1的13脚相连，接插件P1的2脚与接插件P3的4脚相连，接插件P1的3脚与接插件P3的3脚相连，接插件P1的4脚与通讯芯片M1的17脚相连的同时接地，接插件P1的5脚经过电阻R2与通讯芯片M1的18脚相连，接插件P1的6脚经过电阻R1与通讯芯片M1的19脚相连，接插件P2的1脚与直流端相连，接插件P2的2脚接地，接插件P2的3脚经过电阻R3与通讯芯片M1的9脚相连，接插件P2的4脚经过电阻R4与通讯芯片M1的10脚相连，接插件P2的5脚经过电阻R5与通讯芯片M1的14脚相连，接插件P3的1脚接地，接插件P3的2脚与直流端相连，通讯芯片M1的6脚、12脚、20脚及21脚接地，通讯芯片M1的22脚经过电容C1与天线相连，接插件P1、P2和P3分别与主控系统(1)、LoRa射频单元(3)相连。
6.根据权利要求1或2或3或4所述的一种基于LBT的KR920-923MHz的LoRaWAN物联网网关，其特征在于，所述以太网单元(5)包括PHY芯片和以太网变压器，以太网单元(5)与主控系统(1)通过MII接口相连并进行数据通信，所述MII接口设有保护电路。
7.根据权利要求1或2或3或4所述的一种基于LBT的KR920-923MHz的LoRaWAN物联网网关，其特征在于，所述时钟单元(8)设有备用电源。
8.根据权利要求1或2或3或4所述的一种基于LBT的KR920-923MHz的LoRaWAN物联网网关，其特征在于，所述传感器单元(10)包括温度传感器和湿度传感器，主控系统(1)通过IIC接口与温度传感器和湿度传感器相连。
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