CN112910833A - 一种基于lora物联网网关的检测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及物联网识别领域，具体公开了一种基于lora物联网网关的检测系统，包括含有数据库的后台计算机，还包括通信模块、处理器模块、实时时钟、连接通信模块和处理器模块且用于对其进行供电的供电单元和可用于连接不同传感器设备的扩展接口，所述处理器模块包括MCU处理器和板载存储单元，本发明通过多网络融合的方式进行信息的检测以及数据分析，提供了多种类型传感器的连接方式，解决了现有技术中无法进行多网络的融合，做出数据的整理和汇集，而且在根据需要进行检测和分析时，功能单一，无法提供多样化，多种不同类型的检测以及数据分析的问题。

Description

一种基于lora物联网网关的检测系统
技术领域
本公开涉及到物联网识别领域，具体涉及一种基于lora物联网网关的检测系统。
背景技术
经济的快速发展，各种智能设备及传感器已经应用到在各个领域中。智能设备对于数据的可靠传输提出更高的要求，如今物联网处于一个快速发展的状态，当物联网传感器不具备直接与服务器通信的能力或者受应用环境制约需要通过汇聚节点进行通信时，智能物联网网关对整个物联网络组网和通信起到了至关重要的作用，但是各个物联网系统通信协议均存在较大差异，现有技术无法进行多网络的融合，做出数据的整理和汇集，而且在根据需要进行检测和分析时，功能单一，无法提供多样化，多种不同类型的检测以及数据分析。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术无法进行多网络的融合，并且无法提供多种类检测数据处理的问题。
为了达到上述目的，本发明的基础方案提供一种基于lora物联网网关的检测系统，包括含有数据库的后台计算机，还包括通信模块、处理器模块、实时时钟、连接通信模块和处理器模块且用于对其进行供电的供电单元和可用于连接不同传感器设备的扩展接口，所述处理器模块包括MCU处理器和板载存储单元；
所述通信模块包括与传感器进行无线通信的RF模块、与网络服务器通信的 GPRS模块和以太网模块，所述RF模块采用私有通讯协议，GPRS模块和以太网模块采用TCP/IP通讯协议；
所述实时时钟连接处理器模块，所述扩展接口连接处理器模块，传感器检测的数据通过RF模块连接MCU处理器，MCU处理器通过读取实时时钟，给数据附上采集时间，暂时存在MCU处理器中，预定上传时间，当达到上传时间，MCU处理器再通过GPRS模块或者以太网模块传输到后台计算机的数据库中。
进一步，所述供电单元使用直流电源供电或者太阳能电源供电或者一次性电池供电。
进一步，所述RF模块为基于LoRa远程调制解调器，其采用SX1278无线芯片。
进一步，所述GPRS模块上预留有4G模块插针接口。
进一步，所述扩展接口包括I2C接口、RS-485接口和TTL UART接口。
进一步，所述实时时钟芯片采内置用晶振电路和充电电池并且设有标准IIC 接口。
本发明的原理及效果：
1、通过多网络的融合，可进行协议的转换，相当于一个数据翻译器，同时还可进行一些综合分析算法的实现，过滤一些不需要的数据，减轻整个网络系统的负荷，此外该智能物联网网关还能配合服务器对网关自身以及传感器实现反向控制，持续优化整个物联网系统。
2、通过不同扩展接口的设计，可以实现连接多种不同的用于检测各类信息的传感器，当传感器检测到数据之后，将数据通过RF模块传输给MCU处理器，同时MCU处理器通过读取实时时钟，给数据附上采集时间，暂时存在MCU处理器中，然后通过MCU处理器进行数据的处理和分析，同时预定上传时间，当达到上传时间，MCU处理器再通过GPRS模块或者以太网模块传输到后台计算机的数据库中，通过后台计算机进行数据信息以及检测结果的展示，并且RF模块为基于LoRa远程调制解调器SX1278无线芯片，其具有超长距离扩频通信，抗干扰能力强，实现智能网关与传感器或中继之间的通信。
3、本发明通过多网络融合的方式进行信息的检测以及数据分析，提供了多种类型传感器的连接方式，解决了现有技术中无法进行多网络的融合，做出数据的整理和汇集，而且在根据需要进行检测和分析时，功能单一，无法提供多样化，多种不同类型的检测以及数据分析的问题。
附图说明
图1为本发明一种基于lora物联网网关的检测系统的系统方案图；
图2为本发明一种基于lora物联网网关的检测系统中电源模块的电路原理图；
图3为本发明一种基于lora物联网网关的检测系统中晶振单元的电路原理图；
图4为本发明一种基于lora物联网网关的检测系统中I2C接口的电路原理图；
图5为本发明一种基于lora物联网网关的检测系统中RS485接口的电路原理图；
图6为本发明一种基于lora物联网网关的检测系统中实时时钟的电路原理图；
图7为本发明一种基于lora物联网网关的检测系统中物联网网关软件的执行流程。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细的说明：
实施例：
一种基于lora物联网网关的检测系统，如图1所示，包括含有数据库的后台计算机，还包括通信模块、处理器模块、实时时钟、连接通信模块和处理器模块且用于对其进行供电的供电单元和可用于连接不同传感器设备的扩展接口，处理器模块包括MCU处理器和板载存储单元；
通信模块包括与传感器进行无线通信的RF模块、与网络服务器通信的GPRS 模块和以太网模块，RF模块采用私有通讯协议，GPRS模块和以太网模块采用 TCP/IP通讯协议；
实时时钟连接处理器模块，所述扩展接口连接处理器模块，传感器检测的数据通过RF模块连接MCU处理器，MCU处理器通过读取实时时钟，给数据附上采集时间，暂时存在MCU处理器中，预定上传时间，当达到上传时间，MCU处理器再通过GPRS模块或者以太网模块传输到后台计算机的数据库中；
MCU处理器采用基于Cortex-M0+内核的超低功耗32位STM32单片机，RF 射频模块采用利尔达LSD4RF-2D717N20，该RF射频模块的主要特点是：接收电流非常低，对于系统低功耗运行起到一定作用。设计GPRS模块的同时预留了 4G模块插针接口。为了增强智能物联网网关软硬件的兼容性，除了融合运营商网络、LORA网络和以太网络外，设计还提供了多种标准接口，包括I2C接口， RS485接口，TTL UART接口等。实时时钟采用外置高精度的SD2405ALPI-G，该实时时钟芯片采内置用晶振、充电电池、具有标准IIC接口。在电池满充的情况下可保证内部时钟走时超过半年时间，累计电池电量超过550mAH,电池使用寿命为5～8年时间；内部具备电源切换电路，当芯片检测网关供电不足时芯片会自动转为由充电电池供电。时钟精度为±5ppm(在25℃±1℃下)，即年误差小于2.5分钟。考虑环境供电的多样性，智能物联网网关有三种供电方式可供选择使用，包括12V直流电源接口、7.2V一次性电池接口以及12V太阳能电源接口。另外，在提供数据接收和转发的功能上，考虑网络可能出现的不确定性，增加离线存储的功能，使数据更加完整和可靠。
本系统中智能物联网网关采用的是5.5V～36V宽电压经LDO降压后为系统供电，仿真器直接提供3.3V工作电压(其实是仿真器芯片通过LM1117转换为3.3V工作电压)电源接口电路如图2所示。
为了避免无线高频的干扰和提高系统整体的稳定性，本系统采用 32.768KHz和8MHz的无源晶振作为外部振荡器。晶振单元的电路图3所示。
私有通讯协议包括可将硬件抽象化硬件接入层、用于实现基于433MHz频段组网协议栈的MAC层和网络层对应功能的网络协议层、可进行数据收发及确认的应用支持层和为其他各层提供支持的网络应用库文件。
I2C总线是由Philips公司开发的一种简单、双向二线制同步串行总线。它只需要两根线即可在连接于总线上的器件之间传送信息。本说明书中智能物联网网关提供标准I2C接口。在硬件上，12C总线只需要一根数据线和一根时钟线两根线即可进行通信，有标准的通信协议。总线具有极低的电流消耗，抗高噪声干扰。在输出数字量的芯片中广泛地被使用。大多数MCU提供I2C功能引脚，在使用时可以方便地直接采用该功能，也可以软件模拟I2C通信时序实现通信。接口电路如图4所示。
RS-485接口采用差分方式传输信号方式，在工业智能设备和传感器中得到广泛应用，智能物联网网关提供RS485接口大大地增加了系统的兼容性，方便各类具备RS485接口的传感器的接入。而且RS485标准接口能够满足较远距离的通信，理论上，通信速率在100Kbps及以下时，RS485的最长传输距离可达 1200米。接口电路如图5所示。
实时时钟采用外置高精度的SD2405ALPI-G，该实时时钟芯片采内置用晶振、充电电池、具有标准IIC接口。内置充电电池及充电电路，累计电池电量超过 550mAH,电池使用寿命为5～8年时间，通过该实时时钟可以为系统提供标准的 UTC时间。接口电路如图6所示。
本发明运行时，通过不同扩展接口的设计，可以实现连接多种不同的用于检测各类信息的传感器，当传感器检测到数据之后，将数据通过RF模块传输给 MCU处理器，同时MCU处理器通过读取实时时钟，给数据附上采集时间，暂时存在MCU处理器中，然后通过MCU处理器进行数据的处理和分析，同时预定上传时间，当达到上传时间，MCU处理器再通过GPRS模块或者以太网模块传输到后台计算机的数据库中，通过后台计算机进行数据信息以及检测结果的展示。
本系统总体流程框图如图7所示，包含系统时钟初始化，GPIO初始化以，中断初始化，LED模块初始化，各类接口初始化，定时器模块初始化及各通信模块初始化，将异常处理程序重置到默认状态；RF模块基于433MHz的通信协议栈，GPRS(或以太网)模块基于私有协议栈，本软件系统将协议栈软件分为PHY 层、MAC层、功耗控制层、网络层及应用接口层，各层通过一个可装载的驱动程序实现；该子项安装自底向上的方式逐一对各层进行初始化。同时分配相应的 IP地址，组网采用广播注册的机制，智能物联网网关与无线传感器节点进行握手之后建立连接，之后无线传感器节点向该智能物联网网关定向发送传感器数据，并获得应答信息；物联网网关定时向服务器发送心跳包数据以、从无线传感器节点获取的传感器数据以及自身接口可获取到的传感器数据，并获得服务器的应答信息。如果通信失败，将有效的传感器数据存入离线数据待网络可用时继续发送；传感器整个工作模式包含常上电模式、低功耗模式两种。
常上电模式，在此模式下MCU全速运行，各模块均正常运行，GPRS注册网络成功待机状态，RF模块处于接收状态，各外设也都处于工作状态。为了确保数据的准确性，在采集数据后进行简单的分析并进行存储。
低功耗模式，网关周期性关闭和开启GPRS模块以降低整个系统的功耗，在低功耗模式下GPRS模块处于关闭状态，此时的功耗主要为RF模块接收状态功耗以及MCU的运行功耗。，有效延长智能物联网网关的续航时间。
智能物联网网关软件设计的GPRS模块(或以太网模块)数据发送失败可缓存下来，具备发送条件的时候进行重发智能物联网网关具有接受上位机配置的功能，可配置参数主要为网关的心跳周期(即网关数据上传周期)以及传感器数据采集周期和上传周期。可配置工作状态为常上电状态和低功耗状态。
另外，智能物联网网关还提供远程升级功能。远程升级功能是通过GPRS网络或以太网由上位机发起网关升级固件程序。上位机将所需的bin文件分包发送给网关，网关进行更新自身固件程序。
私有通讯协议在架构上采用严格的层次化架构，将协议栈明确的分为硬件接入层、系统内核层、协议层、应用层和运行支持库。各子层分别为：
(1)硬件接入层，硬件接入层的主要功能在于将硬件抽象化，将底层硬件的具体细节进行隐藏，使协议栈可在多种平台上进行移植。本项目所设计的无线传感器协议栈在最底层引入硬件抽象层，主要功能包括以组件方式提供绝大部分硬件模块的软件接口以及以非组件方式提供少量硬件功能抽象。
(2)网络协议层，该是无线自组网协议的核心，主要实现基于433MHz频段的组网协议栈的MAC层、网络层的对应功能。该协议栈支持IP编址，能够依据IP地址访问不同节点。
(3)应用支持子层，协议为应用层协议提供了接口支持，包括数据的收发及确认；
(4)网络应用库文件，该库文件的主要功能是为其它层提供支持，如基本的数据结构(链表、队列等)、工具函数(各类数据类型转换、时间序列等)。以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (6)

1.一种基于lora物联网网关的检测系统，包括含有数据库的后台计算机，其特征在于：还包括通信模块、处理器模块、实时时钟、连接通信模块和处理器模块且用于对其进行供电的供电单元和可用于连接不同传感器设备的扩展接口，所述处理器模块包括MCU处理器和板载存储单元；
所述通信模块包括与传感器进行无线通信的RF模块、与网络服务器通信的GPRS模块和以太网模块，所述RF模块采用私有通讯协议，GPRS模块和以太网模块采用TCP/IP通讯协议；
所述实时时钟连接处理器模块，所述扩展接口连接处理器模块，传感器检测的数据通过RF模块连接MCU处理器，MCU处理器通过读取实时时钟，给数据附上采集时间，暂时存在MCU处理器中，预定上传时间，当达到上传时间，MCU处理器再通过GPRS模块或者以太网模块传输到后台计算机的数据库中。
2.根据权利要求1所述的一种基于lora物联网网关的检测系统，其特征在于：所述供电单元使用直流电源供电或者太阳能电源供电或者一次性电池供电。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于lora物联网网关的检测系统，其特征在于：所述RF模块为基于LoRa远程调制解调器，其采用SX1278无线芯片。
4.根据权利要求3所述的一种基于lora物联网网关的检测系统，其特征在于：所述GPRS模块上预留有4G模块插针接口。
5.根据权利要求4所述的一种基于lora物联网网关的检测系统，其特征在于：所述扩展接口包括I2C接口、RS-485接口和TTL UART接口。
6.根据权利要求5所述的一种基于lora物联网网关的检测系统，其特征在于：所述实时时钟芯片采内置用晶振电路和充电电池并且设有标准IIC接口。
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