CN113472637A - 一种lora网关 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种LORA网关。本发明提供的LORA网关，包括存储器和与存储器连接的处理器。处理器用于执行存储器中存储的包括有异构网络融合程序和管理程序的程序，以支持多种传感网络数据的接入和融合和实现子网内各节点的功能管理功能，进而解决现有技术中存在的现有物联网网关主要针对某一应用展开，之间缺乏兼容性和体系规划的问题。

Description

一种LORA网关

技术领域

本发明涉及网络连接装置技术领域，特别是涉及一种LORA网关。

背景技术

网关(Gateway)又称网间连接器、协议转换器。网关在传输层上以实现网络互连，是最复杂的网络互连设备，仅用于两个高层协议不同的网络互连。网关的结构也和路由器类似，不同的是互连层。网关既可以用于广域网互连，也可以用于局域网互连。

物联网网关作为一个新的名词，在未来的物联网时代将会扮演非常重要的角色，它将成为连接感知网络与传统通信网络的纽带。作为网关设备，物联网网关可以实现感知网络与通信网络，以及不同类型感知网络之间的协议转换。既可以实现广域互联，也可以实现局域互联。此外物联网网关还需要具备设备管理功能，运营商通过物联网网关设备可以管理底层的各感知节点，了解各节点的相关信息，并实现远程控制。其中，用于近程通信的技术标准很多，仅常见的WSNs技术就包括ZigBee、6LowPAN、BLE、Wi-Fi等。但是现有的物联网网关主要针对某一应用展开，之间缺乏兼容性和体系规划。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有异构网络融合功能的LORA网关，以解决现有技术中存在的现有物联网网关主要针对某一应用展开，之间缺乏兼容性和体系规划的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种LORA网关，包括：

存储器，用于存储程序；

处理器，与所述存储器连接，用于执行所述程序；所述程序进一步包括：

异构网络融合程序，其被配置为支持多种传感网络数据的接入和融合；所述多种传感网络数据包括：ZigBee网络协议数据、6LowPAN网络协议数据、BLE网络协议数据和Wi-Fi网络协议数据；

管理程序，其被配置为实现子网内各节点的功能管理；所述子网内各节点的功能管理包括：获取节点的初始数据和远程实现节点的处理控制；所述初始数据包括：标识、状态、属性和类型；所述处理控制包括：采集、控制、诊断、升级和维护；

串口通信程序，其被配置为使用通信协议与串口进行通信。

优选地，还包括：

接口模块，与所述处理器连接，用于提供外设接口。

优选地，所述处理器的运行操作系统为Linux操作系统和RTOS RT-Thread操作系统。

优选地，所述处理器包括龙芯芯片；所述龙芯芯片内设置有64位双发射超标量处理器核，所述龙芯芯片的主频不低于1GHz。

优选地，所述龙芯芯片内的所述64位双发射超标量处理器核的个数不少于2个。

优选地，所述处理器上还设置有GPIO插针整排。

优选地，所述存储器为2G DDR3内存条。

优选地，所述接口模块包括：DVO显示接口、HDMI接口、音频输入接口、以太网接口、HOST接口、CAN接口、插针串口、PCIE接口、调试接口、M2接口和USB接口。

优选地，还包括无线通信模组；

所述无线通信模组与所述处理器连接；所述无线通信模组包括：Wi-Fi通信模块、4G/5G通信模块、ZigBee通信模块和LoRa&LoRaWAN通信模块。

优选地，还包括：触摸屏、USB仿真器和摄像头；

所述触摸屏、所述USB仿真器和所述摄像头均与所述处理器连接。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供的LORA网关，包括存储器和与存储器连接的处理器。处理器用于执行存储器中存储的包括有异构网络融合程序和管理程序的程序，以支持多种传感网络数据的接入和融合和实现子网内各节点的功能管理功能，进而解决现有技术中存在的现有物联网网关主要针对某一应用展开，之间缺乏兼容性和体系规划的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的物联网网关服务架构图；

图2为本发明实施例提供的ZigBee通信原理图；

图3为本发明实施例提供的串口数据测试程序流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种多功能融合的LORA网关，以解决现有技术中存在的现有物联网网关主要针对某一应用展开，之间缺乏兼容性和体系规划的问题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

网关需要具备设备管理功能，运营商通过网关设备可以管理底层的各感知节点，了解各节点的相关信息，并实现远程控制。因此，需要设置网关具有以下功能：广泛的接入能力、强大的管理能力和协议转换能力。

其中，强大的管理能力对于任何大型网络都是必不可少的。首先要对网关进行管理，如注册管理、权限管理、状态监管等。网关实现子网内的节点的管理，如获取节点的标识、状态、属性、能量等，以及远程实现唤醒、控制、诊断、升级和维护等。由于子网的技术标准不同，协议的复杂性不同，所以网关具有的管理性能力不同。提出基于模块化物联网网关方式来管理不同的感知网络、不同的应用，保证能够使用统一的管理接口技术对末梢网络节点进行统一管理。

协议转换能力，从不同的感知网络到接入网络的协议转换、将下层的标准格式的数据统一封装、保证不同的感知网络的协议能够变成统一的数据和信令。将上层下发的数据包解析成感知层协议可以识别的信令和控制指令。

智能网关是一个中央数据转换单元，基于传统嵌入式技术，运行复杂的嵌入式操作系统，实现传感无线网数据与电信网/互联网之间的数据交互，其实施架构如图1所示。

智能网关采用嵌入式高性能ARM处理器，运行Linux操作系统，实现网络的数据M2M交互。

此外，网关设计需要考虑的两个因素：

1)数据安全：这是决定大规模物联网能成败的关键要素。随着网络成更多应用的重要组成部分，数据安全变得更加重要。安全问题应落实到每一个设计阶段，而在设计任务全部完成后再增加安全功能的做法是错误的。

2)可维护：没有系统是完美无缺的。不管部署前做过多少测试，部署后还会发现安全缺陷、隐患和漏洞。物联网网关和节点必须支持现场维护和更新功能。设备维护不应只依赖远程维护，还应有更多的联网方法可选。

因此，为实现以上目的，本发明提供了一种LORA网关。这一LORA网关是基于过长芯片龙芯设置的一款LORA网关，其包括：

存储器，用于存储程序。

处理器，与存储器连接，用于执行程序。程序进一步包括：

异构网络融合程序，其被配置为支持多种传感网络数据的接入和融合。多种传感网络数据包括：ZigBee网络协议数据、6LowPAN网络协议数据、BLE网络协议数据和Wi-Fi网络协议数据。

管理程序，其被配置为实现子网内各节点的功能管理。子网内各节点的功能管理包括：获取节点的初始数据和远程实现节点的处理控制。初始数据包括：标识、状态、属性和类型。处理控制包括：采集、控制、诊断、升级和维护。

串口通信程序，其被配置为使用通信协议与串口进行通信。

进一步，为了实现上述LORA网关的功能要求，其还设置有接口模块。接口模块与处理器连接，用于提供外设接口。

接口模块主要包括：DVO显示接口、HDMI接口、音频输入接口、以太网接口、HOST接口、CAN接口、插针串口、PCIE接口、调试接口、M2接口和USB接口。

具体的，设置有，1路DVO显示接口用于屏幕拓展，1路标准HDMI接口，1路3.5mm标准音频输入输出接口，2路千兆以太网接口支持半双工/全双工，2路USB2.0标准HOST接口，2路CAN接口，4路插针串口，1路PCIE接口，2路M2接口，集成调试串口和JTAG调试接口。

进一步，为实现处理器的自主可控，本发明中处理器的运行操作系统为Linux、RTOS RT-Thread、PMON、Loongnix、ReWorks、普华Linux、SylixOS等嵌入式操作系统。

为了实现以上操作系统的精确有效运行，本发明采用的处理器的核心芯片选用龙芯芯片。龙芯芯片内设置有不少于2个64位双发射超标量处理器核，龙芯芯片的主频不低于1GHz。

进一步，处理器上还设置有GPIO插针整排。具体的，主板预留2.54间距27个GPIO插针整排，以支持GPIO、CAN、IIC、SPI、UART等接口功能。

进一步，存储器为2G DDR3内存条，以便提供不低于8Mb SPI Flash，不低于16GM2接口SSD硬盘的存储空间。

基于以上架构，本发明提供的LORA网关基于嵌入式Linux开发环境，集成编译工具链和常用开发工具，包括：Pycharm、QT Creator、VNC Viewer、FileZilla等。内置异构网络网关服务，支持ZigBee、LoRa、LoRaWAN、Wi-Fi、NB-IoT、LTE等传感网络数据接入和融合。

此外，本发明还对上述提供的LORA网关进行了拓展外设设置，具体如下：

设置有无线通信模组、触摸屏、USB仿真器和摄像头。

无线通信模组与处理器连接。无线通信模组包括：Wi-Fi通信模块、4G/5G通信模块、ZigBee通信模块和LoRa&LoRaWAN通信模块。

触摸屏、USB仿真器和摄像头均与处理器连接。

其中，触摸屏为10寸HDMI电容触摸LCD屏。摄像头为USB高清工业级摄像头。

基于此，本发明提供的LORA网关的总体配置可以为：

1、设备提供实验箱包装，设备尺寸：120mm*120mm，亚克力防护。

2、设备处理器要求国产自主可控，运行国产Linux操作系统和国产RTOS RT-Thread操作系统。

3、设备内置异构网络融合服务，支持ZigBee、LoRa、LoRaWAN、Wi-Fi、NB-IoT、LTE等传感网络数据接入和融合，数据格式为JSON数据包、支持实时数据、历史数据、云平台数据接入等信息。

4、可通过4G/5G网络获取感知和传输层数据，通过网络拓扑图、网络JSON数据包、历史数据、LabView等进行展现和控制，能够远程更新网络参数。

5、设备能够作为IoT网关，接入学校现有的物联网节点和传感器数据，数据能够接入到私有云平台、阿里物联网云平台。

下面基于本发明存储器存储程序的具体运行和实施过程，对本发明提供的LORA网关的功能和优点进行说明。

在实施异构网络融合程序时，其需要进行协议转换，具体的，从不同的感知网络到接入网络的协议转换过程中，将下层的标准格式的数据统一封装、保证不同的感知网络的协议能够变成统一的数据和信令。将上层下发的数据包解析成感知层协议可以识别的信令和控制指令。

其中，无线ZigBee、BLE、Wi-Fi、LoRa、LTE等节点的底层通信协议、数据包各不相同，在LORA网关中最后都通过上层ZXBee数据通信协议进行处理。

以采用ZigBee通信为例，如图2所示，其具体通信过程为：

1)节点一、二、三为采集类、控制类或安防类Zigbee节点，需要分别烧录sensor-a.hex、sensor-b.hex、sensor-b.hex等固件，通过ZigBee无线方式与ZigBee协调器通信。

协调器作为网关与ZigBee节点通信的中介，所以必须深刻理解协调器与网关的通信协议。ZigBee设备组网后，通过协调器汇集数据，协调器通过串口与上位机通信。Zstack协议栈定义了协调器与上位机(网关)的数据通信协议。

(1)串口设置

波特率(38400bps)，数据位(8bit)，奇偶校验(无)，停止位(1)

(2)通信数据包格式如表1所示：

表1通信数据包格式表

2)协调器出厂默认烧录好了程序，自动与周围Zigbee节点建立连接，前提是处于同一个PANID下。

3)各个节点与协调器都通过相同的51单片机来控制，只是节点连接的外设不同，烧录的程序不同。

4)协调器与串口在出厂时已经连接好了硬件，协调器与网关的串口进行通信

5)串口驱动默认已经配置好，应用层只需要调用相关接口函数，本实施例用到的串口是/dev/ttyZigbee。本实施例只用到了串口收发数据服务。

异构网络融合程序中包括串口数据解析程序、地址转换程序、ZigBee综合应用程序。

其中，串口数据解析程就是对串口收到的数据提取，提取出对于用户而言必要的信息(短地址和传感器数据)。

地址转换程序设计是通过动态短地址通信，每次重建网络地址会变，一般可以通过设备唯一的长地址进行转换通信。长地址(MAC地址)是一种64位IEEE地址，这个64位的IEEE地址是一个全球唯一的地址，一经分配就将跟随设备一生。它通常由制造商或者被安装时设置。这些地址由IEEE组织来维护和分配。短地址(ShortAddr)是一种16位的ZigBee网络内部的网络地址，这个16位网络地址是当设备加入网络后分配的，它在ZigBee局域网中是唯一的，用来在网络中鉴别设备和发送数据。ZigBee节点在RFD模式下时直接使用内网点地址即可。局域网内，协调器与终端和路由节点交互数据采用随机分配的短地址，网关将各种节点的数据上传到服务器时必须使用长地址，以保证地址的唯一性。服务器里只有长地址的信息，服务器控制或者查询节点，网关必须将服务器发送的长地址转换为短地址，然后去控制节点。其中长地址转化为短地址是靠发送短地址查询命令来完成，短地址转换为长地址亦是如此。

地址缓存就是将收到的数据提取出短地址，然后查询出对应的长地址，然后将长短地址的对应关系缓存起来，这样以后收到包含短地址的数据后，就可以不通过串口查询来转换为长地址，进而将长地址和对应的传感器数据传输到服务器上，这是数据的上行过程。同样当服务器发送一个长地址和命令给网关，网关直接从缓存里找到长地址对应的短地址，也不需要通过串口查询就可以找到短地址了，这样就可以提高效率了。ZigBee是通过动态短地址通信，每次重建网络地址会变，一般可以通过设备唯一的长地址进行转换通信。

ZigBee综合测试程序基于Linux串口可以完成对传感器数据的采集和控制。程序框架总共分为两部分：一部分是数据的封包(打包)，一部分是数据的解包。其中封包就是输入MAC地址和对应的命令，然后通过串口发送完整的命令给节点。解包就是将串口收到的传感器信息以MAC地址和数据的形式解析出来。

各串口数据测试程序的流程具体如图3所示。

管理程序主要是实现子网内的节点的管理，如获取节点的标识、状态、属性、类型等，以及远程实现节点的的采集、控制、诊断、升级和维护等。

串口通信程序是协调器与网关的通信过程，智能网关集成ZigBee协调器，通过串口进行通信，在本实施例中双方约定的串口参数设置为波特率：38400，数据位：8bit，奇偶校验：无，停止位：1。

此外，存储器中存储的程序还包括：

1、网关远程服务设计

智能网关的远程服务设计，通过TCP网络服务设计、MQTT数据服务设计、智云网关协议设计3个功能步骤进行设计。

1)TCP网络服务设计

网关收到串口的数据后可以通过UDP或者TCP服务将传感器的MAC地址和传感器数据传输到服务器上面，实现Zigbee数据通信的上行。这里选择传输比较稳定的TCP服务来实现这种上行方式。

2)MQTT数据服务设计

MQTT数据服务设计，通过Linux c编程mosquitto库的调用，实现一个mqtt客户端，向服务推送消息与接收处理用户控制指令。

3)智云网关协议设计

智云网关协议设计，是在TCP网络服务设计的基础上，通过TCP网络编程通信，与智云服务器进行通信数据交互。

智云网关协议设计将在网关上建立一个TCP客户端，连接时需要发送网关认证数据包，进行认证。认证通过后，数据按照ZXBee协议进行封包与解包处理。

2、TCP网络服务设计

网关收到串口的数据后可以通过UDP或者TCP服务将传感器的MAC地址和传感器数据传输到服务器上面，实现Zigbee数据通信的上行。这里选择传输比较稳定的TCP服务来实现这种上行方式。

数据转发服务设计将在网关上建立一个TCP服务端，然后将传感器数据转发到连接的客户端，客户端由TCP&UDP测试工具来模拟。

数据转发服务设计主要由两大部分组成，一部分是网关(服务器)发数据给客户端，把这个过程叫做ZigBee上行数据通信，另外一部分是客户端发送数据给网关(服务器)，网关对数据进行处理，最后发送命令给ZigBee节点，把这个过程叫做ZigBee下行数据通信。

3、MQTT数据服务设计

MQTT(消息队列遥测传输)是ISO标准(ISO/IEC PRF 20922)下基于发布/订阅范式的消息协议。它工作在TCP/IP协议族上，是为硬件性能低下的远程设备以及网络状况糟糕的情况下而设计的发布/订阅型消息协议，为此，它需要一个消息中间件。

MQTT是一个基于客户端-服务器的消息发布/订阅传输协议。MQTT协议是轻量、简单、开放和易于实现的，这些特点使它适用范围非常广泛。在很多情况下，包括受限的环境中，如：机器与机器(M2M)通信和物联网(IoT)。其在通过卫星链路通信传感器、偶尔拨号的医疗设备、智能家居、及一些小型化设备中已广泛使用。

由于物联网的环境是非常特别的，所以MQTT遵循以下设计原则：

(1)精简，不添加可有可无的功能。

(2)发布/订阅(Pub/Sub)模式，方便消息在传感器之间传递。

(3)允许用户动态创建主题，零运维成本。

(4)把传输量降到最低以提高传输效率。

(5)把低带宽、高延迟、不稳定的网络等因素考虑在内。

(6)支持连续的会话控制。

(7)理解客户端计算能力可能很低。

(8)提供服务质量管理。

(9)假设数据不可知，不强求传输数据的类型与格式，保持灵活性。

MQTT协议是为大量计算能力有限，且工作在低带宽、不可靠的网络的远程传感器和控制设备通讯而设计的协议。

实现MQTT协议需要客户端和服务器端通讯完成，在通讯过程中，MQTT协议中有三种身份：发布者(Publish)、代理(Broker)(服务器)、订阅者(Subscribe)。其中，消息的发布者和订阅者都是客户端，消息代理是服务器，消息发布者可以同时是订阅者。

BMQTT传输的消息分为：主题(Topic)和负载(payload)两部分：

(1)Topic，可以理解为消息的类型，订阅者订阅(Subscribe)后，就会收到该主题的消息内容(payload)。

(2)payload，可以理解为消息的内容，是指订阅者具体要使用的内容。

MQTT会构建底层网络传输：它将建立客户端到服务器的连接，提供两者之间的一个有序的、无损的、基于字节流的双向传输。当应用数据通过MQTT网络发送时，MQTT会把与之相关的服务质量(QoS)和主题名(Topic)相关连。

MQTT客户端是一个使用MQTT协议的应用程序或者设备，它总是建立到服务器的网络连接。客户端可以：

(1)发布其他客户端可能会订阅的信息。

(2)订阅其它客户端发布的消息。

(3)退订或删除应用程序的消息。

(4)断开与服务器连接。

MQTT服务器以称为"消息代理"(Broker)，可以是一个应用程序或一台设备。它是位于消息发布者和订阅者之间，它可以：

(1)接受来自客户的网络连接。

(2)接受客户发布的应用信息。

(3)处理来自客户端的订阅和退订请求。

(4)向订阅的客户转发应用程序消息。

MQTT协议中的订阅、主题、会话为：

订阅(Subscription)

订阅包含主题筛选器(Topic Filter)和最大服务质量(QoS)。订阅会与一个会话(Session)关联。一个会话可以包含多个订阅。每一个会话中的每个订阅都有一个不同的主题筛选器。

会话(Session)

每个客户端与服务器建立连接后就是一个会话，客户端和服务器之间有状态交互。会话存在于一个网络之间，也可能在客户端和服务器之间跨越多个连续的网络连接。

主题名(TopicName)

连接到一个应用程序消息的标签，该标签与服务器的订阅相匹配。服务器会将消息发送给订阅所匹配标签的每个客户端。

主题筛选器(Topic Filter)

一个对主题名通配符筛选器，在订阅表达式中使用，表示订阅所匹配到的多个主题。

负载(Payload)

消息订阅者所具体接收的内容。

MQTT协议中的方法：MQTT协议中定义了一些方法(也被称为动作)，来于表示对确定资源所进行操作。这个资源可以代表预先存在的数据或动态生成数据，这取决于服务器的实现。通常来说，是指资源指服务器上的文件或输出。

MQTT协议数据包结构：在MQTT协议中，一个MQTT数据包由：固定头(Fixedheader)、可变头(Variable header)、消息体(payload)三部分构成。MQTT数据包结构如下：

(1)固定头(Fixedheader)。存在于所有MQTT数据包中，表示数据包类型及数据包的分组类标识。

(2)可变头(Variable header)。存在于部分MQTT数据包中，数据包类型决定了可变头是否存在及其具体内容。

(3)消息体(Payload)。存在于部分MQTT数据包中，表示客户端收到的具体内容。

MQTT服务器的选择很多，具体如何选型可以参照其他资料。

在本发明选择MQTT协议版本3.1，其主要是通过Mosquitto实现。

Mosquitto是一个开源(BSD许可证)的消息代理，是一款实现了消息推送协议MQTTv3.1的开源消息代理软件，提供轻量级的，支持可发布/可订阅的的消息推送模式，使设备对设备之间的短消息通信变得简单，比如现在应用广泛的低功耗传感器，手机、嵌入式计算机、微型控制器等移动设备。因Mosquitto的具体使用过程是一种现有技术，故在此不再进行赘述。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种LORA网关，其特征在于，包括：

存储器，用于存储程序；

处理器，与所述存储器连接，用于执行所述程序；所述程序进一步包括：

异构网络融合程序，其被配置为支持多种传感网络数据的接入和融合；所述多种传感网络数据包括：ZigBee网络协议数据、6LowPAN网络协议数据、BLE网络协议数据和Wi-Fi网络协议数据；

管理程序，其被配置为实现子网内各节点的功能管理；所述子网内各节点的功能管理包括：获取节点的初始数据和远程实现节点的处理控制；所述初始数据包括：标识、状态、属性和类型；所述处理控制包括：采集、控制、诊断、升级和维护；

串口通信程序，其被配置为使用通信协议与串口进行通信。

2.根据权利要求1所述的LORA网关，其特征在于，还包括：

接口模块，与所述处理器连接，用于提供外设接口。

3.根据权利要求1所述的LORA网关，其特征在于，所述处理器的运行操作系统为Linux操作系统和RTOS RT-Thread操作系统。

4.根据权利要求1所述的LORA网关，其特征在于，所述处理器包括龙芯芯片；所述龙芯芯片内设置有64位双发射超标量处理器核，所述龙芯芯片的主频不低于1GHz。

5.根据权利要求4所述的LORA网关，其特征在于，所述龙芯芯片内的所述64位双发射超标量处理器核的个数不少于2个。

6.根据权利要求4所述的LORA网关，其特征在于，所述处理器上还设置有GPIO插针整排。

7.根据权利要求1所述的LORA网关，其特征在于，所述存储器为2G DDR3内存条。

8.根据权利要求2所述的LORA网关，其特征在于，所述接口模块包括：DVO显示接口、HDMI接口、音频输入接口、以太网接口、HOST接口、CAN接口、插针串口、PCIE接口、调试接口、M2接口和USB接口。

9.根据权利要求1所述的LORA网关，其特征在于，还包括无线通信模组；

所述无线通信模组与所述处理器连接；所述无线通信模组包括：Wi-Fi通信模块、4G/5G通信模块、ZigBee通信模块和LoRa&LoRaWAN通信模块。

10.根据权利要求1所述的LORA网关，其特征在于，还包括：触摸屏、USB仿真器和摄像头；

所述触摸屏、所述USB仿真器和所述摄像头均与所述处理器连接。

Images