CN113965828A

CN113965828A - 一种基于4g通信的智能物联网网关

Info

Publication number: CN113965828A
Application number: CN202111217518.7A
Authority: CN
Inventors: 史铭伟
Original assignee: Shanxi Sanhe Enterprise Management Co ltd
Current assignee: Shanxi Sanhe Enterprise Management Co ltd
Priority date: 2021-10-20
Filing date: 2021-10-20
Publication date: 2022-01-21

Abstract

本发明公开了一种基于4G通信的智能物联网网关，包括电源模块、网络通信模块、设备通信模块，其中：其中设备通信模块用于通过数据总线与被监控供能设备的信息采集装置连接，接收采集到的被监控供能设备的工作信息，并向被监控供能设备传输控制命令；网络通信模块用于接收设备通信模块传输的信息，并通过无线传输的方式发送给云端，以及通过无线传输的方式接收云端指令并将指令发送给设备通信模块；电源模块用于为网络通信模块、设备通信模块进行供电。

Description

一种基于4G通信的智能物联网网关

技术领域

本发明涉及物联网网关，尤其涉及一种应用于智慧供能领域的基于4G通信的智能物联网网关。

背景技术

在供能领域，清洁环保和智能化已经成为基本的要求，这就需要对供能现场的情况进行信息的采集和监控，传统的采集监控模式采用现场总线的方式连接设备，在现场通过计算机中的软件进行采集监控，对于集中供能可以通过有线方式，将数据统一传输到固定云端进行监控。但是对于分布式供能设备，如果按照有线方式进行铺设，则布线复杂且成本很高，而且很难形成统一的监控和管理，数据采集监控都很分散，很容易形成数据孤岛，很难整合到一起，不利于政府或者相关部门统一监控管理，不利于对整体能源进行统一调控，不利于能源利用最大化，造成能源浪费，更不利于环保。另外，现有的物联网关有很多缺点，例如低带宽、高成本、可移植性差、专业性差、处理能力弱、安全性低等。

为此，本发明提供了一种基于4G通信的智能物联网网关，能够实现对供能设备的信息的发送管理，有利于能源管理和节能控制。

发明内容

为实现本发明之目的，采用以下技术方案予以实现：

一种基于4G通信的智能物联网网关，包括电源模块、网络通信模块、设备通信模块，其中：其中设备通信模块用于通过数据总线与被监控供能设备的信息采集装置连接，接收采集到的被监控供能设备的工作信息，并向被监控供能设备传输控制命令；网络通信模块用于接收设备通信模块传输的信息，并通过无线传输的方式发送给云端，以及通过无线传输的方式接收云端指令并将指令发送给设备通信模块；电源模块用于为网络通信模块、设备通信模块进行供电。

所述的基于4G通信的智能物联网网关，其中网络通信模块包括：4G通信芯片U1和数据存储模块，4G通信芯片U1包括数据接收模块和数据发送模块；数据接收模块，用来接收设备通信模块发送的数据；数据存储模块，用于将接收到的数据进行本地保存；数据发送模块，用于接收数据传输模块的云端控制信息并发送给设备通信模块。

所述的基于4G通信的智能物联网网关，其中：设备通信模块采用国产龙芯芯片，配置有隔离485模块，用于与相应的被监测设备上的传感器进行连接并按照配置信息进行数据通信；设备通信模块包括数据采集模块、数据处理模块和数据发送模块，其中数据采集模块通过物理层通信接口对数据进行采集，数据处理模块按照上位机配置信息，对采集到的数据进行相应处理，数据发送模块将处理后的数据发送给网络通信模块。

所述的基于4G通信的智能物联网网关，其中：4G通信芯片U1的引脚59、60连接4V电源；引脚59、60与电容C1、电容C2、电容C3、电容C4的第一端连接，电容C1、C2、C3、C4的第二端接地；引脚65连接1.8V电源，引脚65通过电容C5接地；引脚14连接5V电源，引脚14与电容C8、电容C9的第一端连接，电容C8、C9的第二端接地；引脚2、13、17、20、23、33、44、45、47、48、61、62、77、100、107、108、109、116、117接地；引脚3、4用于连接USB总线的转接芯片；引脚9、10、11、12连接SIM卡；引脚15、16连接下载器；引脚24、25、26、27、28、29、30连接SD卡；引脚35、36连接主处理器U11的引脚25、26；引脚46连接天线；引脚46与电容C7第一端连接，电容C7第二端接地，电容C7第一端与电容C6第一端之间通过电感L1连接，电容C6第二端接地，电容C6与天线输出端连接；引脚57、58连接指示灯；引脚67、68连接主处理器U11引脚21。

所述的基于4G通信的智能物联网网关，其中：网络通信模块包括SIM卡，SIM卡引脚1为数据引脚，连接电阻R2上拉电阻第一端，R2第二端接U1的引脚12，引脚1通过电容C12接地，引脚1与双向TVS瞬态抑制二极管D1第一端连接，D1第二端接地，引脚1通过电阻R3连接U1的引脚10；引脚2浮空；引脚3连接电源地；引脚4连接U1的引脚12，引脚4与电容C13、电容C14的第一端连接，电容C13、电容C14的第二端接地；引脚5与电阻R5第一端连接，R5第二端连接U1的引脚11；引脚6串联电阻R4后连接U1的引脚9；引脚5、6分别通过电容C10、C11接地。

所述的基于4G通信的智能物联网网关，其中：网络通信模块包括SD卡SD1,SD1引脚7、8、1、2分别通过电阻R21、R22、R13、R17连接U1的引脚29、30、25、26；引脚3通过电阻R18连接U1的引脚27；引脚4连接U1的引脚24；引脚5同各国电阻R20连接U1的引脚28；引脚6为电源地；引脚9浮空。

所述的基于4G通信的智能物联网网关，其中：电源模块包括双电源切换电路，所述双电源切换电路包括PMOS管Q8，Q8漏极D接VUSB，栅极G接电阻R49的第一端，R49第二端接电阻R50的第一端，电阻R50第二端接地，R49第二端接电源模块输出端VCC_DCDC；二极管D18正极接VCC_DCDC，负极接Q8源极S和电源模块输入端VCC_IN。

所述的基于4G通信的智能物联网网关，其中：电源电路包括输入接口保护、EMC电磁干扰保护、防反接、低压差线性稳压器，具体如下：9-36V电压源的正负极与JP3接插件连接后并入MOV1压敏电阻,JP3接插件管脚1接正极，管脚2接负极，JP3管脚2与地之间接放电管D81；JP3管脚1、2分别连接自恢复保险丝Fu3、Fu4的第一端，自恢复保险丝Fu3、Fu4第二端分别接双向TVS管D12、D15的第一端，D12、D15的第二端接地，双向瞬变D12、D15的第一端之间通过双向TVS管D14连接；电容C25电容两端分别与共模电感L3的引脚1和引脚2连接，其中L3引脚1接电源回路正极，引脚2接电源回路负极；共模电感L3的引脚3、引脚4分别与电容C24的两端连接，PMOS管Q7漏极D接L3引脚4，源级S接线性稳压器U3输入引脚7，栅极G接电阻R36的第一端，电阻R36的第二端接地，稳压二极管DZ1和电阻R36组成串联稳压电路，其中DZ1阳极管脚1接R36，阴极管脚2接Q7源级S；共模电感的引脚3、4之间4个滤波C20、C21、C22、C23四个滤波电容；电阻R35第一端与L3引脚4连接，第二端与电阻R38第一端连接，R38第二端与L3引脚3连接R35和R38的连接端接U3管脚2,起U3芯片的使能作用；之后通过线性稳压器(LDO)MP4560(U3)实现宽电压输入5V输出，其中电阻R39接U3引脚6后接地，电容C19两端接U3引脚1和8；二极管D13负极接U3引脚1，正极接地；电感L2接第一端U3引脚1、第二端通过电容C18接GND；电阻R37与R40第一端都与U3管脚4连接，R40第二端接地，R37第二端接U3管脚1；电容C26和C27的第一端接U3管脚3，C26第二端通过电阻R41接地，C27第二端接地；U3管脚5接地。

所述的基于4G通信的智能物联网网关，其中：电源模块包括指示灯电路，指示灯电路包括LTE状态指示灯电路、网络状态指示灯电路和系统状态指示灯电路，其中：

LTE状态指示灯电路包括MOS管Q1，Q1栅极G接电阻R10第一端，电阻R10第二端与U1管脚58连接，栅极G接电阻R14第一端，电阻R14第二端接地，源极S接地，漏极D接电阻R7第一端，电阻R7第二端接第1发光二极管负极，第1发光二极管正极接VCC_IN；

网络状态指示灯电路包括MOS管Q2，Q2栅极G接电阻R11第一端，电阻R11第二端与U1管脚57连接，栅极G接电阻R15第一端，电阻R15第二端接地，源极S接地，漏极D接电阻R8第一端，电阻R8第二端接第2发光二极管负极，第2发光二极管正极接VCC_IN；

系统状态指示灯电路包括MOS管Q3，Q3栅极G接电阻R12第一端，电阻R12第二端与主控制器U11的IO口连接，栅极G接电阻R16第一端，电阻R16第二端接地，源极S接地，漏极D接电阻R9第一端，电阻R9第二端接第3发光二极管负极，第3发光二极管正极接VCC_IN，第4发光二极管正极接VCC_IN，负极接电阻R6第一端，电阻R6第二端接地。

所述的基于4G通信的智能物联网网关，其中：设备通信模块包括隔离485模块U2，U2引脚1接VCC 3V3，引脚2接地，引脚1、2之间通过电容C17连接，引脚3通过电阻R31连接主处理器U11的引脚27；引脚4、5连接U11的引脚57；引脚6通过电阻R33连接U11的引脚28；引脚7、8接地；引脚9、10接GND_RS485，引脚13、15通过电阻R34接GND_RS485；引脚16接VCC_RS485，引脚15、16之间通过电容C16连接；引脚12接VCC_RS485，引脚12、13之间通过电阻R32连接，引脚12、13之间通过双向二级管D8连接，引脚12通过双向二级管D9接GND_RS485，引脚13通过双向二级管D7接GND_RS485；引脚12通过保险丝与接插件JP2脚2连接，引脚13通过保险丝与接插件JP2脚1连接。

所述的基于4G通信的智能物联网网关，其中：设备通信模块包括主处理器U11，U11的引脚1、2、3、4、5为程序下载口；引脚29、32分别通过电阻R57，R58连接芯片电源和信号地；引脚14、41、36连接3.3V电源，引脚14、41、36还与两个滤波电容1、2的第一端连接，该两个电容1、2的第二端接地；引脚15连接3.3V电源；引脚40通过电容4接电源地、引脚16通过电容5接地、引脚11、39连接电源地、引脚37通过电容3接地；引脚60、61、62、63、64连接FLASH；引脚24连接U1的状态脚43；引脚30、31连接8MHZ晶振，晶振两端各与电容C46、C47的第一端连接，电容C46、C47的第二端接地；引脚17、18连接32.768kHZ晶振，晶振两端分别与电容C48、C49的第一端连接，电容C48、C49的第二端接地；引脚59、58连接type-c端口；引脚60、61、62、63、64分别接外部flash存储芯片的CLK\MOSI\MISO\CSN\CSB引脚；引脚27、28接RS485模块的RS485_RX和RS485_TX。

附图说明

图1为基于4G通信的智能物联网网关的系统框图；

图2为本发明的基于4G通信的智能物联网网关的流程框图；

图3-1和3-2为本发明的基于4G通信的智能物联网网关的4G模块电路图；

图4为本发明的基于4G通信的智能物联网网关的SIM卡电路图；

图5为本发明的基于4G通信的智能物联网网关的SD卡电路图；

图6为本发明的基于4G通信的智能物联网网关的双电源切换电路图；

图7为本发明的基于4G通信的智能物联网网关的指示灯电路图；

图8为本发明的基于4G通信的智能物联网网关的隔离485模块电路图；

图9为本发明的基于4G通信的智能物联网网关的电源电路图；

图10为本发明的基于4G通信的智能物联网网关的主处理器电路图。

具体实施方式

下面结合附图1-9，对本发明的具体实施方式进行详细说明。

如图1所示，本发明的基于4G通信的智能物联网网关包括：

电源模块、网络通信模块、设备通信模块和上位机。

其中设备通信模块用于通过RS485总线与被监控供能(例如供热、供气、供电、供水等)设备的信息采集装置连接，接收采集到的被监控供能设备的工作信息，以及向被监控供能设备传输控制命令；网络通信模块用于接收设备通信模块传输的信息，并通过无线传输的方式发送给云端，以及通过无线传输的方式接收云端指令并将指令发送给设备通信模块；上位机用于对网络通信模块、设备通信模块进行相关的配置；电源模块用于为网络通信模块、设备通信模块进行供电。

其中云端(云服务)可以是阿里云、腾讯云、私有云等，用于统一接收网关上传的数据，并对设备进行监测控制，对总体能源进行统一调控，使能源利用最大化，进而达到清洁环保的效果。

电源模块，采用系统的安全的电源电路，为网络通信模块和设备通信模块提供可靠的工作电源。其中防反接模块，用于防止用户正负反接而烧坏设备；宽电压模块，9V-36V宽电压输入，适用范围更加广阔；DCDC模块，电压转化，为网络通信模块提供工作电压；LDO模块，电压转化，为设备通信模块提供工作电压；Type-C模块，为网关设备供电，并与上位机连接进行相关配置；电源选择模块，可以在Type-C和外部电源同时接入时进行选择，本发明中优先选择外部电源供电；ESD保护模块，静电防护，防止静电对设备造成损坏；

网络通信模块，采用国产的4G通信模块，成本低，高带宽，稳定可靠，安全性强，可以通过上位机进行简单配置，实现与阿里云、腾讯云、私有云等的数据传输，可以对传输数据进行指定加密，可以对数据进行本地存储，实现断点续传。其中数据接收模块用来接收设备通信模块发送的数据，数据存储模块，使用TF卡将接收到的数据进行本地保存，用于断点续传等，数据加密模块将接收到的数据按照加密要求进行加密，数据传输模块将数据按照配置的网络，传输到指定的云服务并接收云端发送的控制信息，数据发送模块接收数据传输模块的云端控制信息并发送给设备通信模块。

设备通信模块，采用国产龙芯1C芯片，低功耗，低成本，稳定可靠，处理能力强，可以通过上位机进行设备通信参数配置，用来选择通道序号，通道传输模式、传输协议、指定数据处理方法等，实现定制的设备数据采集控制功能和边缘计算，国产龙芯1C芯片内置数据采集模块、数据处理模块、数据通信模块。其中485模块/输入输出模块做为物理层通信接口，采用隔离485模块，与相应的被监测设备上的传感器进行连接并按照配置信息进行数据通信，数据采集模块通过物理层通信接口对数据进行采集，数据处理模块按照上位机配置信息，对采集到的数据进行相应处理(边缘计算等)，数据发送模块将处理后的数据发送给网络通信模块，数据接收模块接收网络通信模块发送的云端控制信息，并按照控制信息对相应设备进行控制。所述被监测设备是供能设备。

上位机，使用Qt编写，实现网络通信模块网络参数的配置，网络状态的监控以及设备通信模块连接状态查询、系统状态查询、上传、测试、运行、下载的功能和通道序号、通道类型、通信协议、设备序号、数据项、告警的配置。

图2为本发明的基于4G通信的智能物联网网关的流程框图。整机设备的工作流程如图2所示，程序开始，先进行时钟、IO口、串口、中断、SPI、全局变量等的初始化工作；之后会检测当前网络是否已经连接，如果未连接，可能是已经有配置信息，正在连接中，或者还未进行网络参数配置，此时等待网络连接，如果有上位机网络配置指令，将配置信息写入到Flash中，继续等待网络连接；如果网络连接成功，则判断Flash中是否有设备配置信息，如果无，则等待上位机配置设备信息，检测到上位机发送设备配置指令，将配置信息存储到Flash中，继续进行有无设备信息检测；如果Flash中有配置信息，则提取每个数据项通信频率，之后检测是否有云端控制信息，如果有，则按照控制信息，直接对相应的设备做出控制操作；如果无云端控制信息，则遍历数据项通信时间是否到达，如果未到达，则继续检测是否有云端控制信息，检测是否通信时间到达；如果数据项通信时间到达，则按照配置信息，发送相应的数据项信息给对应的与网关连接的被监测终端设备，进行数据通信，采集，之后将采集到的被监测设备数据发送到网络通信模块；网络通信模块对接收的数据进行本地存储，并进行加密操作，之后通过4G网络，由网络通信模块将数据发送到指定的云端；之后继续检测是否有云端控制信息，继续后续的流程，循环往复操作。

图3-1和3-2为本发明的基于4G通信的智能物联网网关的4G模块电路图。如图3-1所示，4G通信模块U1采用合宙的AIR724UG芯片，内置数据接收模块和数据发送模块，引脚59、60连接4V电源，引脚59、60与电容C1(100pf)、电容C2(100pf)、电容C3(33PF)、电容C4(100uF)的第一端连接，电容C1、C2、C3、C4的第二端接地，电容C1、C2、C3、C4的作用是为通信模块的电源引脚电平进行滤波，提高抗干扰性；引脚65连接1.8V电源，引脚65通过电容C5(10uf)接地；引脚14连接5V电源，引脚14与电容C8(100pf)、电容C9(10uf)的第一端连接，电容C8、C9的第二端接地；引脚2、13、17、20、23、33、44、45、47、48、61、62、77、100、107、108、109、116、117连接电源地；引脚3、4用于连接USB总线的转接芯片CH340,进而连接网关的type-c接口进行网络配置；引脚9、10、11、12连接SIM卡；引脚15、16连接通信模块的下载器(图中未示出)进行程序下载；引脚24、25、26、27、28、29、30连接SD卡，用于本地存储；引脚35、36连接龙芯32位主处理器U11的引脚25、26，进行串口通信；引脚46连接天线，用于无线发送，引脚46与电容C7(15pf)第一端连接，电容C7第二端接地，电容C7第一端与电容C6(15pf)第一端之间通过电感L1(1.6nH)连接，电容C6第二端接地，电容C6与天线输出端连接，天线座固定端接地；引脚57、58连接指示灯，用于状态指示；引脚67、68连接主处理器U11引脚21，进行模块开机启动控制。为了使电路看起来逻辑清晰，把4G模块未用到的管脚通过如图3-2示出，图3-2显示了4G模块的浮空引脚和接地引脚，其中接地引脚GND均可靠接地。

图4为本发明的基于4G通信的智能物联网网关的SIM卡电路图。如图4所示，SIM卡J1，采用MICRO-SIM—S0HG-180006-03G封装；引脚1为数据引脚，连接电阻R2上拉电阻第一端，R2第二端接电源端(U1的引脚12)，R2用于增强驱动能力和数据线抗干扰能力，引脚1通过电容C12(33pF)接地，用于消除高频电磁干扰，引脚1与双向TVS瞬态抑制二极管D1第一端连接，D1第二端接地，D1用于防止静电等高压损坏接口，引脚1通过电阻R3连接U1的引脚10；引脚2浮空；引脚3连接电源地；引脚4为电源引脚，连接U1的引脚12，引脚4与电容C13(0.1uf)、电容C14(33pf)的第一端连接，电容C13、电容C14的第二端接地；引脚5为复位引脚，与R5(33Ω)电阻第一端连接，R5起到保护IO口的作用，R5第二端连接U1的引脚11；引脚6为时钟引脚，串联电阻R4后连接U1的引脚9，其串联的R4(33Ω)起限流作用，防止过流烧坏SIM卡芯片。引脚5、6分别通过电容C10(33pf)、C11(33pf)接地，其中C10对信号总线的复位信号线RST做高频干扰滤波；C11对时钟线CLK做高频滤波，防止时钟受到高频电磁干扰，影响通信过程；C12对数据线IO/SIM0_DA做高频滤波，防止数据线受高频电磁干扰。

图5为本发明的基于4G通信的智能物联网网关的SD卡电路图。如图5所示，SD卡SD1引脚7、8、1、2为数据通信引脚，分别通过阻值为33欧的电阻R21、R22、R13、R17(起限流作用，防止SD插拔过程中导致IO口过流烧坏)连接U1的引脚29、30、25、26；引脚3为命令引脚，通过33欧的电阻R18(起限流作用，防止SD插拔过程中导致IO口过流烧坏)连接U1的引脚27；引脚4为电源引脚，通过O欧电阻R19(R19用于在电路批量生产时，方便分模块测试电路)连接U1的引脚24；引脚5为时钟引脚，通过33欧电阻R20连接U1的引脚28；引脚6为电源地；引脚9浮空。

图6为本发明的基于4G通信的智能物联网网关的双电源切换电路图。双电源切换电路包括PMOS管(HX2301)Q8，Q8漏极D接USB口电源VUSB(TYPE-C的电源引脚)，栅极G接电阻R49的第一端，R49第二端接电阻R50的第一端，电阻R50第二端接地，R49第二端接VCC_DCDC(图9中电源电路模块输出端)；二极管D18正极接VCC_DCDC，负极接Q8源极S和VCC_IN(5V转3.3V电路模块的输入端)。双电源切换电路用于为TYPE-C供电电路(图中未示出)和9～36V供电电路提供电源切换。

如图6所示，当只有外部电源供电时，VCC_DCDC经过二极管SS34(D18)，加载到PMOS(Q8)的源极，并且同时加载电压到PMOS的栅极，栅极电压和源极电压相等，PMOS不导通，电路中VCC_IN等于VCC_DCDC；当只有type-c供电时，PMOS漏极(D)电压5V,经过体二极管，压降0.7V，源极(S)电压4.3V,栅极(G)电压0V，PMOS导通，电路中VCC_IN等于VBUS；当外部电源和type-c同时供电时，PMOS源极电压等于VCC_DCDC,栅极电压等于VCC_DCDC，栅极电压和源极电压相等，PMOS不导通，电路中VCC_IN等于VCC_DCDC。

图7为本发明的基于4G通信的智能物联网网关的指示灯电路图。

LTE状态指示灯电路包括MOS管(HX2300)Q1，Q1栅极G接电阻R10第一端，电阻R10第二端与图3中4G模块管脚58连接，栅极G接电阻R14第一端，电阻R14第二端接地，源极S接地，漏极D接电阻R7第一端，电阻R7第二端接第1发光二极管负极，第1发光二极管正极接VCC_IN。

网络状态指示灯电路包括MOS管(HX2300)Q2，Q2栅极G接电阻R11第一端，电阻R11第二端与图3中4G模块管脚57连接，栅极G接电阻R15第一端，电阻R15第二端接地，源极S接地，漏极D接电阻R8第一端，电阻R8第二端接第2发光二极管负极，第2发光二极管正极接VCC_IN。

系统状态指示灯电路包括MOS管(HX2300)Q3，Q3栅极G接电阻R12第一端，电阻R12第二端与主控制器(主处理器U11)IO口连接，栅极G接电阻R16第一端，电阻R16第二端接地，源极S接地，漏极D接电阻R9第一端，电阻R9第二端接第3发光二极管负极，第3发光二极管正极接VCC_IN，第4发光二极管(网络状态指示灯)正极接VCC_IN，负极接电阻R6第一端，电阻R6第二端接地。

如图7所示，三种不同的指示灯，LTE状态指示灯连接U1引脚58，用于指示4G模块是否工作正常，其中Q1为NMOS管，当栅极(G)电压大于源级(S)电压时，漏极(D)和源级导通，R14为分压电阻，R7，R10为限流电阻，防止过流导致发光二极管(D2)和NMOS(Q1)过流损坏；网络状态指示灯连接U1引脚57，用于指示网络状态是否正常；系统状态指示灯连接主处理器U11的引脚19，用于指示系统运行是否正常，亮灭交替系统运行正常，常亮处于设备配置阶段，常灭系统不正常。

图8为本发明的基于4G通信的智能物联网网关的隔离485模块电路图。如图8所示，采用DCDC隔离电源B0505S(图中未示出)为485接口独立供电，通过隔离485模块(NS183085)U2进行485通信，U2引脚1接VCC 3V3(3.3V电源端)，引脚2接地，引脚1、2之间通过电容C17(为NS183085芯片电源管脚1滤波)连接，引脚3通过电阻R31连接U11的引脚27，作为RS485RX端使用；引脚4、5连接U11的引脚57(RS485 EN)，实现主控制器(主处理器U11)对NS183085的数据流控，即控制数据输入输出方向；引脚6通过电阻R33连接U11的引脚28，作为RS485TX端使用；引脚7、8接地；引脚9、10接GND_RS485，引脚13、15通过电阻R34接GND_RS485；引脚16接VCC_RS485(B0505S-1W的输出引脚，B0505S为主板5V电源VCC_IN到RS485外部5V的DCDC隔离模块)，引脚15、16之间通过电容C16连接；引脚12接VCC_RS485，引脚12、13之间通过电阻R32连接，引脚12、13之间通过双向二级管D8连接，引脚12通过双向二级管D9接GND_RS485，引脚13通过双向二级管D7接GND_RS485；引脚12通过保险丝与接插件JP2脚2连接，引脚13通过保险丝与接插件JP2脚1连接，图8中的浪涌保护器TBU-CA065可以替代D10、D11放电管，主要起到对RS485接口的静电保护，防止由于高压静电而损坏。

此外R30，R34两个上下拉电阻，提高了485通信线抗干扰性和总线驱动能力，R32为终端匹配电阻，防止总线电平失真过度导致数据错误，D7、D8、D9为瞬态抑制二极管(TVS)，D10、D11两个气体放电管对地放电，对485总线接口保护，综上所诉隔离可以使通信在严重的扰动和其他系统级噪声存在的情况下不间断、无差错。

图9为本发明的基于4G通信的智能物联网网关的电源电路图。电源电路包括输入接口保护、EMC电磁干扰保护、防反接、LDO(低压差线性稳压器)，最终将直流9～36V的宽压输入转换为直流5V的稳定输出。具体电路描述如下：9-36V电压源的正负极与JP3接插件连接后并入MOV1压敏电阻(05D560K),JP3接插件管脚1接正极，管脚2接负极，压敏电压典型值为56V，对后级电路起到电压保护作用，JP3管脚2与大地EARTH之间接放电管D81(SMD90XM)，用于对大地放电；JP3管脚1、2分别连接自恢复保险丝Fu3、Fu4的第一端，自恢复保险丝用于电源回路限流保护；自恢复保险丝Fu3、Fu4第二端分别接双向TVS管(双向瞬变二极管)D12、D15的第一端，D12、D15的第二端接地，双向瞬变D12、D15的第一端之间通过双向TVS管D14连接，D12、D15、D14的作用是用于电源回路上的过压保护，其中D12、D15用于线路对大地(EARTH)过压保护，D14用于电源回路正负极之间过压保护；C25电容接电源回路正负极之间，用于电源高频滤波；C25电容两端分别与共模电感L3的引脚1和引脚2连接，其中L3引脚1接电源回路正极，引脚2接电源回路负极，L3的引脚3作共模滤波后的电源负极，引脚4作共模电感滤波后的电源正极，共模电感起EMI滤波的作用，防止共模干扰，同时用于抑制高速信号线产生的电磁波向外辐射发射；共模电感L3的引脚3、引脚4分别与电容C24的两端连接，引脚3、4间并入电容C24，同样起高频干扰滤波作用；之后通过PMOS管Q7实现防反接电路，其中Q7漏极D接L3引脚4，源级S接线性稳压器U3(MP4560)输入引脚7，栅极G接电阻R36的第一端，电阻R36的第二端接地，稳压二极管(DZ1)和电阻R36组成串联稳压电路，其中DZ1阳极管脚1接R36，阴极管脚2接Q7源级S；共模电感的引脚3、4极之间接入C20、C21、C22、C23四个滤波电容，分别对高频和低频电源干扰滤波，其中C22、C23为极性电解电容，能还起到一定储能作用，防止电源电压波动；电阻R35第一端与L3引脚4连接，第二端与电阻R38第一端连接，R38第二端与L3引脚3连接，R35和R38组成串联分压电路，分压端(即R35和R38的连接端)接U3管脚2,起U3芯片的使能作用；之后通过线性稳压器(LDO)MP4560(U3)实现宽电压输入5V输出，其中电阻R39接U3引脚6后接地，电容C19两端接U3引脚1和8；二极管D13负极接U3引脚1，正极接地(GND)；电感L2接第一端U3引脚1、第二端通过电容C18接GND，对地滤波；电阻R37与R40第一端都与U3管脚4连接，R40第二端接地，R37第二端接U3管脚1，R37与R40组成分压电路，起输出电压反馈；电容C26和C27的第一端接U3管脚3，C26第二端通过电阻R41接地，C27第二端接地；U3管脚5接地。

图10为本发明的基于4G通信的智能物联网网关的主处理器电路图。如图10所示，主处理器U11采用龙芯1C系列(loongson1c101)，引脚1、2、3、4、5为程序下载口；引脚29、32分别通过电阻R57(4.7K)，R58(549K)连接芯片电源和信号地,用于通过上下拉实现不同的启动方式；引脚14、41、36连接3.3V电源，引脚14、41、36还与两个10pf的滤波电容1、2的第一端连接，该两个电容1、2的第二端接地；引脚15连接3.3V电源；引脚40通过电容4(作为按键的外接电容，减小电压抖动)接电源地、引脚16通过电容5(引脚16是系统复位引脚，上电后产生低电平复位信号)接地、引脚11、39连接电源地、引脚37通过电容3(可以用于对预留的外围模块的1.8V供电引脚进行滤波，所述外围模块例如可以是传感器)接地；引脚60、61、62、63、64连接FLASH，实现片外配置信息存储；引脚24连接U1的状态脚43，用于监测4G模块的工作状态；引脚30、31连接8MHZ晶振，晶振两端各与电容C46、C47的第一端连接，电容C46、C47的第二端接地；引脚17、18连接32.768kHZ晶振，晶振两端分别与电容C48、C49的第一端连接，电容C48、C49的第二端接地；引脚59、58连接type-c端口，用于与上位机配置软件通信进行数据项信息配置。引脚60、61、62、63、64分别接外部flash存储芯片的CLK\MOSI\MISO\CSN\CSB引脚，用于与外部16M-bit存储器(图中未示出)通信；引脚19、20、21分别接图7中系统状态指示灯电路的输入端、4G模块U1的重启控制电路和开机控制电路(图中未示出)的输入端(RSXET_KEY、PWRKEY)，用于系统状态指示、控制4G模块的重启、开机；引脚25、26接U4(图中未示出，该芯片为TXB0104PWR，IO口电平转换芯片)，用于实现与4G通信模块的数据通信。引脚27、28接图8中RS485通信接口电路的RS485_RX和RS485_TX，用于与外部设备(供能设备或传感器等)通信；

本发明的基于4G通信的智能物联网网关在工作时，网关主控制器读取存储器U12(图中未示出)中数据采集参数信息，通过485接口连接终端(即采集对象)的传感器，终端传感器可以主动发送数据(例如采集对象的温度，压力等数据)也可由网关主动与传感器通信，请求传感器数据，而后经过MCU(主控制器U11)进行数据处理，边缘计算等操作，最后将数据根据协议打包发送给4G通信模块，4G模块将数据通过电信运营商4G网络，通过MQTT或TCP/IP协议发送到服务器对应端口，实现数据上传。

本发明的优点和技术效果如下：采用国产龙芯芯片，实现了“自主、安全、可控”要求；具有很强的边缘计算能力；数据吞吐量大，同时采集200条以上数据项；具备RS485接口，采集数据支持上传至多种物联网平台；

以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出的各种修改或等同替换也落在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种基于4G通信的智能物联网网关，包括电源模块、网络通信模块、设备通信模块，其特征在于：其中设备通信模块用于通过数据总线与被监控供能设备的信息采集装置连接，接收采集到的被监控供能设备的工作信息，并向被监控供能设备传输控制命令；网络通信模块用于接收设备通信模块传输的信息，并通过无线传输的方式发送给云端，以及通过无线传输的方式接收云端指令并将指令发送给设备通信模块；电源模块用于为网络通信模块、设备通信模块进行供电。

2.根据权利要求1所述的基于4G通信的智能物联网网关，其特征在于网络通信模块包括：4G通信芯片U1和数据存储模块，4G通信芯片U1包括数据接收模块和数据发送模块；数据接收模块，用来接收设备通信模块发送的数据；数据存储模块，用于将接收到的数据进行本地保存；数据发送模块，用于接收数据传输模块的云端控制信息并发送给设备通信模块。

3.根据权利要求1所述的基于4G通信的智能物联网网关，其特征在于：设备通信模块包括数据采集模块、数据处理模块和数据发送模块，其中数据采集模块通过物理层通信接口对数据进行采集，数据处理模块按照上位机配置信息，对采集到的数据进行相应处理，数据发送模块将处理后的数据发送给网络通信模块。