CN206331579U - LoRa通用节点 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于无线通信技术领域，具体涉及一种适用于物联网系统的远程监控及管理的信号传输节点；具体技术方案为：LoRa通用节点，包括PCB板和布置在PCB板上的微控制器，PCB板的外侧装有LoRa天线，微控制器与传感器模块的信号输出口并联，传感器模块可用来感知各种信号，微控制器的信号输出口与LoRa收发器通过SPI总线连接，LoRa收发器与LoRa天线相连，LoRa天线与LoRa网关无线连接，实现系统的采集和前端传输，微控制器与总线接口模块连接，电源模块为微控制器供电，欠压检测模块用以检测系统是否处于正常运行状态，避免欠压工作而影响精确度，很大程度地节约了终端采集器的成本。

Description

LoRa通用节点

技术领域

本实用新型属于无线通信设备技术领域，具体涉及一种适用于物联网系统的远程监控及管理的信号传输节点。

背景技术

随着物联网和无线通信技术的飞速发展，人们与信息网络已经密不可分，无线通信在人们的生活中扮演着越来越重要的角色，低功耗、微型化是用户对当前无线通信产品尤其是便携产品的强烈要求。短距离无线通信的低成本、相对其它无线通信技术的低功耗、及其对等通信特征等适应了飞速发展的便捷信息传输的需求，在技术、成本、可靠性及可实用性等各方面的综合考虑下，低功耗长距离无线通信技术成为了当今通信领域研究的热点。

目前市面上的采集终端主要是基于RTU技术，通过GPRS、3G、4G网络传输采集到的数据，每个采集终端造价高，而且在运营中需要支付给通信公司高额的流量使用费，通信数据受运营商接口的限制。只能遵循运营公司的标准来做传输受到很大的局限，数据传输延时比较大，由于RTU服务器的限制每条数据传输需要有一定的时间间隔，达不到实时性数据传输的要求，且每个终端需要配置大功率的太阳能供电系统，维护成本很高，使用寿命低每隔2年就需要更换蓄电池。高成本的采集终端导致采集器部署非常有限，以至于采集到的数据不足已给决策者提供准确有效数据分析能力，给管理层工作造成很大的困难。

实用新型内容

为解决现有技术存在的技术问题，本实用新型提供了一种应用LoRa技术的通用节点，该节点适用于物联网系统的远程监控及管理，可以接入不同类型的传感器来感知各种信号，通过LoRa扩频无线信号传给LoRa网关，实现系统的采集和前端传输，成本低且低功耗，可实现远距离传输，可广泛应用在智慧农业和智慧水务中。

为实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案为：LoRa通用节点，包括PCB板和布置在PCB板上的微控制器，微控制器的四周布置有电源模块、欠压检测模块、传感器模块和总线接口模块，PCB板的外侧装有LoRa天线，微控制器的信号输入口与传感器模块的信号输出口并联，传感器的数量和信号根据实际需要而定，传感器模块可用来感知各种信号。微控制器的信号输出口与LoRa收发器通过SPI总线连接，LoRa收发器与LoRa天线相连，LoRa天线与LoRa网关无线连接，LoRa天线将LoRa扩频无线信号传输给LoRa网关，实现系统的采集和前端传输。微控制器与总线接口模块连接，总线接口的数量和型号根据实际而定，微控制器的供电端口与电源模块相连，电源模块为微控制器供电，微控制器的检测端口与欠压检测模块相连，欠压检测模块用以检测系统是否处于正常运行状态，避免欠压工作而影响精确度。

其中，作为优选的，传感器模块为模拟量传感器、开关量传感器和Modbus传感器，模拟量传感器传感器的信号输出口、开关量传感器的信号输出口和Modbus传感器的信号输出口均与微控制器相连，模拟量传感器为4-20mA电流环信号的采集器，开关量传感器用以采集开关量DI的采集，Modbus传感器用以采集数字开关量DO的输出。

PCB板的四角开均开有螺纹孔，方便定位和拆装。

LoRa天线为137-1020MHz射频天线。

其中，作为优选的，LoRa天线为470MHz射频天线。

其中，作为优选的，多个总线接口模块为RS232总线接口和RS485总线接口，RS232总线接口和RS485总线接口均与微控制器相连，内嵌Modbus/RTU协议。

考虑到整个PCB板的结构布局需求，电源模块、欠压检测模块置于同一侧，模拟量传感器、开关量传感器、Modbus传感器、RS232总线接口和RS485总线接口置于同一侧。

电源模块为3200mAh高能锂电池，一节3200mAh高能锂电池可供LoRa通用节点使用5-10年。

微控制器上还集成有外部存储器，可对采集的数据进行记录，也可以对运行参数做记录。

本实用新型与现有技术相比的有益效果为：

一、低成本：本实用新型利用LoRa扩频通信技术，实现了终端数据到云端的采集，LoRa通用节点通过LoRa网关接入互联网，每个LoRa网关可以接入多达5000个LoRa通用节点，只需要一条互联网接入通道，很大程度地节约了终端采集器的成本。

二、远距离通信：LoRa网关和LoRa通用节点终端采用扩频无线通信技术，最远可达20公里的通信距，LoRa通用节点和LoRa网关之间采用星型拓扑结构，同时，LoRa通用节点可以在不通的LoRa网关之间无缝漫游通信，采用此通信模式延时小，更好地提高系统通信实时性要求。

三、低功耗：LoRa通用节点采用低功耗设计，采用单节高能电池供电，一节2300MA电池可以使用5-10年，和传统太阳能系统供电采集终端相比更加低成本。

附图说明

图1为本实用新型的控制简图。

图2为本实用新型的控制原理图。

图3为本实用新型的结构布局图。

图中，1为PCB板，2为微控制器，3为电源模块，4为欠压检测模块，5为传感器模块，6为外部存储器，7为LoRa天线，8为SPI总线，9为LoRa网关，10为总线接口模块，11为模拟量传感器，12为开关量传感器，13为Modbus传感器，14为螺纹孔，15为RS232总线接口，16为RS485总线接口，17为LoRa收发器。

具体实施方式

为了使本实用新型所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图1-3所示，LoRa通用节点，包括PCB板1和布置在PCB板1上的微控制器2，微控制器2的四周布置有电源模块3、欠压检测模块4、传感器模块5和总线接口模块10，PCB板1的外侧装有LoRa天线7，微控制器2的信号输入口与传感器模块5的信号输出口并联，传感器的数量和信号根据实际需要而定，传感器模块5可用来感知各种信号。微控制器2的信号输出口与LoRa收发器17通过SPI总线8连接，LoRa收发器17与LoRa天线7相连，LoRa天线7与LoRa网关9无线连接，LoRa天线7将LoRa扩频无线信号传输给LoRa网关9，实现系统的采集和前端传输。微控制器2与总线接口模块10连接，总线接口的数量和型号根据实际而定。电源模块3为微控制器2供电，微控制器2的检测端口与欠压检测模块4相连，欠压检测模块4用以检测系统是否处于正常运行状态，避免欠压工作而影响精确度。

其中，作为优选的，传感器模块5为模拟量传感器11、开关量传感器12和Modbus传感器13，模拟量传感器11传感器的信号输出口、开关量传感器12的信号输出口和Modbus传感器13的信号输出口均与微控制器2相连，模拟量传感器11为4-20mA电流环信号的采集器，开关量传感器12用以采集开关量DI的采集，Modbus传感器13用以采集数字开关量DO的输出。

LoRa通用节点采用Lora扩频通信技术，该技术具有低功耗，远距离传输特点。采用LoRa WAN 协议更好的实现了多节点通信，更好地保证了数据接收的稳定性。无线接收器通过扩频技术使得此类接收机在114kHz的带宽下使用获得接近-130dBm的灵敏度。与FSK系统相比，这种新的扩频方式在灵敏度上改善了30dB，这样使得同样的通信距离发射功率就会降低，从而实现低功耗长距离的通信。

PCB板1的四角开均开有螺纹孔14，方便定位和拆装。

其中，LoRa天线7为137-1020MHz射频天线，可根据实际需要，来选择LoRa天线7的合适频率。

其中，作为优选的，多个总线接口模块10为RS232总线接口15和RS485总线接口16，RS232总线接口15和RS485总线接口16均与微控制器2相连，内嵌Modbus/RTU协议。

考虑到整个PCB板1的结构布局需求，电源模块3、欠压检测模块4置于同一侧，模拟量传感器11、开关量传感器12、Modbus传感器13、RS232总线接口15和RS485总线接口16置于同一侧。

微控制器2上还集成有外部存储器6，可对采集的数据进行记录，也可以对运行参数做记录。

工作流程: LoRa网关9射频通信模块接收LoRa通用节点发来的数据，在系统内部做差错校验和完整性检测以后，把正确的完整数据转发给云服务器，LoRa网关9同时担任服务器发来的数据转发给LoRa通用节点。

LoRa通用节点采用低功耗32位MCU做主控器,内嵌LoRaWAN无线通信协议，有信号碰撞检测机制，自适应速率，面对复杂的环境有超强抗干扰机制。自带了ACK信号确认，有效保障了通信可靠性要求。发射功率根据通信距离的RISS值自动调整，有效地实现了低功耗通信的要求。内置超强休眠机制，睡眠电流可低至10uA级，1节电池3000mAh高能锂电池可供LoRa通用节点使用5-10年，和传统太阳能系统供电采集终端相比更加低成本，比现有的无线通信技术功耗降低了数倍。

LoRa通用节点设计了4-20mA电流环采集模块，用于采集各种传感器电流信号。该LoRa通用节点设计满足大部分传感器接口的要求，系统做到了通用性，升级更换传感器或应用方式改变时候无需更换终端节点。

传感器被换能器接收转换成电信号，电信号再通过高精度AD转换器转换成数字信号，通过LoRaWan协议传送到网关，每个LoRa通用节点有一个唯一的ID码做标识，服务器通过ID码来识别传感器的安装位置。

LoRa通用节点内有数字滤波器，对采集的数据做分析，去掉杂波有干扰的数据，保证数据的准确性。

系统内部集成了8Mbyte的Flash存储器，可对采集数据进行记录，可以对LoRa通用节点运行参数做日志记录。

长距离低功耗是本系统的特点，体现在实际应用中是成本大范围的降低。使得数据采集的密度提高，有效地为决策者提供第一手数据资料，对决策起了至关重要的作用。

该LoRa通用节点利用LoRa扩频通信技术，实现了终端数据到云端的采集，LoRa通用节点通过LoRa网关9接入互联网，每个LoRa网关9可以接入多达5000个LoRa通用节点，只需要一条互联网接入通道。很大程度的节约了终端采集器的成本。以一个RTU终端通信服务费每年110元计算，5000个节点每年产生的流量月租费用达5000*110=60万元，而采用此系统运营费用仅需一条普通4m ADSL线路或光纤接入的费用，此费用大约在每年600-2000元。

LoRa网关9和LoRa通用节点采用扩频无线通信技术最远可达3-10公里的通信距，LoRa通用节点和LoRa网关9之间采用星型拓扑结构，同时LoRa通用节点可以在不通的LoRa网关9之间无缝漫游通信。采用此通信模式延时小，更好的提高系统通信实时性要求。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包在本实用新型范围内。

Claims (8)

1.LoRa通用节点，其特征在于，包括PCB板（1）和布置在PCB板（1）上的微控制器（2），所述微控制器（2）的四周布置有电源模块（3）、欠压检测模块（4）、传感器模块（5）和总线接口模块（10），PCB板（1）的外侧装有LoRa天线（7），微控制器（2）的信号输入口与传感器模块（5）的信号输出口并联，微控制器（2）的信号输出口与LoRa收发器（17）通过SPI总线（8）连接，LoRa收发器（17）与LoRa天线（7）相连，LoRa天线（7）与LoRa网关（9）无线连接，微控制器（2）与总线接口模块（10）连接，微控制器（2）的供电端口与电源模块（3）相连，微控制器（2）的检测端口与欠压检测模块（4）相连。

2.根据权利要求1所述的LoRa通用节点，其特征在于，所述传感器模块（5）为模拟量传感器（11）、开关量传感器（12）和Modbus传感器（13），模拟量传感器（11）传感器的信号输出口、开关量传感器（12）的信号输出口和Modbus传感器（13）的信号输出口均与微控制器（2）相连。

3.根据权利要求2所述的LoRa通用节点，其特征在于，所述PCB板（1）的四角开均开有螺纹孔（14）。

4.根据权利要求3所述的LoRa通用节点，其特征在于，所述LoRa天线（7）为137-1020MHz射频天线。

5.根据权利要求4所述的LoRa通用节点，其特征在于，多个所述总线接口模块（10）为RS232总线接口（15）和RS485总线接口（16），RS232总线接口（15）和RS485总线接口（16）均与微控制器（2）相连。

6.根据权利要求5所述的LoRa通用节点，其特征在于，所述电源模块（3）、欠压检测模块（4）置于同一侧，所述模拟量传感器（11）、开关量传感器（12）、Modbus传感器（13）、RS232总线接口（15）和RS485总线接口（16）置于同一侧。

7.根据权利要求6所述的LoRa通用节点，其特征在于，所述电源模块（3）为3200mAh高能锂电池。

8.根据权利要求7所述的LoRa通用节点，其特征在于，所述微控制器（2）上还集成有外部存储器（6）。