CN206331579U - LoRa通用节点 - Google Patents

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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)。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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Patentee after: Beijing Sanfan Intelligent Technology Co.,Ltd.

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Granted publication date: 20170714

Termination date: 20220104

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