CN207896983U - 多链路物联网网关 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种多链路物联网网关，集成在同一网关内的有通信单元、数据采集单元、电源管理单元和MCU主控单元，所述通信单元包括NB‑IoT通信模组和Sub‑1G通信模组，MCU主控单元分别经对应的协议通道与通信单元的NB‑IoT通信模组和Sub‑1G通信模组进行通信。有益效果：集成了数据采集功能和数据通信功能，可在不能接入NB‑IoT网络时选择Sub‑1G通信模组接入一定距离内多个网关所建立的区域网络，将数据转发给其他能够接入NB‑IoT网络的网关进行数据的转传，使网关的应用场景更多，包括营运商信号不通畅的野外环境中。

Description

多链路物联网网关

技术领域

本实用新型涉及物联网网关技术领域，具体的说，涉及一种多链路物联网网关。

背景技术

物联网是一门新兴的技术领域，旨在将传感器和设备联入互联网中，实现人与物、物与物之间的信息交流。

现有技术中，探测器结点与网关独立设置并由线路连接通信，散乱的分布会影响使用和维护不便，还会增加耗电，尤其对于野外的探测点来说，电能难以随时提供，使得每个探测点的设备必须尽可能地减少消耗。

同时，在野外环境下，信号的分布远远达不到每个点都能全面覆盖，因此一些没有网络信号的地方不能完成数据的实时采集后上传，但这些地方往往是最需要检测和掌控的，缺少对这些区域的实时数据，对森林火灾等探测必然得不到满意的效果。

现有技术的缺点：探测器与网关分开设置，功耗高；没有信号分布的地点不能实时传输数据。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种多链路物联网网关，将数据采集和网关功能集成于一体，且工作实行周期休眠以降低功耗，并可以在一些难以接入网络的地点使网关把数据转由一定距离内可以接入网络的其他网关进行传输。

为达到上述目的，本实用新型采用的具体技术方案如下：

一种多链路物联网网关，集成在同一网关内的有通信单元、数据采集单元、电源管理单元和MCU主控单元；

所述通信单元用于建立信号网络及传输数据，所述通信单元包括NB-IoT通信模组和Sub-1G通信模组，其中，NB-IoT为基于蜂窝的窄带物联网，Sub-1G为频率低于1GHz的无线通信信号；

所述数据采集单元用于探测和采集场景数据，并传输数据至MCU主控单元进行通信；

所述电源管理单元为网关提供电能；

所述MCU主控单元负责所述多链路物联网网关的数据处理、入网传输，并控制不同接入网络方式的切换，以及根据电能输出功率进行动态规划工作周期和控制功耗；

所述MCU主控单元分别经对应的协议通道与通信单元的NB-IoT通信模组和Sub-1G通信模组进行通信，所述MCU主控单元分别与数据采集单元和电源管理双向连接。

通过上述设计，网关集成了数据采集功能和数据通信功能，且MCU主控单元可以选择NB-IoT通信模组接入NB-IoT网络进行数据传输，也可在不能接入NB-IoT网络时选择Sub-1G通信模组接入一定距离内多个网关所建立的区域网络，将数据转发给其他地点能够接入NB-IoT网络的网关进行数据的转传，这样能使网关的应用场景更多，包括营运商信号不通畅的野外环境中。

进一步描述，所述电源管理单元为太阳能电源管理单元；

所述太阳能电源管理单元用于转换太阳能供电，并根据太阳能输出功率动态调节参数和分配能量。

通过上述设计，野外环境的太阳能可由太阳能电源管理单元收集并转换供电，进一步降低网关对充电的需求。

更进一步描述，所述通信单元还包括蓝牙通信模组；

所述蓝牙通信模组经蓝牙通信协议通道与MCU主控单元进行蓝牙通信。

通过上述设计，MCU还可经蓝牙通信模组进行数据传输，使任意可以收发蓝牙信号的设备与网关进行通信。

更进一步描述，NB-IoT的组件网络为电信运营商所提供的网络通道，Sub-1G的组件网络为1-3km范围内的至少2个多链路物联网网关所搭建的信号通道。

更进一步描述，所述Sub-1G为频率为430MHz的数据通信信号。

更进一步描述，所述Sub-1G通信模组包括Sub-1G无线数据芯片、开关转换芯片U2、天线；

所述Sub-1G无线数据芯片的串行输出脚SDO连接MCU的sub输入脚B9/2.7，Sub-1G无线数据芯片的串行输入脚SDI连接MCU的sub输出脚B7/2.4，Sub-1G无线数据芯片的串行时钟脚SCLK连接MCU的时钟脚B8/2.6，所述Sub-1G无线数据芯片的第一电源脚VDD-dig连接电源VCC，Sub-1G无线数据芯片的第二接地脚NC2接地，所述Sub-1G无线数据芯片的电源脚VDD与第二接地脚NC2之间连接有第一电容C1；

所述Sub-1G无线数据芯片的片选脚nSEL连接MCU的片选sub接脚B6/2.5，Sub-1G无线数据芯片的中断脚nIRQ连接MCU的sub中断接脚B5/2.2，所述中断脚nIRQ还串接第一电阻R1后连接电源VCC，Sub-1G无线数据芯片的频率输出脚XOUT和频率输入脚XIN之间连接有第一晶振Y1，Sub-1G无线数据芯片的复位脚SDN连接MCU的sub复位接脚D7/2.3，所述复位脚SDN还串接第二电阻R2后接地，所述第二电阻R2的接地端串接第七电容C7后连接电源VCC，所述第七电容C7两端还分别并联有第八电容C8、第九电容C9、第十电容C10；

所述Sub-1G无线数据芯片的第二电源脚VDD-RF连接电源VCC，Sub-1G无线数据芯片的信号输出脚TX串接第三电感L3后连接电源VCC，所述信号输出脚TX还依次串接第十一电容C11、第五电感L5、第六电感L6、第十四电容C14后连接开关转换芯片U2的输入脚OUT2，所述第五电感L5和第六电感L6的公共端串接第十三电容C13后接地，Sub-1G无线数据芯片的正差分信号脚RX-p串接第五电容C5后连接开关转换芯片U2的输出脚OUT1，Sub-1G无线数据芯片的负差分信号脚RX-n串接第一电感L1后与所述正差分信号脚RX-p连接，所述负差分信号脚RX-n还串接第四电容C4后接地，Sub-1G无线数据芯片的第一接地脚NC1接地；

所述Sub-1G无线数据芯片的调压输出脚VR-dig串接第二电容C2后接地，所述第二电容C2两端并联有第三电容C3；

所述开关转换芯片U2的接地脚GND接地，开关转换芯片U2的信号脚RF-in依次串接第六电容C6、第二电感L2后连接天线，所述第六电容C6和第二电感L2的公共端串接第十五电容C15后接地，所述第二电感L2和天线的公共端串接第十六电容C16后接地。

通过上述设计，所述Sub-1G无线数据芯片通过串行输出脚SDO和串行输入脚SDI与MCU进行数据传输，Sub-1G无线数据芯片将数据转换为Sub-1G信号后通过信号输出脚TX发送到天线，其间的所述第五电感L5、第六电感L6、第十三电容C13组成一个低通滤波器，过滤掉高频信号，所述第二电感L2、第十五电容C15、第十六电容C16组成另一个低通滤波器过滤高频信号，所述开关转换芯片U2可控制是否进行Sub-1G信号的传输。

更进一步描述，所述第十一电容C11和第五电感L5的公共端还连接有电磁信号滤波电路；

所述电磁信号滤波电路设置为并联的第四电感L4和第十二电容C12，并联公共端的一端连接所述第十一电容，另一端串接第三电阻R3后接地。

通过上述设计，所述电磁信号滤波电路将区域内杂乱的电磁信号进行过滤，使Sub-1G信号的传输不受影响。

所述多链路物联网网关的工作方法，包括自动工作方法A和手动工作方法M；

所述自动工作方法A采用如下步骤：

A1，所述MCU主控单元自动唤醒，并控制电源管理单元加大供电输出功率；

A2，所述MCU主控单元控制数据采集单元工作并传输所采集的数据至MCU主控单元；

A3，所述MCU主控单元判断当前范围的NB-IoT信号是否满足数据传输条件，若满足，进入步骤A4，若不满足，则跳到步骤A5；

所述数据传输条件为能否接入NB-IoT网络进行数据传输；

A4，所述MCU主控单元将数据信号经NB-IoT协议通道上传至远端的联网平台，完成后跳到步骤A6；

A5，所述MCU主控单元将数据信号经Sub-1G协议通道转送至可以接入NB-IoT进行传输的另一多链路物联网网关，由该多链路物联网网关进行数据上传；

A6，所述MCU主控单元读取电源管理单元的剩余电量，并计算该剩余电量状态下网关的工作时长和待休眠周期时间T；

A7，所述MCU主控单元控制网关进入休眠状态等待唤醒，并开始计时；

A8，计时到达休眠周期时间T后结束计时，返回A1进入新一轮工作。

通过上述设计，网关设置2种工作模式，常态下为自动工作方法A下的工作模式，当附近有人员需要主动连接网关进行数据通信的时候则进入手动工作方法M下的工作模式，自动工作方法A为周期休眠、唤醒的低功耗工作模式，由于物联网网关通常所获取并传输的数据量不大，因此周期性工作足够正常的数据通信，则周期休眠、唤醒大大降低了网关的能耗，同时，在不能接入NB-IoT网络使主动选择区域的Sub-1G网络进行转发传输数据，扩大了网关的应用范围。

进一步描述，所述手动工作方法M采用如下步骤：

M1，接收数据的终端经NB-IoT信号或Sub-1G信号对MCU主控单元发起通信请求，通信请求的内容包括所述多链路物联网网关与终端的通信方式：经NB-IoT通信，或经Sub-1G通信，或经蓝牙通信；

M2，所述MCU主控单元识别通信请求后唤醒，建立与所述终端的通信通道；

M3，所述MCU主控单元将数据经通信通道传输至终端，完成后断开通道并进入休眠状态。

通过上述设计，当附近有人员需要主动连接网关进行数据通信时，MCU被通信请求唤醒并进行数据通信，同时，由于蓝牙传输距离短且功耗高，则常态下网关的蓝牙通信模组未打开，只有当需要短距离传输大量数据或有人主动发起蓝牙通信时才会被动唤醒蓝牙通信模组进行数据传输，传输完成后蓝牙通信模组又进入关闭状态。

更进一步描述，步骤M1中所述多链路物联网网关与终端的通信方式由终端默认远距离传输为经NB-IoT通信，近距离传输为经蓝牙通信，若NB-IoT和蓝牙均不可用时，则选择通信方式为经Sub-1G通信。

本实用新型的有益效果：网关集成了数据采集功能和数据通信功能，且MCU主控单元可以选择NB-IoT通信模组接入NB-IoT网络进行数据传输，也可在不能接入NB-IoT网络时选择Sub-1G通信模组接入一定距离内多个网关所建立的区域网络，将数据转发给其他地点能够接入NB-IoT网络的网关进行数据的转传，这样能使网关的应用场景更多，包括营运商信号不通畅的野外环境中；

网关设置2种工作模式，常态下为自动工作方法A下的工作模式，当附近有人员需要主动连接网关进行数据通信的时候则进入手动工作方法M下的工作模式，自动工作方法A为周期休眠、唤醒的低功耗工作模式，由于物联网网关通常所获取并传输的数据量不大，因此周期性工作足够正常的数据通信，则周期休眠、唤醒大大降低了网关的能耗。

附图说明

图1是实施例的结构示意图

图2是Sub-1G通信模组的电路结构图

图3是MCU与Sub-1G通信模组连接脚的部分示意图

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本实用新型作进一步详细说明：

如图1所示，一种多链路物联网网关，集成在同一网关内的有通信单元、数据采集单元、电源管理单元和MCU主控单元；

所述通信单元用于建立信号网络及传输数据，所述通信单元包括NB-IoT通信模组、Sub-1G通信模组、蓝牙通信模组，其中，NB-IoT为基于蜂窝的窄带物联网，Sub-1G为频率低于1GHz的无线通信信号；

所述数据采集单元用于探测和采集场景数据，并传输数据至MCU主控单元进行通信；

所述电源管理单元为网关提供电能；

所述MCU主控单元负责所述多链路物联网网关的数据处理、入网传输，并控制不同接入网络方式的切换，以及根据电能输出功率进行动态规划工作周期和控制功耗；

所述MCU主控单元分别经对应的协议通道与通信单元的NB-IoT通信模组和Sub-1G通信模组进行通信，所述蓝牙通信模组经蓝牙通信协议通道与MCU主控单元进行蓝牙通信，所述MCU主控单元分别与数据采集单元和电源管理双向连接。

作为优选，本实施例中所述电源管理单元为太阳能电源管理单元；

所述太阳能电源管理单元用于转换太阳能供电，并根据太阳能输出功率动态调节参数和分配能量。

优选的，NB-IoT的组件网络为电信运营商所提供的网络通道，Sub-1G的组件网络为1-3km范围内的至少2个多链路物联网网关所搭建的信号通道。

优选的，所述Sub-1G为频率为430MHz的数据通信信号。

如图2、图3所示，所述Sub-1G通信模组包括Sub-1G无线数据芯片、开关转换芯片U2、天线；

所述Sub-1G无线数据芯片的串行输出脚SDO连接MCU的sub输入脚B9/2.7，Sub-1G无线数据芯片的串行输入脚SDI连接MCU的sub输出脚B7/2.4，Sub-1G无线数据芯片的串行时钟脚SCLK连接MCU的时钟脚B8/2.6，所述Sub-1G无线数据芯片的第一电源脚VDD-dig连接电源VCC，Sub-1G无线数据芯片的第二接地脚NC2接地，所述Sub-1G无线数据芯片的电源脚VDD与第二接地脚NC2之间连接有第一电容C1；

所述Sub-1G无线数据芯片的片选脚nSEL连接MCU的片选sub接脚B6/2.5，Sub-1G无线数据芯片的中断脚nIRQ连接MCU的sub中断接脚B5/2.2，所述中断脚nIRQ还串接第一电阻R1后连接电源VCC，Sub-1G无线数据芯片的频率输出脚XOUT和频率输入脚XIN之间连接有第一晶振Y1，Sub-1G无线数据芯片的复位脚SDN连接MCU的sub复位接脚D7/2.3，所述复位脚SDN还串接第二电阻R2后接地，所述第二电阻R2的接地端串接第七电容C7后连接电源VCC，所述第七电容C7两端还分别并联有第八电容C8、第九电容C9、第十电容C10；

所述Sub-1G无线数据芯片的第二电源脚VDD-RF连接电源VCC，Sub-1G无线数据芯片的信号输出脚TX串接第三电感L3后连接电源VCC，所述信号输出脚TX还依次串接第十一电容C11、第五电感L5、第六电感L6、第十四电容C14后连接开关转换芯片U2的输入脚OUT2，所述第五电感L5和第六电感L6的公共端串接第十三电容C13后接地，Sub-1G无线数据芯片的正差分信号脚RX-p串接第五电容C5后连接开关转换芯片U2的输出脚OUT1，Sub-1G无线数据芯片的负差分信号脚RX-n串接第一电感L1后与所述正差分信号脚RX-p连接，所述负差分信号脚RX-n还串接第四电容C4后接地，Sub-1G无线数据芯片的第一接地脚NC1接地；

所述Sub-1G无线数据芯片的调压输出脚VR-dig串接第二电容C2后接地，所述第二电容C2两端并联有第三电容C3；

所述开关转换芯片U2的接地脚GND接地，开关转换芯片U2的信号脚RF-in依次串接第六电容C6、第二电感L2后连接天线，所述第六电容C6和第二电感L2的公共端串接第十五电容C15后接地，所述第二电感L2和天线的公共端串接第十六电容C16后接地。

所述第十一电容C11和第五电感L5的公共端还连接有电磁信号滤波电路；

所述电磁信号滤波电路设置为并联的第四电感L4和第十二电容C12，并联公共端的一端连接所述第十一电容，另一端串接第三电阻R3后接地。

作为优选，本实施例中连接有2个天线ANTE1和Antenna，其中一个作为测试用的天线，另一个为正常工作时的工作天线。

本实施例中所述Sub-1G无线数据芯片优选型号为SI4432-B1-FMR，所述MCU优选型号为STM32/MSP430，所述第一电容C1、第九电容C9均优选容值为100nF的电容，所述第二电容C2优选容值为1μF的电容，所述第三电容C3、第八电容C8均优选容值为100pF的电容，所述第四电容优选容值为4.7pF的电容，所述第五电容C5、第十二电容C12均优选容值为12pF的电容，所述第六电容C6、第十四电容C14均优选容值为220pF的电容，所述第七电容优选容值为33pF的电容，所述第十电容C10优选容值为2.2μF的电容，所述第十一电容C11优选容值为120pF的电容，所述第十三电容C13优选容值为6.8pF的电容，所述第十五电容C15、第十六电容C16均优选容值为8.2pF的电容，所述第一电阻R1、第二电阻R2均优选阻值为100KΩ的电阻，所述第三电阻R3优选阻值为51R的电阻，所述第一电感L1优选感值为27nH的电感，所述第二电感L2优选感值为18nH的电感，所述第三电感L3优选感值为270nH的电感，所述第四电感L4优选感值为12nH的电感，所述第五电感L5、第六电感L6均优选感值为24nH的电感，所述第一晶振Y1优选型号为NX3225SA，所述开关转换芯片U2优选型号为UPG2214。

所述多链路物联网网关的工作方法，包括自动工作方法A和手动工作方法M；

所述自动工作方法A采用如下步骤：

A1，所述MCU主控单元自动唤醒，并控制电源管理单元加大供电输出功率；

A2，所述MCU主控单元控制数据采集单元工作并传输所采集的数据至MCU主控单元；

A3，所述MCU主控单元判断当前范围的NB-IoT信号是否满足数据传输条件，若满足，进入步骤A4，若不满足，则跳到步骤A5；

A4，所述MCU主控单元将数据信号经NB-IoT协议通道上传至远端的联网平台，完成后跳到步骤A6；

A5，所述MCU主控单元将数据信号经Sub-1G协议通道转送至可以接入NB-IoT进行传输的另一多链路物联网网关，由该多链路物联网网关进行数据上传；

A6，所述MCU主控单元读取电源管理单元的剩余电量，并计算该剩余电量状态下网关的工作时长和待休眠周期时间T；

A7，所述MCU主控单元控制网关进入休眠状态等待唤醒，并开始计时；

A8，计时到达休眠周期时间T后结束计时，返回A1进入新一轮工作。

所述手动工作方法M采用如下步骤：

M1，接收数据的终端经NB-IoT信号或Sub-1G信号对MCU主控单元发起通信请求，通信请求的内容包括所述多链路物联网网关与终端的通信方式：经NB-IoT通信，或经Sub-1G通信，或经蓝牙通信；

M2，所述MCU主控单元识别通信请求后唤醒，建立与所述终端的通信通道；

M3，所述MCU主控单元将数据经通信通道传输至终端，完成后断开通道并进入休眠状态。

Claims (7)

1.一种多链路物联网网关，其特征在于：集成在同一网关内的有通信单元、数据采集单元、电源管理单元和MCU主控单元；

所述通信单元用于建立信号网络及传输数据，所述通信单元包括NB-IoT通信模组和Sub-1G通信模组，其中，NB-IoT为基于蜂窝的窄带物联网，Sub-1G为频率低于1GHz的无线通信信号；

所述数据采集单元用于探测和采集场景数据，并传输数据至MCU主控单元进行通信；

所述电源管理单元为网关提供电能；

所述MCU主控单元负责所述多链路物联网网关的数据处理、入网传输，并控制不同接入网络方式的切换，以及根据电能输出功率进行动态规划工作周期和控制功耗；

所述MCU主控单元分别经对应的协议通道与通信单元的NB-IoT通信模组和Sub-1G通信模组进行通信，所述MCU主控单元分别与数据采集单元和电源管理双向连接。

2.根据权利要求1所述的多链路物联网网关，其特征在于：所述电源管理单元为太阳能电源管理单元；

所述太阳能电源管理单元用于转换太阳能供电，并根据太阳能输出功率动态调节参数和分配能量。

3.根据权利要求1所述的多链路物联网网关，其特征在于：所述通信单元还包括蓝牙通信模组；

所述蓝牙通信模组经蓝牙通信协议通道与MCU主控单元进行蓝牙通信。

4.根据权利要求1所述的多链路物联网网关，其特征在于：NB-IoT的组件网络为电信运营商所提供的网络通道，Sub-1G的组件网络为1-3km范围内的至少2个多链路物联网网关所搭建的信号通道。

5.根据权利要求1所述的多链路物联网网关，其特征在于：所述Sub-1G为频率为430MHz的数据通信信号。

6.根据权利要求1所述的多链路物联网网关，其特征在于：所述Sub-1G通信模组包括Sub-1G无线数据芯片、开关转换芯片U2、天线；

所述Sub-1G无线数据芯片的串行输出脚SDO连接MCU的sub输入脚B9/2.7，Sub-1G无线数据芯片的串行输入脚SDI连接MCU的sub输出脚B7/2.4，Sub-1G无线数据芯片的串行时钟脚SCLK连接MCU的时钟脚B8/2.6，所述Sub-1G无线数据芯片的第一电源脚VDD-dig连接电源VCC，Sub-1G无线数据芯片的第二接地脚NC2接地，所述Sub-1G无线数据芯片的电源脚VDD与第二接地脚NC2之间连接有第一电容C1；

所述Sub-1G无线数据芯片的片选脚nSEL连接MCU的片选sub接脚B6/2.5，Sub-1G无线数据芯片的中断脚nIRQ连接MCU的sub中断接脚B5/2.2，所述中断脚nIRQ还串接第一电阻R1后连接电源VCC，Sub-1G无线数据芯片的频率输出脚XOUT和频率输入脚XIN之间连接有第一晶振Y1，Sub-1G无线数据芯片的复位脚SDN连接MCU的sub复位接脚D7/2.3，所述复位脚SDN还串接第二电阻R2后接地，所述第二电阻R2的接地端串接第七电容C7后连接电源VCC，所述第七电容C7两端还分别并联有第八电容C8、第九电容C9、第十电容C10；

所述Sub-1G无线数据芯片的第二电源脚VDD-RF连接电源VCC，Sub-1G无线数据芯片的信号输出脚TX串接第三电感L3后连接电源VCC，所述信号输出脚TX还依次串接第十一电容C11、第五电感L5、第六电感L6、第十四电容C14后连接开关转换芯片U2的输入脚OUT2，所述第五电感L5和第六电感L6的公共端串接第十三电容C13后接地，Sub-1G无线数据芯片的正差分信号脚RX-p串接第五电容C5后连接开关转换芯片U2的输出脚OUT1，Sub-1G无线数据芯片的负差分信号脚RX-n串接第一电感L1后与所述正差分信号脚RX-p连接，所述负差分信号脚RX-n还串接第四电容C4后接地，Sub-1G无线数据芯片的第一接地脚NC1接地；

所述Sub-1G无线数据芯片的调压输出脚VR-dig串接第二电容C2后接地，所述第二电容C2两端并联有第三电容C3；

所述开关转换芯片U2的接地脚GND接地，开关转换芯片U2的信号脚RF-in依次串接第六电容C6、第二电感L2后连接天线，所述第六电容C6和第二电感L2的公共端串接第十五电容C15后接地，所述第二电感L2和天线的公共端串接第十六电容C16后接地。

7.根据权利要求6所述的多链路物联网网关，其特征在于：所述第十一电容C11和第五电感L5的公共端还连接有电磁信号滤波电路；

所述电磁信号滤波电路设置为并联的第四电感L4和第十二电容C12，并联公共端的一端连接所述第十一电容，另一端串接第三电阻R3后接地。