CN208739112U - 一种无线中继装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种无线中继装置，包括主控模块、WSN无线射频通信模块、LoRa无线射频通信模块、状态显示模块、低电检测电路、掉电检测电路、电源模块、看门狗电路、EEPROM、USB串口电路；主控模块与WSN无线射频通信模块、LoRa无线射频通信模块、状态显示模块、低电检测电路、掉电检测电路、电源模块、看门狗电路、EEPROM、USB串口电路耦合；所述低电检测电路、掉电检测电路还与电源模块耦合。本实用新型解决了一种规格的中继器只能转发一种格式的信号，存在功能单一、通用性差的问题以及自恢复功能较弱，适应外界环境干扰能力弱，发送距离较近且掉包率较高的问题。
Description
技术领域
本实用新型涉及文物保护环境监测通信技术领域，尤其涉及一种无线中继装置。
背景技术
文物是一种文化遗产，是民族历史与文化的载体，具有不可再生性和不可替代性，作为特殊的战略资源，在政治、经济、文化、社会等各方面的作用日益凸显。为此，加强文物保护工作是我国可持续发展战略的重要组成部分。然而，如何科学有效地对文物进行保护是一个巨大的难题。研究表明，自然环境是造成文物基体受损的主要原因。对文物保存环境的温度、湿度、光照、降尘和有害气体等进行长期监测和控制，建立文物保护环境参数数据库，研究文物与环境因素之间的关系，从而将文物置于最佳的保存环境是目前文物保护领域常用的基础技术。
而在测量文物保存环境的参数，就需要用到WSN。WSN，即无线传感器网络(Wireless Sensor Networks)，是指在监测环境中布置大量功能相同或不同的无线传感器节点，以无线通信方式自组织成网络。然而，WSN在应用于文物保护之中，经常会发现如下缺点：(1) 传输能力有限，其带宽低，故其传输速度较慢；(2)信号之间存在相互干扰，信号自身也在不断地衰减，当需要传输较远距离时需要增加多个中继器，成本较高；(3)其穿墙能力较弱，当应用于地下文物遗迹时，效果不佳。
然而LoRa技术的出现，很好的弥补了这一缺点，LoRa是LPWAN 通信技术中的一种，是美国Semtech公司采用和推广的一种基于扩频技术的超远距离无线传输方案。其具有远距离传输，长电池寿命，中继设置少等优点，并且其穿墙能力强，可以很好的应用与文物保护领域。
将LoRa技术与WSN技术结合，需要用到中继器。中继器是连接网络的一种装置，常用于两个网络节点之间(或者同一个网络中节点与中继/节点与网关的连接，增加距离，提升传输稳定性，减少丢包率等)物理信号的双向转发工作。中继器主要完成物理层的功能，负责节点与中继，节点与网关物理层上按位传递信息，完成信号的复制、调整和放大，以此来延长网络的长度。然而现有技术中，一种规格的中继器只能转发一种格式的信号，存在功能单一、通用性差的问题，并且现有技术中的中继器大多功耗较高，自恢复功能较弱，适应外界环境干扰能力弱，发送距离较近且掉包率较高。
因此，有必要提供一种全新的无线中继装置，以解决上述问题。
实用新型内容
为解决上述技术问题，本实用新型提供一种无线中继装置。
本实用新型提供的一种无线中继装置，包括主控模块、WSN无线射频通信模块、LoRa无线射频通信模块、状态显示模块、低电检测电路、掉电检测电路、电源模块、看门狗电路、EEPROM、USB 串口电路；所述主控模块与WSN无线射频通信模块、LoRa无线射频通信模块、状态显示模块、低电检测电路、掉电检测电路、电源模块、看门狗电路、EEPROM、USB串口电路耦合；所述低电检测电路、掉电检测电路还与电源模块耦合；
所述主控模块，完成采集数据的融合处理和转发，实现接入协议的解析、转发，调度并分配其他的资源，以及运用基础的网络协议栈等功能；在这里优选的，主控模块为MCU，其型号优选为 MSP430F5438A，其功耗低且模式多。
所述WSN无线射频通信模块，其与WSN无线网络节点通讯连接，接受节点发送的采集数据或向节点发送控制指令给节点，在这里优选的，WSN无线射频通信模块型号为CC1101。
所述LoRa无线射频通信模块，其与LoRa网关无线通讯连接，既可以接受LoRa节点发来的数据，或者反控LoRa节点，还可以将经过主控模块的由WSN无线射频模块接受的数据转换成的LoRa数据发送给LoRa网关，或者将网关的命令经转换，转发给WSN节点；在这里优选的，所述LoRa无线射频通信模块型号为SEMTECH公司的SX1278芯片，所述SX1278芯片是应用了扩频通信技术的高性能 RF芯片，相对于传统的FSK与GFSK在传输距离和抗干扰能力方面具有较强的优势，其在本实用新型中，其工作频段主要为433M。由于使用了高度集成化技术，不仅简化了电路设计过程，只需使用很少的外围器件就能实现复杂的射频通信功能，有效地降低了出错风险。
所述状态显示模块，包含若干个LED灯，用于通过不同的发光频率或颜色指示装置的工作状态；可以通过设置不同颜色的LED灯，来区别不同的工作状态。
所述低电检测电路，用于检测电源模块的电压；当发现电压过低时，主控模块控制LED灯改变发光频率或颜色实现报警。
所述掉电检测电路，用于检测是否接通外接电源；当发现外接电源断电，主控模块控制LED灯改变发光频率或颜色实现报警。
所述电源模块，为主控模块提供3.3V电压，为WSN无线射频通信模块提供3.3V电压，为LoRa无线射频通信模块提供3.3V或5V 电压以及为其他单元或模块提供工作所需的电压；LoRA无线射频通信模块具有两种发射模式，当发射距离较近时提供3.3V电压，信号发射功率为20db；当发射距离较远时提供5V电压，号发射功率为 30db，增加了发射距离，同时减少了丢包率，丢包率为1％。
所述看门狗电路，用于当主控模块发生错误程序跑飞时，重启主控模块；其原理是，看门狗电路与MCU一个I/O引脚电连接，MCU通过该I/O引脚定时向看门狗电路送入高电平，一旦MCU发生错误程序跑飞，这个时段看门狗电路不能接受MCU发来的喂狗信号，看门狗电路输出复位信号强制MCU重启；在这里优选的，看门狗电路型号为MAX6369，其对MCU的重启不断电。
所述EEPROM，储存有各种网络协议栈等数据，还有存储产品的子网、信道、ID等信息，还需在网络不好时，存储采集数据，等待网络好时在回补数据给LoRa网关；其通过I2C总线与主控模块相连；在这里优选的，EEPROM的型号为AT24CM01。
所述USB串口电路，可以给产品的各个部分供电，并且可以连接终端对产品进行串口参数配置(信道、子网、ID等信息)及 Bootloader下载。在这里优选的，USB串口电路的型号为FT232BM。
较为优选的，所述电源模块包括变压稳压器、电源；所述变压稳压器输入端与电源电连接，其输出端与主控模块电连接。通过变压稳压器向MCU提供3.3V电压，向WSN无线射频通信模块提供3.3V 电压，向LoRa无线射频通信模块提供5V电压，变压稳压器工作原理可以参考现有技术，在此不做赘述。
更为优选的，所述电源模块包括市电线路、DC-DC电源芯片、充电电池、开关、升压电路、二极管、遥控模块、LDO电源芯片，在这里市电线路为通过适配器变换为12V的直流电线路，所述 DC-DC电源芯片为降压型电源芯片，其型号优选为LT8610，所述充电电池、开关、升压电路、二极管皆为现有技术中常见的电器元件，故在此不做赘述，二极管主要用于降压，所述遥控模块主要用于控制输出3.3V电压或5V电压，其接受MCU的指令或远程终端发送来的指令短信，同时当系统出现故障时可以通过对中继装置断电重启，来解决故障，相对于仅仅设置单门狗电路，其可以提高装置的自恢复功能；所述LDO电源芯片为市面上常见的电源芯片，其可以稳压降压；所述DC-DC电源芯片的电能输入端与适配器的输出相连，适配器的输入与市电相连，其电能输出端与充电电池的电能输入端、二极管的正极相连；所述充电电池的电能输出端与升压电路的输入端相连，升压电路的输出端与开关相连；所述二极管的负极与开关相连；所述开关的输出端与遥控模块的输入端相连，所述遥控模块的输出端与 LDO电源芯片、主控模块相连；所述市电线路还与遥控模块的输入端相连；所述遥控模块还与移动控制设备无线通讯连接。
所述遥控模块包括控制芯片、第一继电器、第二继电器；所述控制芯片与第一继电器、第二继电器电连接，用于控制第一继电器、第二继电器通断，其与主控模块相连，与移动控制设备无线通讯连接，在移动控制设备的指令下，控制第一继电器、第二继电器通断；所述第一继电器的输入端、第二继电器的输入端与开关的输出端、市电线路相连；所述第一继电器的输出端与LDO电源芯片输入端相连，所述第二继电器的输出端与主控模块相连；所述控制芯片与主控模块耦合。当控制芯片收到移动控制设备的指令后，控制芯片控制第一继电器、第二继电器的通断，来实现输出不同电压，或断电重启。
进一步的方案为，低电检测电路包括第一电阻R1、第二电阻R2；所述第一电阻R1的第一端与电源模块相连，其第二端与第二电阻R2的第一端、主控模块相连；所述第二电阻R2的第二端接地。
掉电检测电路与电源模块的市电线路相连。
优选的，低电检测电路的第一电阻R1的第一端与电源模块的市电线路相连，第一电阻R1的第二端与第二电阻R2的第一端、主控模块相连。
优选的，低电检测电路的第一电阻R1的第一端与充电电池的电能输出端相连，第一电阻R1的第二端与第二电阻R2的第一端、主控模块相连。
所述主控模块为MCU。
所述控制芯片为无线通信模块，其型号为SIM800C。
与相关技术相比，本实用新型具有以下有益效果：
1.具有自组网功能，兼容lora网络和其他wsn网络，并在其中进行数据转换，其包括接收lora节点的数据包或者其他wsn节点的数据包，经过转换，转发给lora网关；接收lora中继或者其他wsn 中继的数据包，转发给lora网关；同时可以接收lora网关的控制指令，以lora或者其他wsn数据包的形式转发给其它中继或节点。
2.可以配置空中速率，通过改变信号发射功率从而提高发射距离、速率，最远可以达到5公里的通信距离且丢包率小于1％。
3.功耗低，具有大于24小时的续航能力。
4.具有供电电压指示功能，低电报警功能；MCU通过采集电压监测端口，将实时采集电池的电压值，并通过lora无线网络发送给lora 网关。
支持串口配置功能
5.支持串口配置功能，USB串口电路配置供修改设备的参数使用，参数如信道，子网，设备ID，休眠周期。
6.独特Bootloader下载功能，方便程序文件的烧写:Bootloader 供烧录程序使用，代替市面上普通产品的烧录程序方式。
7.具有极强的复位自恢复功能，适用于外界环境干扰，或者断电等异常情况。
附图说明
图1为本实用新型的结构示意图；
图2为本实用新型实施例1的电源模块连接示意图；
图3为本实用新型实施例2的电源模块连接示意图；
图4为本实用新型实施例2的低电检测电路的电路图；
图5为本实用新型的遥控模块结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施方式对本实用新型作进一步说明。
如图1所示，本实用新型提供的一种无线中继装置，包括主控模块、WSN无线射频通信模块、LoRa无线射频通信模块、状态显示模块、低电检测电路、掉电检测电路、电源模块、看门狗电路、EEPROM、 USB串口电路；所述主控模块与WSN无线射频通信模块、LoRa无线射频通信模块、状态显示模块、低电检测电路、掉电检测电路、电源模块、看门狗电路、EEPROM、USB串口电路耦合；所述低电检测电路、掉电检测电路还与电源模块耦合；
所述主控模块，完成采集数据的融合处理和转发，实现接入协议的解析、转发，调度并分配其他的资源，以及运用基础的网络协议栈等功能；在这里优选的，主控模块为MCU，其型号优选为 MSP430F5438A，其功耗低且模式多。
所述WSN无线射频通信模块，其与WSN无线网络节点通讯连接，接受节点发送的采集数据或向节点发送控制指令给节点，在这里优选的，WSN无线射频通信模块型号为CC1101。
所述LoRa无线射频通信模块，其与LoRa网关无线通讯连接，既可以接受LoRa节点发来的数据，或者反控LoRa节点，还可以将经过主控模块的由WSN无线射频模块接受的数据转换成的LoRa数据发送给LoRa网关，或者将网关的命令经转换，转发给WSN节点；在这里优选的，所述LoRa无线射频通信模块型号为SEMTECH公司的SX1278芯片，所述SX1278芯片是应用了扩频通信技术的高性能 RF芯片，相对于传统的FSK与GFSK在传输距离和抗干扰能力方面具有较强的优势，其在本实用新型中，其工作频段主要为433M。由于使用了高度集成化技术，不仅简化了电路设计过程，只需使用很少的外围器件就能实现复杂的射频通信功能，有效地降低了出错风险。
所述状态显示模块，包含若干个LED灯，用于通过不同的发光频率或颜色指示装置的工作状态；可以通过设置不同颜色的LED灯，来区别不同的工作状态。
所述低电检测电路，用于检测电源模块的电压；当发现电压过低时，主控模块控制LED灯改变发光频率或颜色实现报警。
所述掉电检测电路，用于检测是否接通外接电源；当发现外接电源断电，主控模块控制LED灯改变发光频率或颜色实现报警。
所述电源模块，为主控模块提供3.3V电压，为WSN无线射频通信模块提供3.3V电压，为LoRa无线射频通信模块提供3.3V或5V 电压为其他单元或模块提供工作所需的电压；LoRA无线射频通信模块具有两种发射模式，当发射距离较近时提供3.3V电压，信号发射功率为20db；当发射距离较远时提供5V电压，号发射功率为30db，增加了发射距离，同时减少了丢包率，丢包率为1％。
所述看门狗电路，用于当主控模块发生错误程序跑飞时，重启主控模块；其原理是，看门狗电路与MCU一个I/O引脚电连接，MCU通过该I/O引脚定时向看门狗电路送入高电平，一旦MCU发生错误程序跑飞，这个时段看门狗电路不能接受MCU发来的喂狗信号，看门狗电路输出复位信号强制MCU重启；在这里优选的，看门狗电路型号为 MAX6369，其对MCU的重启不断电。
所述EEPROM，储存有各种网络协议栈等数据，还有存储产品的子网、信道、ID等信息，还需在网络不好时，存储采集数据，等待网络好时在回补数据给LoRa网关；其通过I2C总线与主控模块相连；在这里优选的，EEPROM的型号为AT24CM01。
所述USB串口电路，可以给产品的各个部分供电，并且可以连接终端对产品进行串口参数配置(信道、子网、ID等信息)及 Bootloader下载。在这里优选的，USB串口电路的型号为FT232BM。
实施例1
如图2所示，在本实施例中，所述电源模块包括变压稳压器、电源；所述变压稳压器输入端与电源电连接，其输出端与主控模块电连接。通过变压稳压器向MCU提供3.3V电压，向WSN无线射频通信模块提供3.3V电压，向LoRa无线射频通信模块提供5V电压，变压稳压器工作原理可以参考现有技术，在此不做赘述。
低电检测电路包括第一电阻R1、第二电阻R2；所述第一电阻R1的第一端与电源模块相连，其第二端与第二电阻R2的第一端、主控模块相连；所述第二电阻R2的第二端接地。
掉电检测电路与电源模块的市电线路相连。
低电检测电路的第一电阻R1的第一端与电源模块的市电线路相连，第一电阻R1的第二端与第二电阻R2的第一端、主控模块相连。
所述主控模块为MCU。
实施例2
如图3所示，在本实施例中，所述电源模块包括市电线路、DC-DC 电源芯片、充电电池、开关、升压电路、二极管、遥控模块、LDO 电源芯片；所述DC-DC电源芯片的电能输入端与适配器的输出相连，适配器的输入与市电相连，其电能输出端与充电电池的电能输入端、二极管的正极相连；所述充电电池的电能输出端与升压电路的输入端相连，升压电路的输出端与开关相连；所述二极管的负极与开关相连；所述开关的输出端与遥控模块的输入端相连，所述遥控模块的输出端与LDO电源芯片、主控模块相连；所述市电线路还与遥控模块的输入端相连；所述遥控模块还与移动控制设备无线通讯连接。
如图5所示，所述遥控模块包括控制芯片、第一继电器、第二继电器；所述控制芯片与第一继电器、第二继电器电连接，用于控制第一继电器、第二继电器通断，其与主控模块相连，与移动控制设备无线通讯连接，在移动控制设备的指令下，控制第一继电器、第二继电器通断；所述第一继电器的输入端、第二继电器的输入端与开关的输出端、市电线路相连；所述第一继电器的输出端与LDO电源芯片输入端相连，所述第二继电器的输出端与主控模块相连；所述控制芯片与主控模块耦合。
如图4所示，低电检测电路包括第一电阻R1、第二电阻R2；所述第一电阻R1的第一端与电源模块相连，其第二端与第二电阻R2的第一端、主控模块相连；所述第二电阻R2的第二端接地。
掉电检测电路与电源模块的市电线路相连。
低电检测电路的第一电阻R1的第一端与充电电池的电能输出端相连，第一电阻R1的第二端与第二电阻R2的第一端、主控模块相连。
所述主控模块为MCU。
所述控制芯片为无线通信模块，其型号为SIM800C。
以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种无线中继装置，其特征在于：包括主控模块、WSN无线射频通信模块、LoRa无线射频通信模块、状态显示模块、低电检测电路、掉电检测电路、电源模块、看门狗电路、EEPROM、USB串口电路；所述主控模块与WSN无线射频通信模块、LoRa无线射频通信模块、状态显示模块、低电检测电路、掉电检测电路、电源模块、看门狗电路、EEPROM、USB串口电路耦合；所述低电检测电路、掉电检测电路还与电源模块耦合；
所述主控模块，完成采集数据的融合处理和转发，实现接入协议的解析、转发，调度并分配其他的资源，以及运用基础的网络协议栈功能；
所述WSN无线射频通信模块，其与WSN无线网络节点通讯连接，接受节点发送的采集数据或向节点发送控制指令给节点；
所述LoRa无线射频通信模块，其与LoRa网关无线通讯连接，既可以接受LoRa节点发来的数据，或者反控LoRa节点，还可以将经过主控模块的由WSN无线射频模块接受的数据转换成的LoRa数据发送给LoRa网关，或者将网关的命令经转换，转发给WSN节点；
所述状态显示模块，包含若干个LED灯，用于通过不同的发光频率或颜色指示装置的工作状态；
所述低电检测电路，用于检测电源模块的电压；
所述掉电检测电路，用于检测是否接通外接电源；
所述电源模块，为主控模块提供3.3V电压，为WSN无线射频通信模块提供3.3V电压，为LoRa无线射频通信模块提供3.3V或5V电压以及为其他单元或模块提供工作所需的电压；
所述看门狗电路，用于当主控模块发生错误程序跑飞时，重启主控模块；
所述EEPROM，储存有各种网络协议栈等数据，还有存储产品的子网、信道、ID等信息，还在网络不好时，存储采集数据，等待网络好时在回补数据给LoRa网关；其通过I2C总线与主控模块相连；
所述USB串口电路，可以给产品的各个部分供电，并且可以连接终端对产品进行串口参数配置及Bootloader下载。
2.根据权利要求1所述的一种无线中继装置，其特征在于：所述电源模块包括变压稳压器、电源；所述变压稳压器输入端与电源电连接，其输出端与主控模块电连接。
3.如权利要求1所述的一种无线中继装置，其特征在于：所述电源模块包括市电线路、DC-DC电源芯片、充电电池、开关、升压电路、二极管、遥控模块、LDO电源芯片；所述DC-DC电源芯片的电能输入端与适配器的输出相连，适配器的输入与市电相连，其电能输出端与充电电池的电能输入端、二极管的正极相连；所述充电电池的电能输出端与升压电路的输入端相连，升压电路的输出端与开关相连；所述二极管的负极与开关相连；所述开关的输出端与遥控模块的输入端相连，所述遥控模块的输出端与LDO电源芯片、主控模块相连；所述市电线路还与遥控模块的输入端相连；所述遥控模块还与移动控制设备无线通讯连接。
4.如权利要求3所述的一种无线中继装置，其特征在于：所述遥控模块包括控制芯片、第一继电器、第二继电器；所述控制芯片与第一继电器、第二继电器电连接，用于控制第一继电器、第二继电器通断，其与主控模块相连，与移动控制设备无线通讯连接，在移动控制设备的指令下，控制第一继电器、第二继电器通断；所述第一继电器的输入端、第二继电器的输入端与开关的输出端、市电线路相连；所述第一继电器的输出端与LDO电源芯片输入端相连，所述第二继电器的输出端与主控模块相连；所述控制芯片与主控模块耦合。
5.如权利要求1-4任一所述的一种无线中继装置，其特征在于：低电检测电路包括第一电阻R1、第二电阻R2；所述第一电阻R1的第一端与电源模块相连，其第二端与第二电阻R2的第一端、主控模块相连；所述第二电阻R2的第二端接地。
6.如权利要求5所述的一种无线中继装置，其特征在于：掉电检测电路与电源模块的市电线路相连。
7.如权利要求2或6所述的一种无线中继装置，其特征在于：低电检测电路的第一电阻R1的第一端与电源模块的市电线路相连，第一电阻R1的第二端与第二电阻R2的第一端、主控模块相连。
8.如权利要求3或6所述的一种无线中继装置，其特征在于：低电检测电路的第一电阻R1的第一端与充电电池的电能输出端相连，第一电阻R1的第二端与第二电阻R2的第一端、主控模块相连。
9.如权利要求1所述的一种无线中继装置，其特征在于：所述主控模块为MCU。
10.如权利要求4所述的一种无线中继装置，其特征在于：所述控制芯片为无线通信芯片。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201821230811.0U CN208739112U (zh) | 2018-08-01 | 2018-08-01 | 一种无线中继装置 |
Applications Claiming Priority (1)
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| CN201821230811.0U CN208739112U (zh) | 2018-08-01 | 2018-08-01 | 一种无线中继装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN208739112U true CN208739112U (zh) | 2019-04-12 |
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| CN112289117A (zh) * | 2020-11-12 | 2021-01-29 | 深圳供电局有限公司 | 一种基于LoRa通信技术的电缆故障模拟系统 |
| CN112564484A (zh) * | 2020-11-05 | 2021-03-26 | 北京全路通信信号研究设计院集团有限公司 | 一种基于物联网技术的高安全远程应急开关装置及数据处理方法 |
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|---|---|---|---|---|
| CN112564484A (zh) * | 2020-11-05 | 2021-03-26 | 北京全路通信信号研究设计院集团有限公司 | 一种基于物联网技术的高安全远程应急开关装置及数据处理方法 |
| CN112564484B (zh) * | 2020-11-05 | 2022-04-12 | 北京全路通信信号研究设计院集团有限公司 | 一种基于物联网技术的高安全远程应急开关装置及数据处理方法 |
| CN112289117A (zh) * | 2020-11-12 | 2021-01-29 | 深圳供电局有限公司 | 一种基于LoRa通信技术的电缆故障模拟系统 |
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