CN209299290U - 基于nb iot的智能网关电路 - Google Patents

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CN209299290U CN201822158088.6U CN201822158088U CN209299290U CN 209299290 U CN209299290 U CN 209299290U CN 201822158088 U CN201822158088 U CN 201822158088U CN 209299290 U CN209299290 U CN 209299290U
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胡宪华
张先勇
叶奇才
贾世健
潘俊杰
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Abstract

本实用新型公开了一种基于NB IOT的智能网关电路，包括控制单元，用于接收和发送指令的天线模块，以及为控制单元供电的电源处理单元，所述电源处理单元包括通过锂电池为控制单元供电的锂电池供电模块，以及通过将5V电源转化为3.7V电源为控制单元供电的适配器供电模块；所述控制单元包括用于进行数据处理和指令发送的主控模块、用于NB数据无线传输的BC95模块，所述天线模块连接BC95模块，BC95模块连接主控模块。通过BC95模块和主控模块实现NB数据无线传输，NB‑IOT DTU具有能够在广域网的蜂窝数据连接，待机时间长，使用寿命长的优点；同时使用锂电池供电模块和适配器供电模块为BC95模块和主控模块供电，保证供电方式的多样可选择。

Description

基于NB IOT的智能网关电路
技术领域
本实用新型涉及到硬件电路，特别是涉及到一种基于NB IOT的智能网关电路。
背景技术
NB-IoT是IoT领域一个新兴的技术，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，也被叫作低功耗广域网(LPWA)，NB-IoT支持待机时间长、对网络连接要求较高设备的高效连接。据说NB-IoT设备电池寿命可以提高至至少 10年，同时还能提供非常全面的室内蜂窝数据连接覆盖。
数据传输单元DTU(Data Transfer unit)，是专门用于将串口数据转换为 IP数据或将IP数据转换为串口数据通过无线通信网络进行传送的无线终端设备。
NB-IoT DTU是一种与GPRS DTU不同网络制式的DTU，其工作原理和功能都是一样的，都是实现工业设备在户外与远程服务器双向透明传输数据。
实用新型内容
为了解决上述现有技术的缺陷，本实用新型的目的是提供一种基于NB IOT的智能网关电路。
为达到上述目的，本实用新型的技术方案是：
一种基于NB IOT的智能网关电路，包括控制单元，用于接收和发送指令的天线模块，以及为控制单元供电的电源处理单元，
所述电源处理单元包括通过锂电池为控制单元供电的锂电池供电模块，以及通过将5V电源转化为3.7V电源为控制单元供电的适配器供电模块；
所述控制单元包括用于进行数据处理和指令发送的主控模块、用于NB 数据无线传输的BC95模块，所述天线模块连接BC95模块，BC95模块连接主控模块。
进一步地，所述锂电池供电模块包括锂电池，切换开关SW1，降压芯片VR1，USB充电口，芯片U7；
锂电池输出端连接切换开关SW1的控制端，切换开关SW1切换端的第一路连接所述主控模块和BC95模块，第二路连接并输出3.7V电流到降压芯片VR1，经降压芯片VR1降压输出3.3V电流；
USB充电口连接芯片U7的TEMP引脚，芯片U7的BAT引脚连接切换开关SW1的第二路，USB充电口输入电流为锂电池充电。
进一步地，所述适配器供电模块包括二极管D4和D5，电阻R26、R27、 R28、R29和R30，芯片U8，滤波电容EC1、EC2、C27和C28；
二极管D4的正极接5V输入电源，负极接电阻R30、滤波电容EC1、滤波电容C27的第一端，以及芯片U8的IN引脚，滤波电容EC1和滤波电容C27的第二端接地，电阻R30的第二端接芯片U8的EN引脚，芯片U8 的OUT引脚接电阻R27、电阻R28、电容EC2和电容C28的第一端，以及二极管D5的正极，芯片U8的ADJ引脚接电阻R27和电阻R29的第二端，电阻R29的第一端接电阻R28、电容EC2和电容C28的第二端并接地，电流流经二极管D5输出3.7V电源。
进一步地，所述主控模块为STM32主控模块，所述STM32主控模块的VCC-3V3连接有电容C21、电容C22和电容C23，电容C21、电容C22 和电容C23的另一端接地。
进一步地，所述BC95模块包括芯片U5A和芯片U5B，芯片U5A的 RESET引脚连接有三极管Q1，三极管Q1的基极连接有电阻R18，电阻R18 的另一端为端口PB8，端口PB8连接所述STM32主控模块的IO口，作为复位引脚。
进一步地，所述天线模块连接所述芯片U5A的RF-ANT引脚，所述天线模块包括电阻R2、电容C8和电容C9，电阻R2和电容R8的第一端连接所述芯片U5A的RF-ANT引脚，电阻R2的第二端连接电容C9的第一端和芯片U2，电容C8和电容C9的第二端接地，电阻R2、电容C8和C9构成RC震荡电路。
进一步地，还包括连接于所述STM32主控模块的工业484接口模块，工业232接口模块，指示灯模块和SIM模块。
进一步地，所述工业232接口模块包括芯片U4，芯片U4通过 USART1_TX和USART1_RX引脚连接所述STM32主控模块。
进一步地，所述工业484接口模块包括芯片U1，芯片U1通过U2RX 和U2TX连接所述STM32主控模块，芯片U1的B引脚连接有下拉电阻 R1和电阻R3的第一端，芯片U1的A引脚连接有上拉电阻R10和电阻R8 的第一端，电阻R8和R3的第二端连接芯片U3，下拉电阻R1和上拉电阻 R10的第二端接地。
进一步地，所述下拉电阻R1和上拉电阻R10的电阻值相等。
本实用新型的有益效果是：通过BC95模块和主控模块实现NB数据无线传输，NB-IOT DTU具有能够在广域网的蜂窝数据连接，待机时间长，使用寿命长的优点；同时可以使用锂电池供电模块和适配器供电模块为BC95模块和主控模块供电，保证供电方式的多样可选择。
附图说明
图1为本实用新型一种基于NB IOT的智能网关电路的连接原理框图；
图2为本实用新型一种STM32主控模块的电路图；
图3为本实用新型一种BC95模块的电路图；
图4为本实用新型一种适配器供电模块的电路图；
图5为本实用新型一种锂电池供电模块的电路图；
图6为本实用新型一种天线模块的电路图；
图7为本实用新型一种SIM模块的电路图；
图8为本实用新型一种工业232接口模块；
图9为本实用新型一种工业484接口模块；
图10为本实用新型一种指示灯模块的电路图；
图11为本实用新型一种晶振部分电路图。
具体实施方式
为阐述本实用新型的思想及目的，下面将结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步的说明。
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
需要说明，本实用新型实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后等)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变，所述的连接可以是直接连接，也可以是间接连接。
另外，在本实用新型中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。
如无特别说明，本文中的“/”代表含义为“或”。
参照图1-11，本实用新型提出一种基于NB IOT的智能网关电路，包括控制单元20，用于接收和发送指令的天线模块30，以及为控制单元20供电的电源处理单元10。
所述电源处理单元10包括通过锂电池为控制单元20供电的锂电池供电模块12，以及通过将5V电源转化为3.7V电源为控制单元20供电的适配器供电模块11。
所述控制单元20包括用于进行数据处理和指令发送的主控模块21、用于NB数据无线传输的BC95模块22，所述天线模块30连接BC95模块22， BC95模块22连接主控模块21。
参考图5，锂电池供电模块12包括锂电池，切换开关SW1，降压芯片 VR1，USB充电口，芯片U7，锂电池输出端连接切换开关SW1的控制端，切换开关SW1切换端的第一路连接主控模块21和BC95模块22，第二路连接并输出3.7V电流到降压芯片VR1，经降压芯片VR1降压输出3.3V电流；USB充电口连接芯片U7的TEMP引脚，芯片U7的BAT引脚连接切换开关SW1的第二路，USB充电口输入电流为锂电池充电。在本实施例中，芯片U7为充电芯片TPA4056。
3.7V的锂电池进过PIN5端口输入到切换开关，经过切换开关SW1，切换端分的第一路直接给BC95模块22供电，第二路经过降压芯片VR1将电压降到3V3后，分别给工业232接口模块23、工业485接口模块和STM32 主控模块供电。
当充电电源从USB进入时，经过EXT_5V，EXT_5V经过芯片U7后输出VBTA_VCC_CHARGE(约3.7V)。VBTA_VCC_CHARGE到达切换开关SW1后，开关可以拨动，当切换开关SW1向下拨动的时候，PIN5端口的锂电池进行充电。当端口拨动向上时，电源流向VBTA_VCC方向，然后经过降压芯片VR1降压后输出VCC_3V3。其中，电容C31/C32/C33均为滤波电容。
在本实施例中，芯片U7具体型号为TPA4056，降压芯片VR1具体型号为XC6206P332MR。
参考图4，适配器供电模块11是用于为将5V的电源转化为3.7V的电源。适配器供电模块11包括二极管D4和D5，电阻R26、R27、R28、R29 和R30，芯片U8，滤波电容EC1、EC2、C27和C28，二极管D4的正极接 5V输入电源，负极接电阻R30、滤波电容EC1、滤波电容C27的第一端，以及芯片U8的IN引脚，滤波电容EC1和滤波电容C27的第二端接地，电阻R30的第二端接芯片U8的EN引脚，芯片U8的OUT引脚接电阻R27、电阻R28、电容EC2和电容C28的第一端，以及二极管D5的正极，芯片U8的ADJ引脚接电阻R27和电阻R29的第二端，电阻R29的第一端接电阻R28、电容EC2和电容C28的第二端并接地，电流流经二极管D5输出 3.7V电源。
电源适配器从P4开始输入电流，经过二极管D4(防反插)，电流经过 R30后使能U8。电容EC1、EC2、C28和C27为滤波电容。电流经过芯片 U8后，流过二极管D5电压输出3.7V。电流从P4输入经过降压出处理输出3.7V电压，最终的输出电压的计算关系为：R26＝R28((Vout/1.240)-1)。在本实施例中，芯片U8为电源转换芯片，具体型号为MIC29302。
参考图2，主控模块21为STM32主控模块，STM32主控模块包括芯片U6，芯片U6的VCC-3V3连接有电容C21、电容C22和电容C23，电容 C21、电容C22和电容C23的另一端接地，电容C23，电容C21、电容C22 和电容C23为滤波电容，可滤除主控电源直流电源中的交流成分。增加系统运行的稳定性。其中的P1中的LP_TX、LP_RX的两端分别连接STM32 的串口3(引脚PB10和PB11)和连接BC95模块22的主串口。串口PIN3 为STM32的下载串口，源程序文件可通过此串口下载。STM32主控模块主要负责BC95模块22的AT指令的发送和数据处理。在本实施例中，STM32 主控模块中的芯片U6具体型号为STM32L151C8T6。
参考图3，BC95模块22包括芯片U5A和芯片U5B，芯片U5A的RESET 引脚连接有三极管Q1，三极管Q1的基极连接有电阻R18，电阻R18的另一端为端口PB8，端口PB8连接STM32主控模块的IO口，作为复位引脚。 BC95模块22主要负责NB数据无线传输。芯片U5B主要为接地部分。在芯片U5A中，PB8引脚连接STM32主控模块的IO口，作为复位引脚。电容C15/C16为钽电容，电容C18为普通电容，具有滤波功能。
参考图6，天线模块30连接芯片U5A的RF-ANT引脚，天线模块30 包括电阻R2、电容C8和电容C9，电阻R2和电容R8的第一端连接芯片 U5A的RF-ANT引脚，电阻R2的第二端连接电容C9的第一端和芯片U2，电容C8和电容C9的第二端接地，电阻R2、电容C8和C9构成RC震荡电路，调节天线模块30的阻抗。让天线模块30达到阻抗匹配，提高信噪比。
参考图1，本实用新型的一种基于NB IOT的智能网关电路还包括连接于STM32主控模块的工业484接口模块24，工业232接口模块23，指示灯模块26和SIM模块25。其中，SIM模块25的电路图如图7所示，指示灯模块26的电路图如图10所示。
参考图8，工业232接口模块23用于对接较旧的工业设备。具体包括芯片U4，芯片U4通过USART1_TX和USART1_RX引脚连接STM32主控模块的PA9和PA10引脚。其中，电容C4/C5/C6/C11/C12为滤波电容。在本实施例中，芯片U4的型号具体为SP3232。
参考图9，工业484接口模块24用于对接新设备，具体包括芯片U1，芯片U1通过U2RX和U2TX连接STM32主控模块的PA2和PA3引脚，芯片U1的B引脚连接有下拉电阻R1和电阻R3的第一端，芯片U1的A引脚连接有上拉电阻R10和电阻R8的第一端，电阻R8和R3的第二端连接芯片U3，下拉电阻R1和上拉电阻R10的第二端接地。在本实施例中，芯片U1的型号具体为MAX13487。
具体的，下拉电阻R1和上拉电阻R10的电阻值相等。上拉电阻R10 和下拉电阻R1，用于保证无连接的芯片U3处于空闲状态，提供网络失效保护，提高RS485节点与网络的可靠性，R1，R6，R10这三个电阻，使用 120欧或更小的终端电阻时，R6电阻提高电路稳定性，同时，电阻R3，R8 使用680欧电阻。正常情况下，一般R1＝R10＝4.7K，电阻R6根据需要可不要。图中二极管D1和D2，都是为了保护RS485总线的，避免受外界干扰，也可以选择集成的总线保护原件，用于提高电路的EMI性能。
如图11所示，晶振部分为Y1和Y2部分。Y1晶振频率为32.768K。 Y2晶振频率为8M。Y2为正常工作下的晶振；Y1为外部低频晶振。系统待机或进入低功耗模式时，Y2停止工作，启用Y1，从而达到降低功耗的作用。通过BC95模块22和主控模块21实现NB数据无线传输，NB-IOT DTU具有能够在广域网的蜂窝数据连接，待机时间长，使用寿命长的优点；同时可以使用锂电池供电模块12和适配器供电模块11为BC95模块22和主控模块21供电，保证供电方式的多样可选择。
以上所述仅为本实用新型的优选实施例，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他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于NB IOT的智能网关电路，其特征在于，包括控制单元，用于接收和发送指令的天线模块，以及为控制单元供电的电源处理单元，
所述电源处理单元包括通过锂电池为控制单元供电的锂电池供电模块，以及通过将5V电源转化为3.7V电源为控制单元供电的适配器供电模块；
所述控制单元包括用于进行数据处理和指令发送的主控模块、用于NB数据无线传输的BC95模块，所述天线模块连接BC95模块，BC95模块连接主控模块。
2.如权利要求1所述的基于NB IOT的智能网关电路，其特征在于，所述锂电池供电模块包括锂电池，切换开关SW1，降压芯片VR1，USB充电口，芯片U7；
锂电池输出端连接切换开关SW1的控制端，切换开关SW1切换端的第一路连接所述主控模块和BC95模块，第二路连接并输出3.7V电流到降压芯片VR1，经降压芯片VR1降压输出3.3V电流；
USB充电口连接芯片U7的TEMP引脚，芯片U7的BAT引脚连接切换开关SW1的第二路，USB充电口输入电流为锂电池充电。
3.如权利要求1所述的基于NB IOT的智能网关电路，其特征在于，所述适配器供电模块包括二极管D4和D5，电阻R26、R27、R28、R29和R30，芯片U8，滤波电容EC1、EC2、C27和C28；
二极管D4的正极接5V输入电源，负极接电阻R30、滤波电容EC1、滤波电容C27的第一端，以及芯片U8的IN引脚，滤波电容EC1和滤波电容C27的第二端接地，电阻R30的第二端接芯片U8的EN引脚，芯片U8的OUT引脚接电阻R27、电阻R28、电容EC2和电容C28的第一端，以及二极管D5的正极，芯片U8的ADJ引脚接电阻R27和电阻R29的第二端，电阻R29的第一端接电阻R28、电容EC2和电容C28的第二端并接地，电流流经二极管D5输出3.7V电源。
4.如权利要求1-3任一项所述的基于NB IOT的智能网关电路，其特征在于，所述主控模块为STM32主控模块，所述STM32主控模块的VCC-3V3连接有电容C21、电容C22和电容C23，电容C21、电容C22和电容C23的另一端接地。
5.如权利要求4所述的基于NB IOT的智能网关电路，其特征在于，所述BC95模块包括芯片U5A和芯片U5B，芯片U5A的RESET引脚连接有三极管Q1，三极管Q1的基极连接有电阻R18，电阻R18的另一端为端口PB8，端口PB8连接所述STM32主控模块的IO口，作为复位引脚。
6.如权利要求5所述的基于NB IOT的智能网关电路，其特征在于，所述天线模块连接所述芯片U5A的RF-ANT引脚，所述天线模块包括电阻R2、电容C8和电容C9，电阻R2和电容R8的第一端连接所述芯片U5A的RF-ANT引脚，电阻R2的第二端连接电容C9的第一端和芯片U2，电容C8和电容C9的第二端接地，电阻R2、电容C8和C9构成RC震荡电路。
7.如权利要求4所述的基于NB IOT的智能网关电路，其特征在于，还包括连接于所述STM32主控模块的工业484接口模块，工业232接口模块，指示灯模块和SIM模块。
8.如权利要求7所述的基于NB IOT的智能网关电路，其特征在于，所述工业232接口模块包括芯片U4，芯片U4通过USART1_TX和USART1_RX引脚连接所述STM32主控模块。
9.如权利要求7所述的基于NB IOT的智能网关电路，其特征在于，所述工业484接口模块包括芯片U1，芯片U1通过U2RX和U2TX连接所述STM32主控模块，芯片U1的B引脚连接有下拉电阻R1和电阻R3的第一端，芯片U1的A引脚连接有上拉电阻R10和电阻R8的第一端，电阻R8和R3的第二端连接芯片U3，下拉电阻R1和上拉电阻R10的第二端接地。
10.如权利要求9所述的基于NB IOT的智能网关电路，其特征在于，所述下拉电阻R1和上拉电阻R10的电阻值相等。
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