CN210469312U - 一种LoRa无线中继器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种低功耗的LoRa无线中继器，包括控制装置、电源管理装置、无线通信装置；控制装置包括单片机模块；电源管理装置包括电源转换模块和多电源接入管理模块、电池充电管理模块；多电源接入管理模块的第一输出端通过电源转换模块与单片机模块连接，多电源接入管理模块包括交流电供电单元、直流电供电单元、太阳能供电单元、USB供电单元；电池充电管理模块包括锂电池充电管理电路、锂电池组，多电源接入管理模块的第二输出端通过锂电池充电管理电路连接锂电池组，锂电池组与电源转换模块连接；无线通信装置包括采用LoRa通信技术的无线电信号收发器和天线。本实用新型能够实现低功耗和远距离中继功能，并能够兼容无线物联网的不同应用场景。

Description

一种LoRa无线中继器

技术领域

本实用新型涉及网络互联技术领域，尤其是涉及一种低功耗的LoRa无线中继器电路。

背景技术

随着无线物联网的快速发展和应用普及，无线中继器正扮演着越来越重要的角色。无线中继器适用于完全相同的两类网络的互连，主要功能是通过对数据信号的重新发送或者转发，来扩大网络传输的距离。现有的无线物联组网方案中，由于距离原因而导致信号的衰减，在传输链路上添加无线中继器完成物理线路的连接，能够对衰减的信号进行放大，从而保持与原数据相同，因而可以保证传输更远的距离。

在供电应用方案中，无线中继器自身电路的耗电能和电池更换周期已成为经营者不得不首要考虑的问题。市面中的无线中继器多数只强调增大无线发射的输出功率，以达到更远传输距离，而放弃了考虑中继设备的耗能平衡问题。即便是采用了电池供电的中继器方案，其中继无线数据传输距离和功耗也无法达到要求。当无法采用大功率的无线发射器时，无线信号的覆盖能力大大缩减，比如目前的一些100mW的无线中继器，只能传输100米的实际环境应用距离，无法达到预期的远距离组网设计目标。现有的无线中继器技术要么是强调实现远距离中继功能，而不考虑电源功耗的问题，它可以将无线发射器的功率调制很大，使无线信号中继到较远的距离；要么是采用了可更换电池的供电方式后，中继距离却无法得到保证，电路功耗过高导致需要更换电池的周期较频繁。因此，在许多市电供电不足或低功耗场景的应用中，无线中继器很难被接入使用或有限的被使用。即便被使用上去后，后期维护更换电池等的人工成本和电池材料成本都是很高的，无法满足智能无线物联的市场应用需要。

实用新型内容

本实用新型提供了一种LoRa无线中继器，以解决现有的无线中继器技术难以同时兼顾远距离中继功能和电源功耗的技术问题，本实用新型能够在远距离中继功能的基础上实现无线中继器的低功耗，并能够兼容无线物联网的不同应用场景。

为了解决上述技术问题，本实用新型实施例提供了一种LoRa无线中继器，包括控制装置、电源管理装置、无线通信装置；

所述控制装置包括采用省电唤醒处理机制以使中继器电路部分时间处于空闲省电状态、与所述无线通信装置双向联系、控制所述电源管理装置和所述无线通信装置的单片机模块；

所述电源管理装置包括电源转换模块和为所述控制装置、所述无线通信装置供电并受所述单片机模块监控的多电源接入管理模块、电池充电管理模块；

所述多电源接入管理模块的第一输出端通过所述电源转换模块与所述单片机模块连接，且所述多电源接入管理模块包括分别与所述第一输出端连接的交流电供电单元、直流电供电单元、太阳能供电单元、USB供电单元；

所述电池充电管理模块包括锂电池充电管理电路、由若干组锂电池串联而成的锂电池组，所述多电源接入管理模块的第二输出端通过所述锂电池充电管理电路连接所述锂电池组，所述锂电池组与所述电源转换模块连接；

所述无线通信装置包括采用LoRa通信技术的无线电信号收发器和天线，所述无线电信号收发器分别与所述天线、所述单片机模块连接。

作为优选方案，所述交流电供电单元包括ACDC转换电路和AC输入接口，所述AC输入接口分别与所述多电源接入管理模块的第一输出端、第二输出端连接。

作为优选方案，所述直流电供电单元包括第一DCDC转换电路、ACDC电源适配器接口、POE电源输入接口，所述POE电源输入接口、所述ACDC电源适配器接口分别与所述第一DCDC转换电路的输入端连接，所述第一DCDC转换电路的输出端分别与所述多电源接入管理模块的第一输出端、第二输出端连接。

作为优选方案，所述太阳能供电单元包括用于连接太阳能供电组件的太阳能电源输入接口，所述太阳能电源输入接口分别与所述多电源接入管理模块的第一输出端、第二输出端连接。

作为优选方案，所述USB供电单元包括USB接口，所述USB接口连接所述电源转换模块。

作为优选方案，所述电源转换模块包括第二DCDC转换电路和第三DCDC 转换电路，所述多电源接入管理模块的第一输出端、所述锂电池组均连接至所述第二DCDC转换电路，所述第二DCDC转换电路、所述USB供电单元均连接至所述第三DCDC转换电路，所述第三DCDC转换电路连接至所述单片机模块。

作为优选方案，所述锂电池充电管理电路受所述单片机模块监控并包括电流采样电路、充电开关控制电路、电路环境温度采样电路。

作为优选方案，所述LoRa无线中继器还包括与所述单片机模块连接的状态指示电路，所述状态指示电路包括用于显示不同状态的多个指示灯。

作为优选方案，所述LoRa无线中继器还包括与所述单片机模块连接的信息存储电流和参数设置电路。

作为优选方案，所述无线电信号收发器具有至少二个LoRa无线接收通道、至少二个LoRa无线发射通道。

综上，本实用新型实施例提供了一种LoRa无线中继器，以所述单片机模块为管理中心，智能管理多组电源接入、锂电池的充电管理、锂电池组电压检测功能。通过采用LoRa无线通讯协议技术，能有效的过滤非法无线数据的干扰，同时采用省电唤醒的处理机制，能使中继器占有很高的空闲时间比。中继器电路大部分时间处于空闲省电模式状态，因此，其电路的功耗能降至最小。基于这种协调的无线机制，中继器只牺牲部分数据通信率，而其无线数据传输距离和中继性能并无减弱，因而它能达到低功耗中继器的设计目的。

其中，通过所述多电源接入管理模块实现交流电输入、直流电输入、太阳能电源输入、电池电源输入等等，可支持独立一种或多种电源同时接入的方式，且电源间相互隔离独立工作，在中继器运行时，所述单片机模块也会对各个接入的电源电压采样，以监控各种电源的接入状态情况。

此外，所述LoRa无线中继器采用LoRa通信技术，可与LoRa集中器和LoRa 终端设备组成网络，并保持连接交换数据。LoRa是一种远距离低功耗的直系扩频无线通信技术。可基于Semtech公司芯片设计的100mW的LoRa无线模块在空旷传输距离能达4公里，城市环境通信距离能达1公里。

相比于现有的无线中继器往往都采用全功率全时段的中继功能，而忽视中继供电电源的损耗问题，导致无线中继器使用功耗很高，本实用新型实施例能够在远距离中继功能的基础上实现无线中继器的低功耗，并能够兼容无线物联网的不同应用场景。

附图说明

图1是本实用新型实施例中的LoRa无线中继器的电路结构示意图；

图2是本实用新型实施例中的LoRa无线中继器的电路结构示意图；

图3是本实用新型实施例中的LoRa无线中继器的电路图；

图4是本实用新型实施例中的LoRa无线中继器的电路图；

图5是本实用新型实施例中的LoRa无线中继器的LoRa^TM数据包结构示意图；

图6是本实用新型实施例中的LoRa无线中继器的无线唤醒时序图；

图7是本实用新型实施例中的LoRa无线中继器的LoRa组网案例图；

其中，说明书附图中的附图标记如下：

1、交流电供电单元；2、直流电供电单元；3、太阳能供电单元；4、USB供电单元；5、锂电池充电管理电路；6、锂电池组；7、电源转换模块；8、单片机模块；9、无线电信号收发器；10、天线。

具体实施方式

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。

请参见图1，本实用新型优选实施例提供了一种LoRa无线中继器，包括控制装置、电源管理装置、无线通信装置；

所述控制装置包括采用省电唤醒处理机制以使中继器电路部分时间处于空闲省电状态、与所述无线通信装置双向联系、控制所述电源管理装置和所述无线通信装置的单片机模块8；

所述电源管理装置包括电源转换模块7和为所述控制装置、所述无线通信装置供电并受所述单片机模块8监控的多电源接入管理模块、电池充电管理模块；

所述多电源接入管理模块的第一输出端通过所述电源转换模块7与所述单片机模块连接，且所述多电源接入管理模块包括分别与所述第一输出端连接的交流电供电单元1、直流电供电单元2、太阳能供电单元3、USB供电单元4；

所述电池充电管理模块包括锂电池充电管理电路5、由若干组锂电池串联而成的锂电池组6，所述多电源接入管理模块的第二输出端通过所述锂电池充电管理电路5连接所述锂电池组6，所述锂电池组6与所述电源转换模块7连接；

所述无线通信装置包括采用LoRa通信技术的无线电信号收发器9和天线 10，所述无线电信号收发器9分别与所述天线10、所述单片机模块8连接。其中，所述无线电信号收发器9采用4个100mW的LoRa无线模块，实行多通道通信机制，根据设置的无线通道配置参数和无线链路保存信息，实行多组无线数据的接入和查询多组目的地的数据定向中继转发的机制。

本实用新型实施例提供了一种LoRa无线中继器，以所述单片机模块8为管理中心，智能管理多组电源接入、锂电池的充电管理、锂电池组6电压检测功能。通过采用LoRa无线通讯协议技术，能有效的过滤非法无线数据的干扰，同时采用省电唤醒的处理机制，能使中继器占有很高的空闲时间比。中继器电路大部分时间处于空闲省电模式状态，因此，其电路的功耗能降至最小。基于这种协调的无线机制，中继器只牺牲部分数据通信率，而其无线数据传输距离和中继性能并无减弱，因而它能达到低功耗中继器的设计目的。

其中，通过所述多电源接入管理模块实现交流电输入、直流电输入、太阳能电源输入、电池电源输入等等，可支持独立一种或多种电源同时接入的方式，且电源间相互隔离独立工作，在中继器运行时，所述单片机模块8也会对各个接入的电源电压采样，以监控各种电源的接入状态情况。

此外，所述LoRa无线中继器采用LoRa通信技术，可与LoRa集中器和LoRa 终端设备组成网络，并保持连接交换数据。LoRa是一种远距离低功耗的直系扩频无线通信技术。可基于Semtech公司芯片设计的100mW的LoRa无线模块在空旷传输距离能达4公里，城市环境通信距离能达1公里。

相比于现有的无线中继器往往都采用全功率全时段的中继功能，而忽视中继供电电源的损耗问题，导致无线中继器使用功耗很高，本实用新型实施例能够在远距离中继功能的基础上实现无线中继器的低功耗，并能够兼容无线物联网的不同应用场景。

请参见图2至图4在其中一种优选实施方式中，所述LoRa无线中继器支持交流AC110V/220V输入接口，POE标准电源输入接口，ACDC电源适配器接口，太阳能板接口和USB接口作为系统电源使用，并能够支持独立一种或多种电源同时接入的方式，电源间相互隔离独立工作。同时所述单片机模块8能够通过对各个接入的电源电压采样，监控各种电源的接入状态情况。具体如下：

所述交流供电单元包括ACDC转换电路和AC输入接口，所述AC输入接口分别与所述多电源接入管理模块的第一输出端、第二输出端连接。所述AC输入接口为交流AC110V/220V输入接口。

所述直流电供电单元2包括第一DCDC转换电路、ACDC电源适配器接口、 POE标准电源输入接口，所述POE标准电源输入接口、所述ACDC电源适配器接口分别与所述第一DCDC转换电路的输入端连接，所述第一DCDC转换电路的输出端分别与所述多电源接入管理模块的第一输出端、第二输出端连接。

所述太阳能供电单元3包括用于连接太阳能供电组件的太阳能电源输入接口，所述太阳能电源输入接口分别与所述多电源接入管理模块的第一输出端、第二输出端连接。

所述USB供电单元4包括USB接口，所述USB接口连接所述电源转换模块7。

所述电源转换模块7包括第二DCDC转换电路和第三DCDC转换电路，所述多电源接入管理模块的第一输出端、所述锂电池组6均连接至所述第二DCDC 转换电路，所述第二DCDC转换电路、所述USB供电单元4均连接至所述第三 DCDC转换电路，所述第三DCDC转换电路连接至所述单片机模块8。

在其中一种优选实施方式中，所述LoRa无线中继器的供电电池采用3组锂电池串联的方式，容量为25AH，其最大充电电压为14.3V。AC110V/220V输入接口，所述POE标准电源输入接口，所述ACDC电源适配器接口和所述太阳能电源输入接口都可以对锂电池进行充电。

其中，应当说明的是，对锂电池充电，不仅要求对电池的使用安全操作，而且要保证充电电路安全可靠。本电路通过单片机采样监控电池电压、充电电路温度，输入电源状态来控制充电电路的电流对电池组进行充电控制，能够防止电池充电时过流过压过温等事件的发生。锂电池充电电路包含了电流采样电路，充电开关控制电路，电路环境温度采样电路。因此，所述锂电池充电管理电路5受所述单片机模块8监控并包括电流采样电路、充电开关控制电路、电路环境温度采样电路。

在其中一种优选实施方式中，所述LoRa无线中继器还包括与所述单片机模块8连接的状态指示电路，所述状态指示电路包括用于显示不同状态的多个指示灯。

作为示例性的，所述状态指示电路包含5个LED灯，都由所述单片机模块8 直接的管脚电平独立控制，低电平点亮LED。无线终端产品将每一个LED定义为某一功能的状态显示，如LED1定义为电池电压指示灯，当电源正常时，LED1 每4秒闪亮1次，当电源电压偏低时，LED1每秒闪亮1次，充电时LED1常亮； LED2可定义为无线通道1的发送数据和接收时闪亮指示；LED3可定义为无线通道1的发送数据和接收时闪亮指示；LED4可定义为无线通道3的发送数据和接收时闪亮指示；LED5可定义为无线通道4的发送数据和接收时闪亮指示。

在其中一种优选实施方式中，所述LoRa无线中继器还包括与所述单片机模块8连接的信息存储电流和参数设置电路。

在本实施例中，所述信息存储电路具有掉电保存功能，主要用于保存LoRa 无线通道信息，无线组网上行路由信息表和中继器运行时间日志。本实施例可采用USB转UART电路对系统参数进行设置，由所述USB接口可直接给系统提供输入电源供电，但不能对锂电池组6充电。

在其中一种优选实施方式中，所述无线电信号收发器9具有至少二个LoRa 无线接收通道、至少二个LoRa无线发射通道。

所述LoRa无线中继器采用LoRa通信技术，可与LoRa集中器和LoRa终端设备组成网络，并保持连接交换数据。LoRa是一种远距离低功耗的直系扩频无线通信技术。可基于Semtech公司芯片设计的100mW的LoRa无线模块在空旷传输距离能达4公里，城市环境通信距离能达1公里。

应当说明的是，LoRaTM数据包结构组成：主要由四部分组成，前导码、同步字、包头、有效负载，如图5所示。

LoRa无线中继器的省电方法是将设备的内部电路和无线电路大多数时间都处于省电模式下，周期性醒来检测无线接入。这种省电模式是指所有电路都进入休眠省电模式，定时启动无线监听空中数据的同步头数据，如果同步头数据符合即进入下步的数据接收，如果同步头不符合无线电路则再次进入休眠。无线检测周期可进行设置并保存在存储电路中，如4秒的检测周期，只醒来监听5ms。图 6是LoRa技术省电模式应用时序图，介绍了处于省电模式的B设备，被处于唤醒模式A设备唤醒并接收数据的过程。

本实施例提供的LoRa无线中继器遵循上述通信机制，同时它在LoRa终端与无线集中器的组网中担任一个仲裁者和转发者的角色。如图7所示，由上位机发起读命令至下位机，下位机返回数据至上位机的过程。其中LoRa中继器安装并处于集中器和终端节点的中部位置，能够收到来自集中器和终端节点发出的负载数据。中继器根据负载数据翻译下发和上行的目的地址，自行记录和计算命令数据的传输时间信息。当无线命令无法获取到应答而超时后，无线中继器将负责中继上次的数据命令和应答命令；如图7中的①和②是中继监听的位置点。

因此，为了兼容无线降低电路功耗和减少无线数据指令的响应时间，本案例的LoRa中继器采用了固定目的联络地址的方式。中继器支持多方向的集中器和多级中继，联络地址以列表的方式保存在存储电路中。当需要中继功能时，单片机查询路径列表，合法的保存记录实行中继，否则不进行中继。然而，单频的无线组网数据的交换都是分时占用的，中继的级数越高，等待目的设备的响应时间就越长，网络时延就越高，所有在线组网设备的功耗就相应的增加，组网时必须考虑功耗网点平衡。

组网网络是不允许长时间占用频道资源，本案例的LoRa中继器采用4个 LoRa无线通道，监听单频设置参数下的自组网网络信息和中继功能，各自完成监控功能后随即进入省电模式。4通道LoRa中继器为安全组网的高级应用，如跳频，分时复用等提供了多种功能保证，同时也是组网设备的迅速响应和电能功耗达到极佳的平衡。

以上所述是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种LoRa无线中继器，其特征在于，包括控制装置、电源管理装置、无线通信装置；

所述控制装置包括采用省电唤醒处理机制以使中继器电路部分时间处于空闲省电状态、与所述无线通信装置双向联系、控制所述电源管理装置和所述无线通信装置的单片机模块；

所述电源管理装置包括电源转换模块和为所述控制装置、所述无线通信装置供电并受所述单片机模块监控的多电源接入管理模块、电池充电管理模块；

所述多电源接入管理模块的第一输出端通过所述电源转换模块与所述单片机模块连接，且所述多电源接入管理模块包括分别与所述第一输出端连接的交流电供电单元、直流电供电单元、太阳能供电单元、USB供电单元；

所述电池充电管理模块包括锂电池充电管理电路、由若干组锂电池串联而成的锂电池组，所述多电源接入管理模块的第二输出端通过所述锂电池充电管理电路连接所述锂电池组，所述锂电池组与所述电源转换模块连接；

所述无线通信装置包括采用LoRa通信技术的无线电信号收发器和天线，所述无线电信号收发器分别与所述天线、所述单片机模块连接。

2.如权利要求1所述的LoRa无线中继器，其特征在于，所述交流电供电单元包括ACDC转换电路和AC输入接口，所述AC输入接口分别与所述多电源接入管理模块的第一输出端、第二输出端连接。

3.如权利要求1所述的LoRa无线中继器，其特征在于，所述直流电供电单元包括第一DCDC转换电路、ACDC电源适配器接口、POE电源输入接口，所述POE电源输入接口、所述ACDC电源适配器接口分别与所述第一DCDC转换电路的输入端连接，所述第一DCDC转换电路的输出端分别与所述多电源接入管理模块的第一输出端、第二输出端连接。

4.如权利要求1所述的LoRa无线中继器，其特征在于，所述太阳能供电单元包括用于连接太阳能供电组件的太阳能电源输入接口，所述太阳能电源输入接口分别与所述多电源接入管理模块的第一输出端、第二输出端连接。

5.如权利要求1所述的LoRa无线中继器，其特征在于，所述USB供电单元包括USB接口，所述USB接口连接所述电源转换模块。

6.如权利要求1或5所述的LoRa无线中继器，其特征在于，所述电源转换模块包括第二DCDC转换电路和第三DCDC转换电路，所述多电源接入管理模块的第一输出端、所述锂电池组均连接至所述第二DCDC转换电路，所述第二DCDC转换电路、所述USB供电单元均连接至所述第三DCDC转换电路，所述第三DCDC转换电路连接至所述单片机模块。

7.如权利要求1所述的LoRa无线中继器，其特征在于，所述锂电池充电管理电路受所述单片机模块监控并包括电流采样电路、充电开关控制电路、电路环境温度采样电路。

8.如权利要求1所述的LoRa无线中继器，其特征在于，所述LoRa无线中继器还包括与所述单片机模块连接的状态指示电路，所述状态指示电路包括用于显示不同状态的多个指示灯。

9.如权利要求1所述的LoRa无线中继器，其特征在于，所述LoRa无线中继器还包括与所述单片机模块连接的信息存储电流和参数设置电路。

10.如权利要求1所述的LoRa无线中继器，其特征在于，所述无线电信号收发器具有至少二个LoRa无线接收通道、至少二个LoRa无线发射通道。

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