一種LoRa智能網關及其使用方法、物聯網系統與流程

2023-05-13 19:39:56

本發明涉及無線通訊等技術領域，特別是一種lora智能網關及其使用方法、窄帶物聯網系統。

背景技術：

在傳統的傳感監測、無線抄表等領域，通常使用各種無線組網方式，在一定區域範圍內進行組網，然後再在適當位置布置若干個數據集中器或者智能網關，智能網關採用gprs或者3g/4g等gsm通訊方式與平臺相連，進行數據互傳。這些無線組網方式，常見的有zigbee短距離組網、wifi短距離組網、rf模塊結合自定義協議組網以及lora遠距離的組網。

而類似zigbee和wifi此類的短距離組網有很多實用限制，最為突出的就是距離限制，由於通訊距離有限，就必須在適合位置增加路由器或者通訊中繼器。而wifi類的現場終端會由於功耗問題給現場供電增加一些麻煩及後續的維護成本。

lora遠距離的組網，由於同時具備低功耗和遠距離組網的特點，其傳輸距離可達數十公裡，比較適合現實需求，但由於常見的lora智能網關的局限性，讓這類應用效果大打折扣。因為常見的lora智能網關，基本上是將接收到的lora信號，經過重新封裝後以gprs等gsm通訊方式再次傳輸出去，由於傳統的gprs通訊存在連接不穩定、功耗大等缺陷，不但需要足夠大的電量供應，還經常出現數據丟包，需要重新重複連接的情況，進一步加劇電量損耗。

而且，經過技術的持續發展創新，後續在很長的時間內，使用lora技術的終端和使用nb-iot等新型通訊模式的終端將長期並存，傳統的lora智能網關就無法兼容這些採用不同通訊模式的現場終端。比如後期選擇採用nb-iot網絡伺服器的場合，原先採用lora模式的終端就必須全部替換。如果採用兩套系統，一套nb-iot網絡系統，一套lora系統，這明顯增加不必要的開支，增加維護工作量。

綜上所述現存的lora智能網關及組網工作的不足之處，現實需要研製一種可以兼容多種通訊模式並且可以雙向切換的多模形式的lora智能網關，用於取代當前的lora+gprs方式。

技術實現要素：

本發明針對上述技術問題做出改進，即本發明所要解決的技術問題是提供一種低功耗、兼容多種通訊模式且可以雙向切換的多模形式的lora智能網關，用於取代當前的lora+gprs方式，並提供所述lora智能網關的使用方法及對應的窄帶物聯網系統。

為了解決上述技術問題，本發明的一種技術方案是：一種lora智能網關，包括主控單元，及與主控單元相連接的外部存儲器、供電單元、接口單元、多模通訊模組、lora模組、顯示單元、基準時鐘、鈕扣電池、nfc模塊。

進一步地，所述供電單元分別為所述主控單元、所述外部存儲器、所述接口單元、所述多模通訊模組、所述lora模組、所述顯示單元及所述nfc模塊供電。

進一步地，所述鈕扣電池為所述基準時鐘供電；

進一步地，所述lora模組用於接收來自現場lora終端的信息，經解析識別及重新封裝後，再通過所述多模通訊模組與雲端平臺連接並上傳相關信息。

進一步地，所述現場lora終端與所述智能網關在初次聯網配置後，後續都自動連接，並且各自分別備份通訊路徑，所述智能網關越多，通訊越可靠。

進一步地，所述現場lora終端與所述智能網關之間通訊採用lorawan網絡協議。

進一步地，所述多模通訊模組是一種基於蜂窩網絡及lte協議的集合了多種通訊方式的通訊模組，包括有nb-iot、emtc和egprs的多模通訊方式；所述多模通訊模組內置有物聯網專用號段的esim卡。

進一步地，所述多模通訊模組可以配置為nb-iot模式，將接收到的lora協議轉換為符合nb-iot通信標準協議，轉發至雲端平臺。同樣，也可以配置為emtc模式或者egprs模式。

進一步地，所述基準時鐘用於所述現場lora終端的時間校準，並在組網時進行時間同步，減少通訊信息的同步時差。

進一步地，所述供電單元包括有太陽能板、充電電池、充電電路、ldo及濾波整流電路。

進一步地，所述nfc模塊與所述主控單元電氣相連，結合帶有nfc功能的手機及對應app應用，進行功能配置、數據讀取以及程序升級。

進一步地，所述接口單元包括有乙太網接口、usb接口、sd卡接口。

進一步地，所述主控單元是一種低功耗的微處理器，包括有存儲單元、標記單元、協議解析單元、協議封裝單元、網絡切換單元。

一種窄帶物聯網系統，包括若干個現場lora終端、若干個現場nb-iot終端、雲端平臺、客戶端應用；所述雲端平臺上安裝有數據監管軟體，用於分析數據並為所述客戶端應用提供查詢接口服務。

進一步地，所述客戶端應用包括有web查詢端、手機app應用、微信小程序應用。

進一步地，現場nb-iot終端可以通過所述智能網關或者通過通信運營商布置的基站與雲端平臺連接及數據互動。

進一步地，所述窄帶物聯網系統可以配置為以下幾種通訊方式組合：lora+emtc，lora+nb-iot，lora+gprs。

進一步地，所述若干個現場lora終端可以與某個所述lora智能網關連接，也可以與另一個所述lora智能網關連接，並互為保存最優通訊路徑。

一種lora智能網關的使用方法，包括以下步驟：

s1：現場lora終端與智能網關組網，並且進行基準時間同步；

s2：現場lora終端發送信息至智能網關；

s3：智能網關解析信息，並對數據包進行重新封裝；

s4：智能網關與雲端平臺連接，以新的通訊方式上傳相關信息。

進一步地，所述的一種lora智能網關的使用方法，還包括有以下前置步驟：

s101：通過nfc功能對現場lora終端進行配置，並標記唯一識別碼及與智能網關對應的加密令牌；

s102：現場lora終端上電，開始設備註冊組網，由智能網關進行鑑權信息比對，不符合則放棄，符合則進入下一步；

s103：智能網關進行本地短地址映射，並發送至雲端平臺，同步進行雲端註冊，錄入通訊白名單。

進一步地，所述的一種lora智能網關的使用方法還包括一種反註冊方法：

s201：通過雲端平臺解除通訊白名單中某個地址的設備；

s202：雲端平臺同步通知智能網關，解除本地短地址映射。

與現有的技術相比，本發明具有以下有益效果：

（1）結合低功耗與遠程通訊雙重優點，可減少電源供應的局限性，現場終端可以直接採用電池供電，智能網關採用充電電池結合太陽能供電；

（2）直接兼容多種通訊模式，可根據實際需求，將新舊終端最大限度地進行兼容並用，減少因為通訊模式的變更或升級，導致舊終端的浪費，大幅度增加硬體成本的支出；

（3）兼容新舊系統，改變連接雲端平臺的通訊類型，不需要增設或更換不同的智能網關，可按需要直接配置為nb-iot模式或emtc模式，或者使用舊版的gprs模式；

（4）相對短距離方式的組網，採用長距離組網可減少現場用於路由中繼的設備支出；

（5）nb-iot模式或emtc模式相比傳統的gprs方式，除了功耗優勢外，在通訊高峰期，也不容易引起網絡堵塞。

附圖說明

圖1為本發明實施例的結構框圖。

圖2為本發明實施例的系統架構圖。

圖3為本發明實施例的實現方法流程圖。

圖4為本發明實施例的實現方法流程圖。

圖5為本發明實施例的實現方法流程圖。

圖1中：1-主控單元、2-外部存儲器、3-供電單元、4-接口單元、5-多模通訊模組、6-lora模組、7-顯示單元、8-基準時鐘、9-鈕扣電池、10-nfc模塊。

具體實施方式

下面將對具體實施方式或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，所描述的實施例是本發明的一部分實施例，附圖是本發明的一些實施方式，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他形式的附圖。

如圖1所示，一種lora智能網關，包括主控單元1，及與主控單元1相連接的外部存儲器2、供電單元3、接口單元4、多模通訊模組5、lora模組6、顯示單元7、基準時鐘8、鈕扣電池9、nfc模塊10。

在本實施例中，所述供電單元3分別為所述主控單元1、所述外部存儲器2、所述接口單元4、所述多模通訊模組5、所述lora模組6、所述顯示單元7及所述nfc模塊10供電。

在本實施例中，所述鈕扣電池9為所述基準時鐘8供電；

在本實施例中，所述顯示單元7還包括有按鍵單元，可用於直接通過按鍵選擇配置相關參數，也可顯示經解析出來的監測信息等。

在本實施例中，所述lora模組6用於接收來自現場lora終端的信息，經解析識別及重新封裝後，再通過所述多模通訊模組5與雲端平臺連接並上傳相關信息。

在本實施例中，所述現場lora終端與所述智能網關在初次聯網配置後，後續都自動連接，並且各自分別備份通訊路徑，所述智能網關越多，通訊越可靠。

在本實施例中，所述現場lora終端與所述智能網關之間通訊採用lorawan網絡協議。

在本實施例中，作為一種可選的實施方式，所述lorawan網絡協議也可以替換成具備特定約定的自定義協議，所述自定義協議可以包括有指定格式的數據幀及命令幀。

在本實施例中，所述多模通訊模組5是一種基於蜂窩網絡及lte協議的集合了多種通訊方式的通訊模組，包括有nb-iot、emtc和egprs的多模通訊方式；所述多模通訊模組5內置有物聯網專用號段的esim卡。

在本實施例中，所述多模通訊模組5可以配置為nb-iot模式，將接收到的lora協議轉換為符合nb-iot通信標準協議，轉發至雲端平臺。同樣，也可以配置為emtc模式或者egprs模式。

在本實施例中，作為一種可選的實施方式，所述多模通訊模組5也可以替換成單獨模式的nb-iot模組、emtc模組或者gprs模組。

在本實施例中，所述基準時鐘8用於所述現場lora終端的時間校準，並在組網時進行時間同步，減少通訊信息的同步時差。

在本實施例中，所述供電單元包括有太陽能板、充電電池、充電電路、ldo及濾波整流電路。

在本實施例中，所述nfc模塊10與所述主控單元1電氣相連，結合帶有nfc功能的手機及對應app應用，進行功能配置、數據讀取以及程序升級。

在本實施例中，所述接口單元4包括有乙太網接口、usb接口、sd卡接口。

在本實施例中，所述主控單元1是一種低功耗的微處理器，包括有存儲單元、標記單元、協議解析單元、協議封裝單元、網絡切換單元。

如圖2所示，一種窄帶物聯網系統，包括若干個現場lora終端、若干個現場nb-iot終端、雲端平臺、客戶端應用；所述雲端平臺上安裝有數據監管軟體，用於分析數據並為所述客戶端應用提供查詢接口服務。

在本實施例中，所述客戶端應用包括有web查詢端、手機app應用、微信小程序應用。

在本實施例中，現場nb-iot終端可以通過所述智能網關或者通過通信運營商布置的基站與雲端平臺連接及數據互動。

在本實施例中，所述窄帶物聯網系統可以配置為以下幾種通訊方式組合：lora+emtc，lora+nb-iot，lora+gprs。

在本實施例中，所述若干個現場lora終端可以與某個所述lora智能網關連接，也可以與另一個所述lora智能網關連接，並互為保存最優通訊路徑。

如圖3所示，一種lora智能網關的使用方法，包括以下步驟：

s1：現場lora終端與智能網關組網，並且進行基準時間同步；

s2：現場lora終端發送信息至智能網關；

s3：智能網關解析信息，並對數據包進行重新封裝；

s4：智能網關與雲端平臺連接，以新的通訊方式上傳相關信息。

如圖4所示，在本實施例中，所述的一種lora智能網關的使用方法，還包括有以下前置步驟：

s101：通過nfc功能對現場lora終端進行配置，並標記唯一識別碼及與智能網關對應的加密令牌；

s102：現場lora終端上電，開始設備註冊組網，由智能網關進行鑑權信息比對，不符合則放棄，符合則進入下一步；

s103：智能網關進行本地短地址映射，並發送至雲端平臺，同步進行雲端註冊，錄入通訊白名單。

在本實施例中，通過本地短地址映射，將唯一識別碼的長地址類型與本地短地址類型進行一一對應儲存地址表，實現兩個地址的相互映射，節省儲存空間和通訊數據幀負擔。

如圖5所示，在本實施例中，所述的一種lora智能網關的使用方法還包括一種反註冊方法：

s201：通過雲端平臺解除通訊白名單中某個地址的設備；

s202：雲端平臺同步通知智能網關，解除本地短地址映射。

在本實施例中，本發明通過採用多模通訊模組，結合低功耗與遠程通訊雙重優點，可減少電源供應的局限性，現場終端可以直接採用電池供電，智能網關採用充電電池結合太陽能供電；直接兼容多種通訊模式，可根據實際需求，將新舊終端最大限度地進行兼容並用，減少因為通訊模式的變更或升級，導致舊終端的浪費，大幅度增加硬體成本的支出；可兼容新舊系統，改變連接雲端平臺的通訊類型，不需要增設或更換不同的智能網關，可按需要直接配置為nb-iot模式或emtc模式，或者使用舊版的gprs模式；相對短距離方式的組網，採用長距離組網可減少現場用於路由中繼的設備支出；同時，nb-iot模式或emtc模式相比傳統的gprs方式，除了功耗優勢外，在通訊高峰期，也不容易引起網絡堵塞。

本發明從一線實際需求出發，思路新穎，技術實現方便，市場前景廣闊。

以上所述僅為本發明的較佳實施例，任何人在本發明的啟示下都可以得出其他各種形式的lora智能網關及其使用方法，和對應的窄帶物聯網系統，凡依本發明申請專利範圍所做的均等變化與修飾，皆應屬本發明的涵蓋範圍。