CN220422061U - 一种高可靠的LoRa网关 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种高可靠的LoRa网关，包括MCU、指示灯、以太网模块、LoRa模块、DCDC电源；所述MCU内部的Flash存储器包括程序存储区和数据存储区；所述MCU的外部设置有指示灯，所述指示灯包括RUN指示灯和LORA_DATA指示灯；所述以太网模块包括以太网通信协议处理单元和网络通信变压器，所述MCU分别通过SPI接口与以太网通信协议处理单元、LoRa模块连接。本实用新型通过MCU内部的软件程序实现控制与通信，通过对接入LoRa终端的上传数据时刻编排，有效避免冲突，提高数据传输的可靠性和效率；MCU内部的程序存储区和数据存储区提高了LoRa网关数据防丢失的可靠性，具有较好的实用性。
Description
技术领域
本实用新型属于网络传输设备的技术领域，具体涉及一种高可靠的LoRa网关。
背景技术
LoRa网关是一种LoRa网络系统中的传输设备，用于数据传输的转换；对下，网关通过无线接口与多个LoRa终端进行数据交互。目前通常的应用中网关往LoRa终端发送的数据（简称LoRa下行数据）相比接收LoRa终端的数据（简称为LoRa上行数据）要少得多，是一种非对称的状态。对上，网关通过以太网接口与互联网连接，将接收到的LoRa终端的数据经过处理后发送给远端的服务器，网关也接收服务器发来的控制配置数据，然后下发给对应的LoRa终端，指挥LoRa终端的工作行为。LoRa网关可应用在工业现场环境、智慧物业管理、水务水质监控、智慧农业管理等多种场景，是组建LoRa网络的重要组成部件。
目前，市面上销售的网关，其应用于各种场景LoRa网络时，会根据网络大小及终端的多少配置不同数量的单频道网关，或者选择多通信频道网关。一个LoRa网络中，通信终端的数量，终端的拓扑位置，终端传输数据量的多少，传输数据量的频繁程度，都是决定网关及频道数的重要因素，如何使用更少的网关，更少的频道数以满足与各个终端通信的可靠性和稳定性要求，即提高单位频道能可靠通信的终端数量，一直是丞待解决的难题。
目前市面上可以购买到的LoRa网关，往往通过增加LoRa的网关数量，或增加网关上的通信频道数来增加接入LoRa终端的容量，即使如此通信终端仍然存在数据冲突导致通信失败，或通信效率低下的情况。当前市面上用于组建LoRa网络的网关存在如下的问题及缺陷：
① 单方面地通过增加LoRa网关的数量或无线通信频道数以增加通信LoRa终端的数量，会导致频道的频谱利用率较低。
② 当LoRa网关出现上行网络阻断的时候，网关接收到的LoRa终端数据被抛弃而导致数据非连续。
③ 其次，通过LoRa网关与LoRa终端进行双向通信，并接收数据确认和多次重传的方式来提高数据传输的可靠性，但是由于LoRa终端之间的不同步，仍然存在相同频道中数据传输时出现多个终端传输冲撞的情况，导致传输数据失败而进行反复重传，导致重传的次数增加，而大大影响了频道传输的效率，最恶劣的情况是一直冲撞下去，导致频道堵死；由于采用多次传输，导致其他LoRa终端在数据传输的上时延大大增加，影响某些业务的正常进行，更有甚者，在某些对LoRa终端的电池续航时间敏感的情况下，续航时间无法达到预期的目标。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种高可靠的LoRa网关，通过MCU内部的程序存储区和数据存储区提高了LoRa网关的可靠性，通过SW DEBGU接口实现快速导入程序至MCU，且通过指示灯直观提示MCU状态，具有较好的实用性。
本实用新型主要通过以下技术方案实现：
一种高可靠的LoRa网关，包括MCU、指示灯、以太网模块、LoRa模块、DCDC电源，所述DCDC电源用于为MCU、以太网模块、LoRa模块供电；所述MCU内部的Flash存储器包括程序存储区和数据存储区，所述程序存储区用于放置运行程序用的空间，所述数据存储区用于构造数据的循环缓冲；所述MCU的外部设置有指示灯，所述指示灯包括RUN指示灯和LORA_DATA指示灯，所述RUN指示灯用于显示MCU运行状态，所述LORA_DATA指示灯用于表示MCU数据传输状态；所述以太网模块包括相互连接的以太网通信协议处理单元和网络通信变压器，所述MCU分别通过SPI接口与以太网通信协议处理单元、LoRa模块连接。
为了更好地实现本实用新型，进一步地，所述MCU的型号为HC32L130J8TA或者STM32F103C8T6。
为了更好地实现本实用新型，进一步地，所述以太网通信协议处理单元的型号为W5500，所述网络通信变压器的型号为HR911105A，所述LoRa模块的型号为WH-LR36 LORA。
为了更好地实现本实用新型，进一步地，所述MCU设置有SW DEBGU接口，用于调试和下载程序；所述MCU的VDD/PD07引脚和VSS/PD06引脚分别通过电阻R2、电阻R3和SW DEBGU接口的引脚1、引脚4连接；所述MCU的PA14引脚、PA13引脚分别和SW DEBGU接口的引脚3、引脚2连接；所述SW DEBGU接口的引脚1与DCDC电源连接，所述SW DEBGU接口的引脚4以及MCU的VSS引脚接地。
为了更好地实现本实用新型，进一步地，所述LoRa模块还通过BUSY引脚、DIO1引脚和MCU的PA0引脚、PB11引脚连接，用于反馈模块的运行状态。
为了更好地实现本实用新型，进一步地，所述DCDC电源包括稳压器、断路器、抑制器、单向器，所述稳压器与插座之间设置有第一支路和第二支路，所述第一支路上设置有单向器，用于进行防止外接电源接反保护，第一支路与第二支路之间连接有抑制器，用于进行外部突然出现高压的浪涌保护。
为了更好地实现本实用新型，进一步地，所述稳压器的型号为SY8301/JW5018B，断路器的型号为nSMD100-24V，单向器的型号为DS14，抑制器的型号为SMBJ28CA。
本实用新型的有益效果如下：
（1）本实用新型在使用过程中，通过MCU内部的软件程序实现对不断接入的LoRa终端实施双向通信，基于双向通信，进行广播通信和码分多址通信，嵌入式软件对接入的LoRa终端进行上传数据时刻编排，避免终端彼此的数据传输冲突；在广播通信中，进行所有接入LoRa终端的统一时间“对表”，并且进行周期性“对表”，以确保有效减少网络中各个终端的时钟偏差；在码分多址通信中是点对点的通信，可以实现对应LoRa终端的数据发送时刻，该时刻不与其他LoRa终端的发送时刻交叠，有效避免冲突，提高数据传输的可靠性和效率；
（2）本实用新型通过MCU内部的程序存储区和数据存储区提高了LoRa网关防冲突的可靠性，所述数据存储空间被设计为循环使用的防数据丢失的数据缓冲，在当LoRa网关的连接互联网的数据通道不正常的时，把接收到LoRa终端的数据进行临时存储，当互联网数据通道正常后，马上加速上传数据到服务器，如此，避免互联网通道异常时导致LoRa终端数据丢失的情况；
（3）本实用新型以MCU为核心，通过MCU内部的软件程序实现控制与通信，通过指示灯直观提示MCU状态，通过SW DEBGU接口将程序导入MCU，通过对接入LoRa终端的上传数据时刻编排，有效避免冲突，提高数据传输的可靠性和效率；MCU内部的程序存储区和数据存储区提高了LoRa网关数据防丢失的可靠性，其次，本实用新型通过具体型号的设计，形成了一种高可靠的LoRa网关，具有较好的实用性。
附图说明
图1为LoRa网关的原理框图；
图2为MCU的电路原理图；
图3为以太网通信协议处理单元的电路原理图；
图4为网络通信变压器的电路原理图；
图5为LoRa模块的电路原理图；
图6为DCDC电源的电路原理图。
具体实施方式
实施例1：
一种高可靠的LoRa网关，如图1所示，包括MCU、以太网模块、LoRa模块、DCDC电源，所述MCU内部的Flash存储器包括程序存储区和数据存储区，所述程序存储区用于放置运行程序用的空间，所述数据存储区用于构造数据的循环缓冲；所述MCU的外部设置有RUN指示灯和LORA_DATA指示灯，所述RUN指示灯用于显示MCU运行状态，所述LORA_DATA指示灯用于表示MCU数据传输状态。所述MCU分别通过SPI接口与以太网模块、LoRa模块连接。所述DCDC电源用于为MCU、以太网模块、LoRa模块供电。所述Flash存储器设置程序存储区和数据存储区的方法为现有技术，且不是本实用新型的改进点，故不再赘述。
优选地，如图1所示，可靠LoRa网关主要由4个核心部分组成，分别是MCU及其指示灯、以太网模块、LoRa模块，DCDC电源。嵌入式程序运行在MCU中，MCU负责对以太网模块进行初始配置和数据传输控制，也负责对LoRa模块进行初始配置和收发数据控制，为了更好地反映MCU的运行和工作状态，具备了RUN和LORA_DATA的绿色指示灯，RUN指示灯按照1Hz的频率亮灭闪烁，表示MCU的程序正常运行，否则不正常；LORA_DATA指示灯闪烁时表示有数据正在传输，不闪烁时表示没有数据正在传输。
优选地，所述MCU的型号为STM32F103C8T6，所述以太网通信协议处理单元的型号为W5500，所述网络通信变压器的型号为HR911105A，所述LoRa模块的型号为WH-LR36 LORA。
优选地，如图2所示，在MCU的通过SPI接口连接LoRa模块，与之进行控制和通信；然后通过SPI1接口连接到以太网模块的W5500，与之进行控制和通信；此外MCU有一个用于调试和下载程序的SW DEBGU接口。优选地，所述MCU的VDD/PD07引脚和VSS/PD06引脚分别通过电阻R2、电阻R3和SW DEBGU接口的引脚1、引脚4连接；所述MCU的PA14引脚、PA13引脚分别和SW DEBGU接口的引脚3、引脚2连接；所述SW DEBGU接口的引脚1与DCDC电源连接，所述SWDEBGU接口的引脚4以及MCU的VSS引脚接地。
优选地，如图3、图4所示，以太网模块有2个主要部分组成，包括以太网通信协议处理W5500和网络通信变压器HR911105A。所述网络通信变压器的引脚1-引脚6分别对应为TXP、TXN、RXPNET、TCT、RCT、RXNNET；电压VCC_3V3A分别通过电阻R30、R31、R32连接TXP、TXN、TCT，所述VCC_3V3A通过电容C15接地，且TCT通过电容C23接地。
优选地，如图5所示，LoRa模块由WH-LR36 LORA组成，其通过SPI接口直接连接到MCU，同时通过BUSY和DIO1向MCU反馈模块的运行状态。
优选地，如图6所示，系统电源由DCDC电源统一提供，可以接受5~24VDC的电压范围输入，转换为3.3V输出电压；设计上通过DS14进行防止外接电源接反保护，通过SMBJ28CA进行外部突然出现高压的浪涌保护。优选地，所述DCDC电源包括稳压器、断路器、抑制器、单向器，所述稳压器与插座之间设置有第一支路和第二支路，所述第一支路上设置有单向器，用于进行防止外接电源接反保护，第一支路与第二支路之间连接有抑制器，用于进行外部突然出现高压的浪涌保护。优选地，所述稳压器的型号为SY8301/JW5018B，断路器的型号为nSMD100-24V，单向器的型号为DS14，抑制器的型号为SMBJ28CA。
优选地，如图2所示，可靠LoRa网关以高性能的MCU（STM32F103C8T6）为控制核心，实现整个网关的本地硬件资源控制，上下端的控制配置数据和采集数据处理，系统的可靠性保障等功能。LoRa网关的可靠性有MCU来把控，一是进行LoRa终端数据的循环缓冲处理，二是控制LoRa终端发送数据的时刻编排处理。
优选地，在LoRa终端数据的循环缓冲处理上，MCU中的嵌入式程序，把内部的Flash划分为程序存储区和数据存储区，其中程序存储区用于放置运行程序用的空间，数据存储区用于构造数据的循环缓冲，当LoRa网关的连接互联网的数据通道不正常的时，LoRa网关把接收到LoRa终端的数据进行临时存储，一旦互联网的数据通道恢复正常后，马上加速上传数据到服务器，如此，避免上行通道异常时导致LoRa终端数据丢失；另外，因为数据的循环缓冲是构建在Flash上，即使LoRa网关突然断电，之前的缓冲中的数据不会因为掉电而丢失，当LoRa恢复上电后，将能把Flash中的数据上传到服务；这是提高数据可靠性的另外一种有些措施。
优选地，在LoRa终端发送数据的时刻编排上，MCU首先通过广播信道，对接入到本LoRa网关频道的全部合法LoRa终端进行时间“对表”，统一时钟；进一步地，为了防止各个LoRa终端的时间漂移，导致时间不准，这个“对表”工作会周期性进行；时间“对表”完成后，LoRa网关通过点对点通信的方式为每个LoRa终端进行发送数据的时刻编排，这种编排用于有效地确定该LoRa终端的上传数据时刻，有效地避免不同LoRa终端之间的传输冲突；当有新的LoRa终端加入，或有LoRa移除时，LoRa网关及时进行重新时间“对表”操作，然后重新编排LoRa终端的发送数据的时刻；如此，除了大大提高数据传输的可靠性之外，还提高了频道的利用率，是解决目前市面上LoRa网关可靠性较低的有效方法。
以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型做任何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本实用新型的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种高可靠的LoRa网关，其特征在于，包括MCU、指示灯、以太网模块、LoRa模块、DCDC电源，所述DCDC电源用于为MCU、以太网模块、LoRa模块供电；所述MCU内部的Flash存储器包括程序存储区和数据存储区，所述程序存储区用于放置运行程序用的空间，所述数据存储区用于构造数据的循环缓冲；所述MCU的外部设置有指示灯，所述指示灯包括RUN指示灯和LORA_DATA指示灯，所述RUN指示灯用于显示MCU运行状态，所述LORA_DATA指示灯用于表示MCU数据传输状态；所述以太网模块包括相互连接的以太网通信协议处理单元和网络通信变压器，所述MCU分别通过SPI接口与以太网通信协议处理单元、LoRa模块连接。
2.根据权利要求1所述的一种高可靠的LoRa网关，其特征在于，所述MCU的型号为HC32L130J8TA或者STM32F103C8T6。
3.根据权利要求2所述的一种高可靠的LoRa网关，其特征在于，所述以太网通信协议处理单元的型号为W5500，所述网络通信变压器的型号为HR911105A，所述LoRa模块的型号为WH-LR36 LORA。
4.根据权利要求3所述的一种高可靠的LoRa网关，其特征在于，所述MCU设置有SWDEBGU接口，用于调试和下载程序；所述MCU的VDD/PD07引脚和VSS/PD06引脚分别通过电阻R2、电阻R3和SW DEBGU接口的引脚1、引脚4连接；所述MCU的PA14引脚、PA13引脚分别和SWDEBGU接口的引脚3、引脚2连接；所述SW DEBGU接口的引脚1与DCDC电源连接，所述SW DEBGU接口的引脚4以及MCU的VSS引脚接地。
5.根据权利要求3所述的一种高可靠的LoRa网关，其特征在于，所述LoRa模块还通过BUSY引脚、DIO1引脚和MCU的PA0引脚、PB11引脚连接，用于反馈模块的运行状态。
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种高可靠的LoRa网关，其特征在于，所述DCDC电源包括稳压器、断路器、抑制器、单向器，所述稳压器与插座之间设置有第一支路和第二支路，所述第一支路上设置有单向器，用于进行防止外接电源接反保护，第一支路与第二支路之间连接有抑制器，用于进行外部突然出现高压的浪涌保护。
7.根据权利要求6所述的一种高可靠的LoRa网关，其特征在于，所述稳压器的型号为SY8301/JW5018B，断路器的型号为nSMD100-24V，单向器型号为 DS14，抑制器的型号为SMBJ28CA。
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