一种基于窄带物联网的多协议智能网关及其实现方法技术

技术编号:17917662 阅读:111 留言:0更新日期:2018-05-10 21:28
本发明专利技术涉及一种基于窄带物联网的多协议智能网关及其实现方法,该智能网关包括低功耗单元和高性能单元;所述低功耗单元包括低功耗控制器、太阳能电池板、用于管理供电方式及电池状态信息的电源管理模块、用于接收来自云端服务器信息的NB‑IOT模块、用于获取本地LPWAN内现场LoRa节点信息的LoRa模块和信号采集调理模块,其中低功耗控制器分别与所述电源管理模块、NB‑IOT模块和LoRa模块双向通信;所述高性能单元包括高性能控制器、用于连接RS485节点的RS485接口模块、用于接计算机串口或者串口液晶屏的人机接口模块、GPS接口模块、数据存储模块和以太网接口模块。该网关采用低功耗单元和高性能单元协同的方式,有效解决了多个应用场景下低功耗与高性能的协调问题。

【技术实现步骤摘要】
一种基于窄带物联网的多协议智能网关及其实现方法
本专利技术涉及低功耗广域无线通信领域,尤其涉及一种基于窄带物联网的多协议智能网关及其实现方法,用于物联网系统中低功耗无线网络接入互联网,是与网络互联相关的低成本低功耗广域网接入设备,
技术介绍
以物联网为代表的信息通信技术驱动着新一轮科技革命与产业变革,深刻改变着传统产业形态和生活方式。作为物联网产业兴起的重要条件,各种无线技术不断突破,推动更多的传感器设备接入网络,为物联网提供大范围、大规模的连接能力。除运营商广域网GPRS和4G以外,还有局域网的ZigBee、Wi-Fi、Bluetooth,但是这些无线技术不能兼顾长距离和低功耗。在全球范围内低功率广域网(LPWAN)技术克服了复杂环境下通信距离和长期布置时电池供电等多个难题,快速兴起并逐步商用,形成了以LPWAN为核心的网络连接服务体系。目前备受瞩目的LPWAN技术可分为两类:一类是非授权频段技术,包括LoRa和Sigfox。另一是授权频段技术,以国际电信标准制定组织3GPP推出的NB-IOT为代表。电信运营商利用已有频段资源优势,提供NB-IOT(窄带物联网)面向物联网的连接服务能力,可以保证接入公众移动通信网。而行业用户而言,利用非授权频段LoRa技术构建自身的LoRaWAN提供自用物联网业务,具有网络部署简单灵活、服务成本较低可控等优势。综合分析成本和灵活性,现场LoRa节点通过网关,采用NB-IOT接入公共网络的方式将会长期并存,满足NB-IOT与LoRa的互联互通的多协议智能网关是一种有效的解决方案。例如公布号CN107249211A公开了一种基于LoRa和NB-IoT的智能网关及运行流程,采用了NB-IOT、LoRa、GPS和蓝牙多种技术。例如公布号CN107027162A公开了一种LoRa智能网关及其使用方法、物联网系统,采用多模通信模组,兼容新旧物联网系统的通讯模式。这两种公开技术都采用了NB-IOT与LoRa互联的方式设计网关。但是已有的物联网网关都采用了单一控制器的方式,如果单独采用低功耗控制器不能有效处理复杂的任务需求,如果单独采用高性能处理器不利于电池供电场景。
技术实现思路
为了解决这些技术问题,本专利技术提供了一种基于窄带物联网的多协议智能网关及其实现方法。采用低功耗单元和高性能单元协同的方式,能满足以太网络操作、人机接口和总线模块扩展等复杂的任务需求,也能保证系统长期低功耗运行,有效解决了多个应用场景下低功耗与高性能协的调问题。本专利技术解决所述技术问题采用的技术方案是:一种基于窄带物联网的多协议智能网关,其特征在于,该智能网关包括低功耗单元(1)和高性能单元(2);所述低功耗单元(1)包括低功耗控制器(1-1)、太阳能电池板(1-2)、用于管理供电方式及电池状态信息的电源管理模块(1-3)、用于接收来自云端服务器信息的NB-IOT模块(1-4)、用于获取本地LPWAN内现场LoRa节点信息的LoRa模块(1-5)和信号采集调理模块(1-6),其中低功耗控制器(1-1)分别与所述电源管理模块(1-3)、NB-IOT模块(1-4)和LoRa模块(1-5)双向通信,同时低功耗控制器的输入端连接信号采集调理模块(1-6)的输出端,电源管理模块(1-3)的输入端与太阳能电池板(1-2)相连;所述电源管理模块提供太阳能供电、蓄电池组和直流供电三种方式;所述高性能单元(2)包括高性能控制器(2-1)、用于连接RS485节点的RS485接口模块(2-2)、用于接计算机串口或者串口液晶屏的人机接口模块(2-3)、GPS接口模块(2-4)、数据存储模块(2-5)和以太网接口模块(2-6),其中高性能控制器(2-1)分别与RS485接口模块(2-2)、人机接口模块(2-3)、数据存储模块(2-5)和以太网接口模块(2-6)双向通信;同时高性能控制器的输入端连接GPS接口模块(2-4),所述低功耗控制器(1-1)与高性能控制器(2-1)双向通信;人机接口模块连接人机交互界面。一种基于窄带物联网的多协议智能网关实现方法,其特征在于,低功耗单元(1)和高性能单元(2)按高低搭配的方式协同工作,默认场景下低功耗单元(1)独自运行,根据多个场景唤醒或休眠高性能单元(2);所述低功耗单元(1)控制高性能单元(2)的依据包括供电方式、电池状态信息、云端服务器信息、现场LoRa节点信息和低功耗控制器运行信息。所述高性能单元(2)被低功耗单元(1)唤醒后执行的操作包括依次与数据存储模块、人机接口模块、以太网接口模块、RS485接口模块、GPS接口模块进行交互。所述低功耗控制器(1-1)的控制流程是:步骤1:检查供电方式和电池状态,设定高性能控制器(2-1)工作方式;步骤2:判断是否是直流供电,若是,则低功耗控制器(1-1)唤醒高性能控制器(2-1)协同工作,设定唤醒标志Flag=1,转到步骤4;若不是直流供电则转至步骤3;步骤3:判断电源管理模块(1-3)中蓄电池组状态是否良好,若是,则低功耗控制器(1-1)唤醒高性能控制器(2-1)协助工作,设定唤醒标志位Flag=1;若蓄电池组状态不好,则低功耗控制器(1-1)设定唤醒标志位Flag=0,进入步骤4;步骤4:控制LoRa模块(1-5)轮询现场LoRa节点,解析处理协议报文;步骤5:处理NB-IOT模块(1-4)接收到的云端服务器指令,根据云端服务器指令上传现场LoRa节点信息和信号采集数据;步骤6:检测唤醒标志位Flag是否为1,若唤醒标志位Flag为1,则低功耗控制器(1-1)与高性能控制器(2-1)交换缓存数据,执行步骤7;若唤醒标志位Flag不为1,则直接返回到步骤1;步骤7:低功耗控制器根据GPS数据更新坐标和时间,根据RS485接口数据更新现场设备信息,根据人机交互界面更新配置信息,之后转到步骤1。与现有技术相比,本专利技术的有益效果是:1.本专利技术智能网关采用低功耗单元1与高性能单元2协同工作,其中低功耗单元1处理NB-IOT模块和LoRa网络互连操作,高性能单元2处理以太网、RS485、人机和GPS等多个接口模块。通过低功耗控制器与高性能控制器协调工作的方式,默认场景下低功耗控制器单独工作,充分体现LoRa和NB-IOT网络设备功耗低的特点,同时能根据需要唤醒高性能控制器协同工作,满足多种任务需求。2.本专利技术智能网关的本地可以通过组建现场LoRa网络,降低使用成本,增大覆盖区域;Modbus报文传输包含在LoRa帧内,便于工业设备控制;通过NB-IOT接入移动电信网络,便于通过云服务远程维护和状态监测。3.本专利技术智能网关通过工作状态受控的高性能控制器连接RS485接口模块便于扩展Modbus设备,通过人机接口模块扩展液晶显示屏便于人机交互,通过以太网接口模块连接云端服务器,便于高性能场合应用,低功耗与高性能搭配的方式,同时考虑到多个应用场景需求,能兼顾低功耗与高性能间的均衡,既可满足低功耗场景需求,也可以突发处理复杂性任务。4.本专利技术实现方法中高性能单元默认工作在休眠状态,有益于降低系统功耗,延长电池工作时间,同时按需唤醒保证处理复杂需求。附图说明图1为本专利技术智能网关的结构示意图;图2为本专利技术的物联网的系统结构图;图3为本专利技术实施例1的Modbus本文档来自技高网
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一种基于窄带物联网的多协议智能网关及其实现方法

【技术保护点】
一种基于窄带物联网的多协议智能网关,其特征在于,该智能网关包括低功耗单元(1)和高性能单元(2);所述低功耗单元(1)包括低功耗控制器(1‑1)、太阳能电池板(1‑2)、用于管理供电方式及电池状态信息的电源管理模块(1‑3)、用于接收来自云端服务器信息的NB‑IOT模块(1‑4)、用于获取本地LPWAN内现场LoRa节点信息的LoRa模块(1‑5)和信号采集调理模块(1‑6),其中低功耗控制器(1‑1)分别与所述电源管理模块(1‑3)、NB‑IOT模块(1‑4)和LoRa模块(1‑5)双向通信,同时低功耗控制器的输入端连接信号采集调理模块(1‑6)的输出端,电源管理模块(1‑3)的输入端与太阳能电池板(1‑2)相连;所述电源管理模块提供太阳能供电、蓄电池组和直流供电三种方式;所述高性能单元(2)包括高性能控制器(2‑1)、用于连接RS485节点的RS485接口模块(2‑2)、用于接计算机串口或者串口液晶屏的人机接口模块(2‑3)、GPS接口模块(2‑4)、数据存储模块(2‑5)和以太网接口模块(2‑6),其中高性能控制器(2‑1)分别与RS485接口模块(2‑2)、人机接口模块(2‑3)、数据存储模块(2‑5)和以太网接口模块(2‑6)双向通信;同时高性能控制器的输入端连接GPS接口模块(2‑4),所述低功耗控制器(1‑1)与高性能控制器(2‑1)双向通信;人机接口模块连接人机交互界面。...

【技术特征摘要】
1.一种基于窄带物联网的多协议智能网关,其特征在于,该智能网关包括低功耗单元(1)和高性能单元(2);所述低功耗单元(1)包括低功耗控制器(1-1)、太阳能电池板(1-2)、用于管理供电方式及电池状态信息的电源管理模块(1-3)、用于接收来自云端服务器信息的NB-IOT模块(1-4)、用于获取本地LPWAN内现场LoRa节点信息的LoRa模块(1-5)和信号采集调理模块(1-6),其中低功耗控制器(1-1)分别与所述电源管理模块(1-3)、NB-IOT模块(1-4)和LoRa模块(1-5)双向通信,同时低功耗控制器的输入端连接信号采集调理模块(1-6)的输出端,电源管理模块(1-3)的输入端与太阳能电池板(1-2)相连;所述电源管理模块提供太阳能供电、蓄电池组和直流供电三种方式;所述高性能单元(2)包括高性能控制器(2-1)、用于连接RS485节点的RS485接口模块(2-2)、用于接计算机串口或者串口液晶屏的人机接口模块(2-3)、GPS接口模块(2-4)、数据存储模块(2-5)和以太网接口模块(2-6),其中高性能控制器(2-1)分别与RS485接口模块(2-2)、人机接口模块(2-3)、数据存储模块(2-5)和以太网接口模块(2-6)双向通信;同时高性能控制器的输入端连接GPS接口模块(2-4),所述低功耗控制器(1-1)与高性能控制器(2-1)双向通信;人机接口模块连接人机交互界面。2.根据权利要求1所述的基于窄带物联网的多协议智能网关,其特征在于,所述电源管理模块(1-3)包括蓄电池组、光伏控制器、电压调节电路和滤波电路;其中,光伏控制器的输入端分别连接蓄电池组、太阳能电池板和直流电源,光伏控制器的输出端连接电压调节电路经过滤波电路为低功耗控制器(1-1)供电,同时光伏控制器为低功耗控制器(1-1)提供供电方式和蓄电池组状态信息。3.根据权利要求1所述的基于窄带物联网的多协议智能网关,其特征在于,LoRa模块与LoRa节点组成的LoRa网络支持透传机制和协议转换机制的Modbus协议报文传输;LoRa模块(1-5)作为主机,现场LoRa节点作为从机,采用透明传输机制时,主机和从机传递Modbus报文时,只需要将完整的Modbus协议报文封装在LoRa网络的MAC层的帧负载部分,接收端将帧负载解析后获得Modbus报文;采用协议转换机制时,将Modbus地址与LoRa帧头中的设备DevAddr进行绑定,通过低功耗控制器(1-1)进行协议报文转换。4.根据权利要求1所述的基于窄...

【专利技术属性】
技术研发人员:范书瑞贾雅亭田建松
申请(专利权)人:河北工业大学
类型:发明
国别省市:天津,12

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