一种基于可插拔模块的LoRa多通道通信扩展方法技术

本发明专利技术公开了一种基于可插拔模块的LoRa多通道通信扩展方法，可插拔模块硬件采用带有金手指的PCB扩展卡形式，包含嵌入式MCU、LoRa通信芯片及电源管理模块，由主板供电并采用UART与主板进行通信，具备CD(Card Detect卡存在检测)管脚、控制IO和状态IO，扩展卡通过硬件设计实现该接口的热插拔功能。本发明专利技术采用智能多通道感知及接入协议，主板CPU可以扫描CD管脚状态感知到LoRa扩展卡插入后获取LoRa扩展卡信息，之后配置及修改各扩展卡的通信参数和网络拓扑，并在主板上分配相应的硬件资源，实现LoRa扩展卡的即插即用。在主板带电全天候工作的情况下可以随时从总线上可靠地扩展、管理和卸载LoRa扩展卡，实现多通道的动态配置和动态扩展。

An extension method of Lora multichannel communication based on pluggable modules

【技术实现步骤摘要】
一种基于可插拔模块的LoRa多通道通信扩展方法
本专利技术涉及LoRa无线通信设备管理领域，特别是涉及一种基于可插拔模块的LoRa多通道通信扩展方法。
技术介绍
近年来，LoRa无线通信因具有低功耗、传输距离长和架设简单方便等特点被物联网应用领域广泛关注。最基本的LoRa通信系统通常包含基站、中继和终端3个部分。在通信距离允许的范围内，基站和终端之间可以通过中继实现单跳或多跳传输，协议上具有很强的自定义性和扩展性。目前大多数的LoRa还是应用在低速率、低数据量的情况下，如：远程抄表及定位。而随着物联网应用场景开发的深入，LoRa需要应用在数据信息量较高、全天候工作和具有一定实时性需求的场景，对于数据量、工作量和实时性要求，最直接的处理方法就是降低通信冲突、进行多通道通信扩展，从而减少在一对多模式下的轮询、冲突等待等操作的时间，提高了通道的效率。LoRa多通道扩展方式包含增加同信道内的上下行通信节点或者扩展多个新信道的链路，在硬件上就是增加并行收发的LoRa模块的数量。目前LoRa多通道的通信应用不少，但LoRa
中仍缺少在通道即时动态扩展方面的相关产品，目前没有相关技术来描述在主板带电工作的情况下可以随时从总线上扩展、管理和卸载LoRa扩展模块，实现多通道动态配置和动态扩展，也没有找到关于LoRa多通道扩展模块可插拔或即插即用的描述。
技术实现思路
针对工作条件具有高数据量、全天候和实时性的情况，基站、中继或终端系统不能为配置多通道或维护故障LoRa模块关闭主板电源。系统主板带电工作的情况下仍应该能随时从总线上扩展、管理及卸载LoRa多通道，并且扩展和配置方式应方便快捷。本专利技术中一种基于可插拔模块的LoRa多通道通信扩展方法，就是采用主板CPU对多个可插拔模块MCU进行控制和数据传输的功能。包含MCU的LoRa扩展卡方便定制软件协议，缩短了开发时间并降低了开发难度。可插拔模块采用带有金手指的PCB扩展卡形式，包含嵌入式MCU、LoRa通信芯片和电源管理模块、指示灯，扩展卡由主板供电并采用UART与主板UART以串口透传方式进行通信，扩展卡包含了CD(CardDetect卡存在检测)引脚来检测卡的插拔，控制IO引脚与MCU交互定制控制扩展卡功能。由于主板CPU和LoRa扩展卡的UART通信速率远高于LoRa传输速率，CPU通过查询扩展卡状态IO口电平来保证扩展卡处于空闲状态再进行透传数据交互。主板CPU通过UART、CD管脚和状态IO实时监测扩展卡状态。LoRa扩展卡具有热插拔保护电路，通过设计金手指的长度设计确保电源及信号按照顺序上电，使用时直接插入主板扩展插槽。在软件上采用智能多通道感知及接入协议，主板CPU在初始化各串口，分配并初始化临时缓冲区后，当有LoRa扩展卡插入主板扩展槽上电时，主板自动感知及初始化的过程包含以下步骤：步骤(1)：主板CPU扫描GPIO状态时发现对应扩展插槽的CD管脚被扩展卡拉低，由此检测到卡插入；LoRa扩展卡包含MCU，正常上电后会定时通过串口发送组网职能、ID号、信道、位速率及卡自检位数据帧，CPU开启总线上的UART端口中断，等待稳定读取到端口发来的完整一帧数据后保存并解析，判断接收到正确的数据信息后确定该串口端口设备类型为LoRa扩展卡；步骤(2)：配置文件获取，主板CPU首先从本地目录下获取扩展卡配置文件，如果检测不到，则根据LoRa扩展卡的组网职能：当为基站扩展卡时，向云端发送请求，采用UDP协议获取配置文件并保存本地，当为中继或终端扩展卡时，以配置文件包的形式通过LoRa通信来获取，并通过扩展卡串口发送并保存本地。主板获取本地配置文件后自动解析为配置命令；步骤(3)：LoRa扩展卡配置，主板CPU通过串口为扩展卡MCU下发配置命令，扩展卡上的LoRa通信模块获取新的ID号、信道和位速率，当组网方式为指定拓扑结构的情况下，扩展卡还获取包含指定多跳传输的路由表；配置完成后扩展卡MCU发送重启请求，主板CPU控制扩展卡电源控制IO进行重启；步骤(4)：重启后的LoRa扩展卡会自动发送更新了组网职能、ID号、信道、位速率信息的数据帧，判断解析后与配置文件对比匹配一致则配置成功；对比不一致，则配置失败重新配置；配置成功后操作系统注册该扩展卡设备，主板CPU为LoRa扩展卡分配缓存资源及GPIO指示灯。正式使用该通道的LoRa功能；多通道的每次扩展及卸载操作后进行LoRa网络更新，即，记录日志更新LoRa网络的通道状态，更新网络拓扑显示，并定时如，5min间隔上报北向接口。终端和中继定时通过LoRa网络将设备状态发给基站，基站设备发给互联网云平台或服务器，方便LoRa网络的可视化管理。LoRa扩展卡的卸载十分方便，可以直接通过电源管理IO控制将扩展卡的供电电源切断，也可以直接物理拆卸。当扩展卡因卸载或故障进行无法进行UART通信时，主板CPU会从远程或本地检测到，释放资源并及时更新各个扩展卡状态。要人为卸载禁用LoRa某一通道的处理流程为，将电源管理IO拉低，释放缓存同时保留1路指示灯绿灯闪烁，表示该模块正常但禁用该通道，然后进行LoRa网络更新。有两种情况下进行软件及通信链路上的多通道自动卸载：1)检测到扩展卡CD管脚被拉高，而扩展端口有设备注册，判断直接物理拆卸扩产卡；2)CD管脚为低，电源IO拉高，而检测到UART长时间无法通信且重启次数大于三次，判断卡故障。情况1)卡拔出，停止扩展卡通信程序运行，释放缓存及LED资源，注销设备后进行LoRa网络更新；情况2)卡故障，停止扩展卡通信程序运行，释放缓存并保留1路指示灯红灯闪烁，表示该扩展卡接口的卡存在但有故障，注销设备然后进行LoRa网络更新。本专利技术能够实现LoRa多通道扩展卡的热插拔及即插即用，大大方便了LoRa通信系统的通道扩展、管理、卸载和维护。附图说明图1是本专利技术基本系统主板及LoRa扩展卡的多通道扩展硬件示意图；图2是本专利技术实施例的主板CPU对LoRa扩展卡进行多通道扩展的上电感知和初始化配置的流程；图3是本专利技术实施例的对LoRa扩展卡的配置方式进行选择的流程；图4是专利技术实施例的当LoRa扩展卡拔出后主板CPU的感知和自动操作流程。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的较佳实施例进行详细阐述，以使本专利技术的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本专利技术的保护范围做出更为清楚明确的界定。请参阅图1，本专利技术中基本系统主要由系统主板和LoRa扩展卡两种部件组成，系统主板上包含嵌入式处理器CPU1、存储器2、LED指示灯3、千兆以太网4、其他通信模块及接口5和LoRa通信模块扩展接口单元6。其中嵌入式处理器CPU通常为包含MMU的具有较强性能的处理器，包含多种外设接口且外扩DDR、FLASH、e.MMC等存储器2。LED指示灯3指的是具有指示组网状态的多个、多组指示灯，当扩展的LoRa多通道工作时，相应要通过软件控制分配给扩展卡指示灯的IO资源，基站和本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于可插拔模块的LoRa多通道通信扩展方法，其特征在于：采用主板CPU对多个可插拔模块MCU进行控制和数据传输的形式。可插拔模块采用带有金手指的PCB扩展卡形式，包含嵌入式MCU、LoRa通信芯片和电源管理模块、指示灯，扩展卡由主板供电并采用UART与主板UART以串口透传方式进行通信，扩展卡包含了CD(Card Detect卡存在检测)引脚来检测卡的插拔，状态IO引脚检测扩展卡空闲/发送状态，控制IO引脚控制扩展卡功能。主板CPU通过UART和状态IO实时监测扩展卡状态。同时，本专利技术中LoRa扩展卡通过硬件设计实现接口热插拔功能。/n在软件上采用智能多通道感知及接入协议，主板CPU在初始化各串口，分配并初始化临时缓冲区后，当有LoRa扩展卡插入主板扩展槽上电时，主板自动感知及初始化的过程包含以下步骤：/n步骤(1)：主板CPU扫描GPIO状态时发现对应扩展插槽的CD管脚被扩展卡拉低，由此检测到卡插入；LoRa扩展卡包含MCU，上电完成自检后，定时通过串口发送包含组网职能、ID号、信道、位速率及卡自检位的数据帧，CPU开启总线上的UART端口中断，不断读取端口发送的数据，丢弃不完整数据帧，直到读取到一帧完整数据后保存并解析；判断接收到正确的符合LoRa串口通信格式的数据帧后确定该串口端口设备为符合配置条件的LoRa扩展卡，开始配置流程；/n步骤(2)：配置文件获取，主板CPU首先从本地目录下获取扩展卡配置文件，如果检测不到，则根据LoRa扩展卡的组网职能：当为基站扩展卡时，向云端发送请求，采用UDP协议获取配置文件并保存本地，当为中继或终端扩展卡时，以配置文件包的形式通过LoRa通信来获取，并通过扩展卡串口发送并保存本地。主板获取本地配置文件后自动解析为配置命令；/n步骤(3)：LoRa扩展卡配置，主板CPU通过串口为扩展卡MCU下发配置命令，扩展卡上的LoRa通信模块获取新的ID号、信道和位速率，当组网方式为指定拓扑结构的情况下，扩展卡还获取包含指定多跳传输的路由表；配置完成后扩展卡MCU发送重启请求，主板CPU控制扩展卡电源控制IO进行重启；/n步骤(4)：重启后的LoRa扩展卡会自动发送更新了组网职能、ID号、信道、位速率信息的数据帧，判断解析后与配置文件对比匹配一致则配置成功；对比不一致，则配置失败重新配置；配置成功后操作系统注册该扩展卡设备，主板CPU为LoRa扩展卡分配缓存资源及GPIO指示灯。正式使用该通道的LoRa功能；/n多通道的每次扩展及卸载操作后进行LoRa网络更新，即，记录日志更新LoRa网络的通道状态，更新网络拓扑显示，并定时如，5min间隔上报北向接口。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于可插拔模块的LoRa多通道通信扩展方法，其特征在于：采用主板CPU对多个可插拔模块MCU进行控制和数据传输的形式。可插拔模块采用带有金手指的PCB扩展卡形式，包含嵌入式MCU、LoRa通信芯片和电源管理模块、指示灯，扩展卡由主板供电并采用UART与主板UART以串口透传方式进行通信，扩展卡包含了CD(CardDetect卡存在检测)引脚来检测卡的插拔，状态IO引脚检测扩展卡空闲/发送状态，控制IO引脚控制扩展卡功能。主板CPU通过UART和状态IO实时监测扩展卡状态。同时，本发明中LoRa扩展卡通过硬件设计实现接口热插拔功能。
在软件上采用智能多通道感知及接入协议，主板CPU在初始化各串口，分配并初始化临时缓冲区后，当有LoRa扩展卡插入主板扩展槽上电时，主板自动感知及初始化的过程包含以下步骤：
步骤(1)：主板CPU扫描GPIO状态时发现对应扩展插槽的CD管脚被扩展卡拉低，由此检测到卡插入；LoRa扩展卡包含MCU，上电完成自检后，定时通过串口发送包含组网职能、ID号、信道、位速率及卡自检位的数据帧，CPU开启总线上的UART端口中断，不断读取端口发送的数据，丢弃不完整数据帧，直到读取到一帧完整数据后保存并解析；判断接收到正确的符合LoRa串口通信格式的数据帧后确定该串口端口设备为符合配置条件的LoRa扩展卡，开始配置流程；
步骤(2)：配置文件获取，主板CPU首先从本地目录下获取扩展卡配置文件，如果检测不到，则根据LoRa扩展卡的组网职能：当为基站扩展卡时，向云端发送请求，采用UDP协议获取配置文件并保存本地，当为中继或终端扩展卡时，以配置文件包的形式通过LoRa通信来获取，并通过扩展卡串口发送并保存本地。主板获取本地配置文件后自动解析为配置命令；
步骤(3)：LoRa扩展卡配置，主板CPU通过串口为扩展卡MCU下发配置命令，扩展卡上的LoRa通信模块获取新的ID号、信道和位速率，当组网方式为指定拓扑结构的情况下，扩展卡还获取包含指定多跳传输的路由表；配置完成后扩展卡MCU发送重启请求，主板CPU控制扩展卡电源控制IO进行重启；
步骤(4)：重启后的LoRa扩展卡会自动发送更新了组网职能、ID号、信道、位速率信息的数据帧，判断解析后与配置文件对比匹配一致则配置成功；对比不一致，则配置失败重新配置；配置成功后操作系统注册该扩展卡设备，主板CPU为LoRa扩展卡分配缓存资源及GPIO指示灯。正式使用该通道的LoRa功能；
多通道的每次扩展及卸载操作后进行LoRa网络更新，即，记录日志更新LoRa网络的通道状态，更新网络拓扑显示，并定时如，5min间隔上报北向接口。


2.根据权利要求1所...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄樟钦，高寒，李达，黄玲，张晓波，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京;11