一种嵌入式网关的双模单天线无线组网系统的制作方法

本发明涉及无线通讯设备技术领域，具体而言，涉及一种嵌入式网关的双模单天线无线组网系统。

背景技术：

目前在传统的传感监测、无线抄表、无人货柜等无线数据监控行业(如市政，环卫，农业灌溉，智慧街区，智能穿戴等行业)，通常使用各种无线组网方式；而在物联网这个高速发展的年代，无线设备组网的需求更是呈井喷式爆发。组网难度和组网负载也越来越重。

传统的组网方式，在一定区域范围内进行组建局域网(如wifi,zigbee,蓝牙，LORA,433Mhz)，然后再在适当位置布置若干个数据集中器或者智能网关，智能网关采用GPRS或者3G/4G等通讯方式与平台相连，进行数据互传和监测。这种组网方式，需要一个或若干个高成本，大功耗的，单独布局的智能网关。采用GPRS或者3G/4G等平台通讯方式，又要增加而外的天线；而且随着区域内网关数的增多，基站也越来越不堪重负。那么随着物联网组网设备朝着更小型化，爆发式设备量，低功耗，小数据量需求方向发展，传统的无线组网方式将越来越不适用并造成成本浪费和负载加重现象。于是我们提出一种嵌入式网关的双模单天线无线组网系统来解决这个物联网行业无线组网痛点。

技术实现要素：

本发明提供了一种结构简单、低功耗、单个MCU便可兼容LORA和NB-IoT模块的嵌入式网关的双模单天线无线组网系统，旨在改善由于网关数的增多，导致基站负载过大且整体功耗大的技术问题。

本发明是这样实现的：

一种嵌入式网关的双模单天线无线组网系统，包括至少一个嵌入式中继装置和至少一个嵌入式端点装置；每个所述嵌入式端点装置包括第一PCB板和端点单元，所述端点单元包括电路连接的端点MCU和第一LORA modem，所述第一LORA modem通过第一天线接收LORA信号，并在所述端点MCU的控制下向所述嵌入式中继装置发送所述LORA信号；每个所述嵌入式中继装置包括第二PCB板和中继单元，所述中继单元包括合路器、NB-IoT模块和第二LORA modem；所述第二LORA modem通过第二天线接收所述第一天线发送的所述LORA信号，并在所述NB-IoT模块的控制下向所述NB-IoT模块和所述合路器发送所述LORA信号；定义通过所述NB-IoT模块的信号方式转化后发送的LORA信号为NB信号，所述NB-IoT模块可向所述合路器发送所述NB信号，所述合路器将所述NB信号和所述LORA信号组合后通过所述第二天线输出。

作为进一步改进，所述NB-IoT模块包括主控MCU和NB-IoT收发器，所述主控MCU用于控制所述第二LORA modem向所述NB-IoT收发器和所述合路器发送所述LORA信号，所述NB-IoT收发器向所述合路器发送所述NB信号和接收所述LORA信号。

作为进一步改进，所述主控MCU包括主控芯片，所述主控MCU进一步与所述第二LORA modem内的LORA modem芯片电路连接；所述主控MCU用于控制所述LORA modem芯片进行所述LORA信号的接收，以及控制所述LORA modem芯片实现所述第二LORA modem向所述合路器发送所述LORA信号。

作为进一步改进，所述主控芯片可为Hi2110或MT2625或RD8909或MDM9206；所述LORA modem芯片可为SX1276或SX1278。

作为进一步改进，每个所述嵌入式中继装置对应接收至少一个所述嵌入式端点装置的信号数据。

作为进一步改进，所述天线将所述NB信号和所述LORA信号分别发送给NB-IoT基站和LORA基站。

作为进一步改进，所述第一PCB板为单面板，所述第二PCB板为双面板。

作为进一步改进，所述嵌入式中继装置和所述嵌入式端点装置上分别设置有二维码和各自ID，可通过手机APP扫码或远程平台进行P2P配置。

作为进一步改进，所述NB-IoT模块和所述第二LORA modem也可以直接通过所述第二PCB板上的ttl串口与电脑连接，以实现所述NB信号和所述LORA信号的备份。

作为进一步改进，所述天线的频段范围为433～960Mhz。

本发明的有益效果是：

1.本发明一种嵌入式网关的双模单天线无线组网系统整体采用独特的LORA自组网和NB-IoT广域网的结合方式，通过先用LORA构建局域网，避免每个设备都直接连接到基站，再用NB-IoT网络连接到NB-IoT基站，降低广域网基站负载；同时从局域网到广域网全部采用LORA+NB-IoT等最低功耗协议，摒弃传统组网方式，采用嵌入式装置的超小结构，可直接嵌入到要联网设备内部，无需另外布置网关，实现去网关的低功耗无线组网，大幅降低中继网关的成本和功耗，特别适合物联网小数据量的无线组网应用。

2.本发明一种嵌入式网关的双模单天线无线组网系统中的NB-IoT模块采用现有的NB-IoT芯片，在此主控MCU的基础上连接LORA modem芯片，再通过简单软件的添加，使得主控MCU来控制LORA modem芯片实现LORA信号的收发，由此省去了LORA modem芯片原本需要的控制MCU，降低了器件成本，且无需重复单独去供电各个模块。

3.本发明一种嵌入式网关的双模单天线无线组网系统采用合路器设计，可将不同频段的信号组成在一起后通过单天线收发信号，可共用天线，摒弃传统的双天线安装，大大减低设备成本。

4.本发明一种嵌入式网关的双模单天线无线组网系统整体功耗低，采用单电压设计，可用电池供电，降低成本且更适用于工业或供电不便场合。

5.本发明一种嵌入式网关的双模单天线无线组网系统整体包含NB-IoT模块、第二LORA modem、端点MCU、第一LORA modem四个部分的组合，可自由变换端点和中继网关，可作为组网端点使用，又可以作为网关中继使用，做到超小尺寸，低功耗，实现任意嵌入自由无线组网的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明一种嵌入式网关的双模单天线无线组网系统的结构示意图；

图2是本发明一种嵌入式网关的双模单天线无线组网系统的系统原理图。

主要元件符号说明

嵌入式端点装置 10

第一PCB板 11

端点单元 12

端点MCU 121

第一LORA modem 122

嵌入式中继装置 20

第二PCB板 21

中继单元 22

NB-IoT模块 221

主控MCU 2211

NB-IoT收发器 2212

第二LORA modem 222

合路器 223

第一天线 30

第二天线 40

NB-IoT基站 x

LORA基站 y

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

请参考图1至图2，实施例中，一种嵌入式网关的双模单天线无线组网系统，具体的，包括至少一个嵌入式中继装置20、至少一个嵌入式端点装置10、第一天线30和第二天线40，每个所述嵌入式中继装置20和每个所述嵌入式端点装置10对应设置于一台需要联网的设备中；所述嵌入式中继装置20和所述嵌入式端点装置10通过无线连接，两者之间的距离可达1～2千米。

每个所述嵌入式端点装置10包括第一PCB板11和端点单元12，所述端点单元12包括电路连接的端点MCU121和第一LORA modem122，所述第一LORA modem122通过第一天线30接收LORA信号，并在所述端点MCU121的控制下向所述嵌入式中继装置20发送所述LORA信号。所述端点MCU121可为普通的单片机。

每个所述嵌入式中继装置20包括第二PCB板21和中继单元22，所述中继单元22包括两两之间均电路连接的合路器223、NB-IoT模块221和第二LORA modem222；所述第二LORA modem222通过第二天线40接收所述第一天线30发送的所述LORA信号，并在所述NB-IoT模块221的控制下向所述NB-IoT模块221和所述合路器223发送所述LORA信号；定义通过所述NB-IoT模块221的信号方式转化后发送的LORA信号为NB信号，所述NB-IoT模块221可向所述合路器223发送所述NB信号，所述合路器223将所述NB信号和所述LORA信号组合后通过所述第二天线40输出。采用合路器223设计，嵌入到用户设备内部后，只需要拉出一根天线便可将不同频段的信号组成在一起后通过单天线发送信号，摒弃传统的双天线安装，大大减低设备成本。

整体采用独特的LORA自组网和NB-IoT广域网的结合方式，通过先用LORA构建局域网，避免每个设备都直接连接到基站，再用NB-IoT网络连接到NB-IoT基站x，降低广域网基站负载；同时从局域网到广域网全部采用LORA+NB-IoT等最低功耗协议，摒弃传统组网方式，采用嵌入式装置的超小结构，可直接嵌入到要联网设备内部，无需另外布置网关，实现去网关的低功耗无线组网，大幅降低中继网关的成本和功耗，特别适合物联网小数据量的无线组网应用。

请参考图2，实施例中，所述NB-IoT模块221包括主控MCU2211和NB-IoT收发器2212，所述主控MCU2211用于控制所述第二LORA modem222向所述NB-IoT收发器2212和所述合路器223发送所述LORA信号，所述NB-IoT收发器2212向所述合路器223发送所述NB信号和接收所述LORA信号。

进一步地，所述主控MCU2211包括主控芯片，所述主控MCU进一步与所述第二LORA modem内的LORA modem芯片电路连接；所述主控芯片用于控制所述LORA modem芯片进行所述LORA信号的接收，以及控制所述LORA modem芯片实现所述第二LORA modem222向所述合路器223发送所述LORA信号。

具体的，所述主控芯片可为Hi2110或MT2625或RD8909或MDM9206；所述LORA modem芯片可为SX1276或SX1278。

所述NB-IoT模块221采用现有的NB-IoT芯片，在此主控MCU2211的基础上连接LORA modem芯片，再通过简单软件的添加，使得主控MCU2211来控制LORA modem芯片实现LORA信号的收发，由此省去了LORA modem芯片原本需要的控制MCU，降低了器件成本，且无需重复单独去供电各个模块。

请参考图1至图2，实施例中，每个所述嵌入式中继装置20对应接收至少一个所述嵌入式端点装置10的信号数据，具体的，因为受距离和区域的限制，一个嵌入式中继装置20可能无法覆盖到所有的嵌入式端点装置10，此时，则需要多个嵌入式中继装置20，而不同的嵌入式中继装置20可通过各个嵌入式端点装置10的ID以及与它们之间的距离来避免重复接收相同嵌入式端点装置10发出的LORA信号，例如，在半径一千米的中心放置一个嵌入式中继装置20，半径范围内的嵌入式端点装置10均带有各自的ID，嵌入式中继装置20只会接收半径范围内的对应ID的信号数据。通过先用LORA构建局域网，避免每个设备都直接连接到基站，再用NB-IoT网络连接到NB-IoT基站x，大幅降低目前2G/3G/4G基站的连接数和负载，NB-IoT基站x的连接数和覆盖范围远远高于传统2G/3G/4G基站。

请参考图1，实施例中，所述天线将所述NB信号和所述LORA信号分别发送给NB-IoT基站x和LORA基站y；所述NB信号为NB-IoT信号。

请参考图1，实施例中，所述第一PCB板11为单面板，所述第二PCB板21为双面板，因为嵌入式中继装置20包含了NB-IoT芯片和LORA modem两个芯片，需要双面板来增加布置面积，此时板子的投影方向上的尺寸可以减小，以实现结构的小型化。

进一步地，所述嵌入式中继装置20和所述嵌入式端点装置10上分别设置有二维码和各自ID，可通过手机APP扫码或远程平台进行P2P配置，取代屏幕，更好的实现整体结构的小型化。

请参考图1至图2，所述NB-IoT模块221和所述第二LORA modem222也可以直接通过所述第一PCB板11上的tt l串口与电脑连接，以实现所述NB信号和所述LORA信号的备份，此时，备份信号不需要通过不需要天线和合路器223便可实现。

所述天线的频段范围为433～960Mhz，目前国内主流NB-IoT频段为Band5(824～849Mhz,869～894Mhz),Band8(880～915Mhz,925～960Mhz)；LORA频段是433,470频段。故采用包含LORA和NB-IoT频段即433～960Mhz的合路器223来合并这个天线，达到共用天线的目的，即省少成本，又方便安装。

传统的网关大都采用市场上现成封装好的通信模块组合的形式，如LORA模块+NB-IoT模块221，或者LORA模块+3G/4G模块等，这些无形中都增加了硬件成本，在尺寸上也会使网关设备较大，在环境信号比较差情况下，又容易互相干扰。而本发明的系统整体功耗低，均采用最精简的硬件器件，全部使用低功耗的器件和LORA和NB-IoT协议，采用单电压设计无需一定需要大功率的电源模块进行供电，可直接通过外接电池进行供电，降低成本且更适用于工业或供电不便场合。

除此之外，该嵌入式网关的双模单天线无线组网系统，只需在硬件器件上做简单修改，便即可作为组网端点使用，又可以作为网关中继使用；例如：当此系统作为无线组网的端点时，所述NB-IoT模块221和第二LORA modem222可省去，只用端点MCU121和第一LORA modem122即可完成LORA信号的收发控制，从端点装置获取端点的LORA信号数据，最大程度优化成本；同时相较传统的中继网关，此系统在作为中继网关使用时，可省去了额外的LORA控制MCU，共用NB-IoT模块221的主控MCU2211部分。当使用条件没有NB-IoT基站x时，也可单独使用第二LORA modem222来收集端点的LORA信号，并发送上传到LORA基站y。

综上，这种嵌入式网关的双模单天线无线组网系统包含NB-IoT模块221、第二LORA modem222、端点MCU121、第一LORA modem122四个部分的组合，便可自由变换端点和中继网关，可作为组网端点使用，又可以作为网关中继使用，做到超小尺寸，低功耗，实现任意嵌入自由无线组网的目的。

以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。