基于LoRa技术的自组网战术通信终端的制作方法

本实用新型涉及自组网通信技术领域，尤其涉及一种基于LoRa技术的自组网战术通信终端。

背景技术：

目前存在的无线移动通信网络有两种：一种是基于网络基础设施的网络，这种网络都是有中心的，典型应用为移动蜂窝网和无线局域网(WLAN)。这种网络存在如下局限性：1、固定网络中主机位置基本固定；2、固定网络结构比较复杂；3、WLAN网络是单跳网络；4、移动终端的所有通信都要经过接入点进行，造成网络带宽资源的浪费；没有外网的情况下，现有移动终端即使通过无线路由连接后组成的局域网，它们相互之间也无法进行数据传送；5、在特殊环境、紧急情况使用时，如战场上部队快速展开和推进，地震、水灾后的救援等，无法满足快速构建无线网络、传递指挥数据的目的。第二种无线移动通信网络为无网络基础设施的网络，一般称之为自组织网，即Ad hoc。这种网络因为具有无需架设网络设施、可快速展开、抗毁性强等特点，成为数字化战场通信的首选技术。

无线自组网技术主要有可组成局域网的2.4GHz的WiFi、蓝牙、Zigbee等以及可组成广域网的2G、3G、4G等，这些自组网技术都存在远距离和低功耗不能兼具的缺点。而后期出现的LPWAN技术可兼顾远距离和低功耗性能，因此被广泛用于远距离通信领域。LoRa技术是LPWAN技术的一种，是基于扩频技术的超远距离无线传输方案，主要在全球免费频段运行，如433、868、915MHz。目前国内433MHz无线模块集成的产品和应用，大多数数据为透传传输，并且传输过程没有相应的协议，射频芯片上传输的是透明的应用数据，因此在没有传输协议的情况下，无法自行组建网络的。串口上传输的是透明数据流，无法传输指令控制射频芯片，实现频率切换、信道参数调整等操作，并且透传传输带宽较低，系统延时较大。目前的433MHz无线模块产品，其控制操作和传输协议必须交给应用层完成，无法保证网络的安全性和可用性。

技术实现要素：

为解决上述问题，本实用新型提供了一种基于LoRa技术的自组网战术通信终端，该终端能在特殊的战场环境或紧急情况下，利用LoRa无线技术搭建自组网战术级网络，为使用者带来方便。

本实用新型的技术方案如下：

一种基于LoRa技术的自组网战术通信终端，包括加固便携式主机、加固触屏显示器和天线，加固便携式主机通过数据线与加固触屏显示器连接；所述加固便携式主机包括外壳及设于外壳内的主板、主LoRa模块、从LoRa模块、北斗模块、电源模块和显示控制模块，主板通过电台协同电路与主LoRa模块、从LoRa模块连接，同时通过TTL转换电路与北斗模块连接，显示控制模块与主板连接；外壳上还设有与主板连接的操作面板和外设接口；所述天线包括LoRa天线和北斗天线，LoRa天线与主LoRa模块、从LoRa模块连接，北斗天线与北斗模块连接；所述加固触屏显示器包括驱动模块、显示面板及位于显示面板上的电容触摸屏，驱动模块通过数据线与加固便携式主机内的显示控制模块连接，驱动模块与显示面板连接。

本实用新型在主机内设置两个LoRa模块，其中主LoRa模块采用数据透明传输、软件加密的工作方式，以定频方式传送控制信号，从LoRa模块以跳频方式传送数据信号。LoRa模块具有软件FEC前向纠错算法，其编码效率较高，纠错能力强，在突发干扰的情况下，能主动纠正被干扰的数据包，大大提高可靠性和传输距离。

进一步，所述电台协同电路包括单片机和TTL转USB芯片；单片机的PA2脚、PA3脚与TTL转USB芯片的RXD脚、TXD脚连接，单片机发出的TTL信号经其转换为USB信号，TTL转USB芯片通过USB总线与主板连接，用于实现单片机与主板的通信；单片机的PA9-PA10脚、PB5-PB7脚与主LoRa模块连接，单片机的PB10-PB14脚与从LoRa模块连接，用于实现对两个LoRa模块的通信控制。利用电台协同电路可实现主LoRa模块与从LoRa模块的协同工作，实现控制信号的定频传送和数据信号的跳频传送，最终实现全双工的工作方式。

进一步，所述电源模块包括聚合物电池、12V转5V电路、5V转3.3V电路和充电电路，聚合物电池连接充电电路并通过电源管理模块与主板连接。电源模块可利用充电电路为电池充电，并为电台协同电路提供工作电压。

优选的，所述数据线两端采用航空接头与加固便携式主机、加固触屏显示器连接，数据线则采用KVVRP双层屏蔽16芯控制线，有效提高数据传输的可靠性。

优选的，所述LoRa天线为433MHz天线。

进一步，加固触屏显示器上还设有身份认证模块，该模块采用RC522射频模块，通过TTL转换模块和驱动模块与加固便携式主机连接。用户通用刷智能卡的方式完成身份认证和登录软件平台，提高了网络的安全性。

主板上设有中央处理器和内存储器，主板外还连接有外存储器，内存储器采用4GB 1600Mhz内存，外存储器采用64GB SSD3.0固态存储器，主要用于存储离线地图数据及相应软件环境。

本实用新型还包括音频设备，所述音频设备通过外设接口与主板连接。

主机外壳上的外设接口主要有网络接口、音频接口和USB接口，网络接口用于将设备接入有线网络，音频接口用于连接音频设备，USB接口用于实现数据导入导出。主机外壳上的操作面板包括各类开关按钮、复位按钮、电量显示屏、电台状态指示灯、北斗状态指示灯。

本实用新型有两种使用模式，一种是单兵背负型，此时所述音频设备为耳麦。通信终端通过一人体工程学背包进行背负，人体工程学背包身体后侧为主机固定位，身体左前侧为显示器固定位，背包右前侧存放充电器、备用数据线、备用电池等附属设备。一种是车载型，所述音频设备采用固定式音响和话筒，音响和话筒固定于车壁上，主机和显示屏通过固定座安装于车壁上。LoRa天线使用加长433MHz吸盘天线，提高车辆机动过程中数据传输的稳定性。麦克风采集到的语音信号进行采样编码和压缩，经LoRa模块处理后经天线发射出去；同时天线也接收其它终端发来的语音数据，经LoRa模块处理后经接口转换协议转化成应用软件可识别的数据，应用软件对音频信号进行解码放大等处理后，送入播放设备转化成声音。

本实用新型可与执行相同空中接口协议的同类设备自动组建通信网络。在特定频率的LoRa信号覆盖区，设备开机进入软件平台后，自动完成网络连接；当设备从LoRa信号盲区进入覆盖区后能自动地快速恢复网络连接；设备能自动切换到网络信号比较好的临近终端。通过设置电台协同电路，单台终端可用内置的两个LoRa模块实现网内各终端的全双工式语音和数据通信，或作为其它同类设备的信号传输中继节点。通过设置北斗模块并配合终端存储器内存储的离线数字地图，用户可在软件平台内实时获取当前地理坐标信息，并将坐标位置实时发送至软件平台服务端，便于服务端掌握全网终端坐标情况和优化路由关系。软件平台采用智能卡硬件认证的方式，相比传统密码认证方式具有安全性高、复制难度大的优点。

附图说明

图1是本实用新型的整体结构示意图；

图2是本实用新型的内部组成原理框图；

图3是电台协同电路原理图；

图4是12V转5V电路图；

图5是5V转3.3V电路图；

图6是本实用新型终端接口示意图；

图7是本实用新型应用模式一示意图；

图8是本实用新型应用模式二示意图；

图9是本实用新型自组网示意图；

图中，1、加固便携式主机，2、操作面板，3、433MHz天线，4、北斗天线，5、音频设备，6、加固触屏显示器，7、电容触摸屏，8、智能卡刷卡面板，9、人体工程学背包，10、耳麦，11、车壁，12、音响，13、话筒，14、主板，15、内存储器，16、中央处理器，17、外存储器，18、显示控制模块，19、电源管理模块，20、聚合物电池，21、充电电路，22、网络接口，23、USB接口，24、音频接口，25、主LoRa模块，26、从LoRa模块，27、北斗模块，28、驱动模块，29、显示面板，30、TTL转换模块，31、身份认证模块。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进行详细说明。

一种基于LoRa技术的自组网战术通信终端，如图1所示，包括加固便携式主机1、加固触屏显示器6、音频设备5和天线，加固便携式主机1通过数据线与加固触屏显示器6连接，数据线采用KVVRP双层屏蔽16芯控制线，两端采用WS28型16芯航空接头与设备进行连接。如图2所示，所述加固便携式主机1包括外壳及设于外壳内的主板14、主LoRa模块25、从LoRa模块26、北斗模块27、电源模块和显示控制模块18，主板14上嵌有中央处理器16(CPU)和内存储器15，同时还连接有一外存储器17。内存储器15采用4GB 1600Mhz内存，外存储器17采用64GB SSD3.0固态存储器，主要用于存储离线地图数据及相应软件环境。主板14通过电台协同电路与主LoRa模块25、从LoRa模块26连接，同时通过TTL转换电路与北斗模块27连接，显示控制模块18与主板14连接。外壳上还设有与主板连接的操作面板2及若干外设接口，外设接口有网络接口22、USB接口23、音频接口24，操作面板2上可以设置各类开关按钮、复位按钮、电量显示屏、电台状态指示灯、北斗状态指示灯。音频设备5可以是可移动的耳麦，也可以是固定式的音响和话筒，音频设备5通过音频接口24与主板14连接。所述天线包括两根433MHz天线3和一根北斗天线4，433MHz天线3与主LoRa模块、从LoRa模块连接，北斗天线4与北斗模块27连接。所述主LoRa模块25和从LoRa模块26采用SEMTECH公司SX1278射频芯片的无线串口模块(UART)，采用数据透明传输方式、软件加密的工作方式，发射功率为1W，工作在410－441MHz频段。主LoRa模块主要以定频方式传送控制信号，从LoRa模块则以跳频方式传送数据信号。所述北斗模块采用U26-H82BD模组，通过TTL电平信号与主机通信。

如图3所示，所述电台协同电路包括单片机U3A、U3B和TTL转USB芯片U1；单片机U3A的PA2脚、PA3脚与TTL转USB芯片U1的RXD脚、TXD脚连接，单片机发出的TTL信号经其转换为USB信号，TTL转USB芯片U1通过USB总线与主板14连接，用于实现单片机与主板的通信；单片机U3A的PA9-PA10脚、PB5-PB7脚与主LoRa模块U4连接，单片机U3A的PB10-Pb14脚与从LoRa模块U5连接。

电台协同电路完成两个LoRa模块内部的逻辑控制，主要包括对接口转换电路的初始化和控制接口电路的状态转换、MCU芯片的加电、无线模块的通信参数调整、信号时序控制。电台协同电路的单片机主要是控制两个LoRa模块的发送与接收时序，对数据流进行拆包和封包，对相应字节进行解析，主LoRa模块进行定频通信，根据主LoRa模块的指令对从LoRa模块进行参数配置实现跳频通信，最终完成自组网通信系统的构建和完善，单片机并将所接收的信号返送给主机，配合相应软件实现功能。当主机通电后，单片机能够自动搜索指定频率的信号，与目的设备进行多次握手并不断完善路由信息。设备在发送数据时，使用已确定的最优链路进行通讯，通过控制收发时序，保证不会对已占用的信道进行冲击，保证收发数据的可靠性和完整性。

如图2所示，所述电源模块包括12V20Ah聚合物电池20、和充电电路21，聚合物电池20连接充电电路21，同时通过电源管理模块19与主板14连接。电源模块还包括两个电压转换电路(即12V转5V电路、5V转3.3V电路)，其中12V转5V采用LM2596D2T-5模块，5V转3.3V采用AMS1117模块，两转换电路如图4、5所示，电源模块可利用充电电路为电池充电，利用电压转换电路得到合适电源，为电台协同电路提供工作电压。

如图2所示，所述加固触屏显示器6整体采用加固式结构设计，包括驱动模块28、显示面板29、电容触摸屏7及身份认证模块31，驱动模块28通过数据线与加固便携式主机内的显示控制模块18连接，驱动模块28与显示面板29，显示面板29与电容触摸屏7连接。所述身份认证模块31采用RC522射频模块，该模块集成于显示器背部非屏蔽区域，采用13.56Mhz工作频率，通过TTL转换模块30和驱动模块28与主机相连，用户通用刷智能卡的方式完成身份认证和登录软件平台。

如图6所示为本实用新型加固触屏显示器和加固便携式主机的操作面板及外设接口示意图，加固触屏显示器上设有智能卡刷卡面板8和显示器操作面板，并设有综合数据接口用于插入数据线，与加固便携式主机相连。加固便携式主机上设有音频接口、USB接口、网络接口(Ethernet接口)、扩展HDMI接口、DC接口、综合数据接口以及用于插接天线的两个433MHz天线接口和一个北斗天线接口，同时还设有主机操作面板及散热片和散热风扇，为主机散热。

根据使用场合不同，本实用新型可有两种应用模式，一种是单兵背负型通信终端，如图7所示，需设置人体工程学背包9，所述人体工程学背包是根据士兵身高和体重，定制不同型号的背包，根据执行任务区域外形颜色采用寒区型、荒漠型和丛林型加厚迷彩帆布定制，身体后侧为主机固定位，身体左前侧为显示器固定位，通过综合数据线缆连接；同时还在背包右前侧位置存放充电器、备用数据线和备用电池等备件。单兵背负型通信终端的音频设备选用3.5mm通用耳麦10，并根据实际使用场景进行外形与接口的定制、加固处理。单兵背负型终端的天线选用433MHz微型吸盘天线。

另一种应用模式是车载型通信终端，如图8所示，车内使用固定座将主机和显示器安装于车壁11内侧，并进行减震和加固处理，可采用车内12V或24V直流电进行供电，延长设备使用时间。车载终端需使用加长433MHz吸盘天线，并采用固定式音频设备，音响12和话筒13固定于车壁内以提高稳定性。

如图9所示，本实用新型所述通信终端可自行组建Ad hoc网络。Adhoc网络是一个对等性的网络，网络中所有节点的地位平等，无需设置任何的中心结点或服务节点。Ad hoc网络具有自动搜索(Self-Discovering)、自动配置(Self-Configuring)、自动组网(Self-Organizing)、自动恢复(Self-Healing)的特点。Adhoc网络节点能够动态适应网络的变化，快速检测其它节点的状态和探测其他节点的已存在路由信息，网络节点通过分布式算法来协调相互之间的连接关系，可以在任意时刻任意地点快速展开并自行组网，实现终端设备之间相互的语音通信、短信息通信、图片传输、指挥文件传输、地理坐标上报等功能。同一网络内的终端设备间的传输模式包含广播、群组、点对点三种方式。

本实用新型的通信过程为：

发送过程：主LoRa模块首先广播发送建立连接信号，找到目的主机的物理地址，进行初次握手，确认有数据需要发送后，目的主机的主LoRa模块安排通信时序，如无正在接收数据时，确定可以接收后数据开始发送。如主机正在接收数据，由在接收完成后发送时序信号，再次接收相应数据。

接收过程；从LoRa模块接收来自主LoRa射频模块的建立连接信号后，确定入网后，再次进行握手，确定有数据需要接收，并返回数据接收时序，单片机将数据接收时间进行分配，确认后开始接收数据，接收来的数据通过RS485总线传入主机，通过软件平台进行数据处理。