CN106357296A - 基于lora调制模式的UART接口物联网无线收发器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于lora调制模式的UART接口物联网无线收发器，它解决了现有技术通讯距离较短，抗干扰能力差等技术问题。包括MCU模块，MCU模块上连接有UART接口，MCU模块连接有具有接收模式和发射模式两种模式的信号收发处理模块，信号收发处理模块能够在接收模式中对接收信号进行lora解调或在发射模式中对发射信号进行lora调制，信号收发处理模块与无线信号收发装置相连，MCU模块与信号收发处理模块均通过供电电路与电源输入端相连。本发明具有通讯距离长，电路简单，能与之连接的节点数量多，且能减少不同节点之间通信的干扰，能适应复杂环境，抗干扰能力强，功耗低，可靠性高等优点。

Description

基于lora调制模式的UART接口物联网无线收发器

技术领域

本发明属于收发器技术领域，尤其是涉及一种基于lora调制模式的UART接口物联网无线收发器。

背景技术

目前无线收发器硬件平台大多采用FSK和GFSK的通信方式及基于跳频的抗干扰技术，主要问题是其通讯距离较短，仅能实现1Km左右可视距离的收发数据，若环境有较强的干扰、收发的成功率及收发的距离等指标将会大大降低；而且还存在着使用模块多，电路复杂，出错率高，能与之连接的节点数量少，功耗高等问题。

为了解决现有技术存在的问题，人们进行了长期的探索，提出了各式各样的解决方案。例如，中国专利文献公开了一种用于物联网短距离无线互联无线节点的超低功耗收发机[申请号：201210517565.8]，包括发射机电路和接收机电路，所述发射机电路包括：LC压控振荡器和预分频器用于产生载频信号；信号调制器将方波基带信号调制到载频信号上形成发射信号；功率放大器用于放大发射信号；所述接收机电路包括：低噪声放大器和射频自动增益放大器用于放大收到的信号；用于将放大的信号解调出来；模数转换器将解调出的模拟信号转换为数字信号。

上述方案虽然在一定程度上解决了现有技术功耗高的问题，但是该方案依然存在着：通讯距离较短，使用模块多，电路复杂，出错率高，能与之连接的节点数量少，无法适应复杂环境，抗干扰能力差等问题。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题，提供一种设计合理、结构简单，通讯距离长的基于lora调制模式的UART接口物联网无线收发器。

为达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：本基于lora调制模式的UART接口物联网无线收发器，本无线收发器包括MCU模块，所述的MCU模块上连接有UART接口，所述的MCU模块连接有具有接收信号处理模式和发射信号处理模式两种模式的信号收发处理模块，所述的信号收发处理模块能够在接收信号处理模式中对接收信号进行lora解调或在发射信号处理模式中对发射信号进行lora调制，所述的信号收发处理模块与无线信号收发装置相连，所述的MCU模块与信号收发处理模块均通过供电电路与电源输入端相连。

在上述的基于lora调制模式的UART接口物联网无线收发器中，所述的信号收发处理模块包括与MCU模块相连的信号处理模块，所述的信号处理模块分别与接收信号处理电路的输出端和发射信号处理电路的输入端相连，所述的接收信号处理电路的输入端和发射信号处理电路的输出端分别与接收发射切换开关相连，所述的接收发射切换开关与无线信号收发装置相连，所述的MCU模块与接收发射切换开关相连，且所述的MCU模块能够控制接收发射切换开关从而选择无线信号收发装置与接收信号处理电路相连或者与发射信号处理电路相连。

在上述的基于lora调制模式的UART接口物联网无线收发器中，所述的信号处理模块为SX127X芯片，且所述的SX127X芯片能够对接收信号进行lora解调或对发射信号进行lora调制。

在上述的基于lora调制模式的UART接口物联网无线收发器中，所述的MCU模块为MSP430芯片，且所述的MSP430芯片通过控制SX127X芯片的引脚一和引脚二来选择SX127X芯片的发射模式或者接收模式。

在上述的基于lora调制模式的UART接口物联网无线收发器中，所述的接收发射切换开关与无线信号收发装置之间设有50欧姆匹配滤波电路。

在上述的基于lora调制模式的UART接口物联网无线收发器中，所述的无线信号收发装置为天线，所述的天线与50欧姆天线接口相连，所述的50欧姆天线接口与50欧姆匹配滤波电路相连，所述的50欧姆天线接口连接有天线检测电路，所述的天线检测电路在检测到天线与50欧姆天线接口的连接断开后切断发射信号处理电路与信号处理模块的连接。

在上述的基于lora调制模式的UART接口物联网无线收发器中，所述的接收信号处理电路为接收匹配电路。

在上述的基于lora调制模式的UART接口物联网无线收发器中，所述的发射信号处理电路包括发射匹配电路和发射滤波电路，所述的发射匹配电路的输入端与信号处理模块相连，且所述的发射匹配电路的输出端与发射滤波电路的输入端相连，所述的发射滤波电路的输出端与接收发射切换开关相连。

在上述的基于lora调制模式的UART接口物联网无线收发器中，所述的MCU模块、信号处理模块、接收信号处理电路、发射信号处理电路、接收发射切换开关和50欧姆匹配滤波电路均设置在屏蔽罩内。

在上述的基于lora调制模式的UART接口物联网无线收发器中，所述的MSP430芯片上的RESET引脚、CON3引脚、STATE引脚和SLEEP引脚分别与外部控制模块相连；所述的MSP430芯片通过UART接口与外部控制模块相连。

与现有的技术相比，本基于lora调制模式的UART接口物联网无线收发器的优点在于：可靠性为工业级，中心频率稳定，接收灵敏度高，二次谐波低，抗干扰能力强，功耗低；应用范围广，适用于低功耗广域网的各种应用终端节点；工作电压宽，在3.0-3.7V的工作电压下都能正常稳定工作；工作频带较宽，在433MHz-443MHz、470-510MHz、510-518MHz、859-871MHz、900-930MHz的频段内各项性能指标都能可靠保证；最大发射功率为100mW；链路预算最高可达168dbm；接收灵敏度最高可达-148dBm；发射电流≤120mA，接收电流≤13mA，睡眠电流≤50uA；无线传输最大通信速率能达到300Kbps；传输距离远，可靠传输大于10Km；支持LORA调试模式通信以及GFSK、FSK、MSK、GMSK、OOK等调制模式通信，具有前导码探测、自动射频感知、无线唤醒、CRC校验等通信手段；具有传统的FSK/GFSK通信模式和扩频模式，且在扩频模式下所具有的通信距离和收发误码率较FSK通信模式的性能提高明显，特别是低速率的传输情形下更是优势明显，更适合环境干扰强、环境复杂、对通信距离要求远的终端传感器类、终端检测类、终端控制类产品中；同外部控制模块数据通信采用UART接口，可直接与MCU相连，软件编程非常方便；全透明传输，可在线设置无线收发的多种速率以及不同的地址、信道，可在线设置串口通信多种速率及多种UART数据格式；可实现无限数据长度数据收发；即使在断电情况下也可保持配置信息，方便下次操作；可通过I/O口操作，方便快速的实现模块状态切换；内置看门狗，实时监控，杜绝无线模块死机。

附图说明

图1提供了本发明实施例的结构示意图。

图中，电源输入端6、50欧姆天线接口7、天线检测电路8、天线9、供电电路10、晶振及匹配电路11、发射匹配电路12、发射滤波电路13、接收发射切换开关14、50欧姆匹配滤波电路15、接收匹配电路16、SX127X芯片17、MCU模块21、UART接口22、SLEEP引脚23、STATE引脚24、CON3引脚25、RESET引脚26。

具体实施方式

如图1所示，本基于lora调制模式的UART接口22物联网无线收发器，本无线收发器包括MCU模块21，MCU模块21上连接有UART接口22，MCU模块21连接有具有接收信号处理模式和发射信号处理模式两种模式的信号收发处理模块，信号收发处理模块能够在接收信号处理模式中对接收信号进行lora解调或在发射信号处理模式中对发射信号进行lora调制，信号收发处理模块与无线信号收发装置相连，MCU模块21与信号收发处理模块均通过供电电路1与电源输入端6相连；信号收发处理模块包括与MCU模块21相连的信号处理模块，信号处理模块分别与接收信号处理电路的输出端和发射信号处理电路的输入端相连，接收信号处理电路的输入端和发射信号处理电路的输出端分别与接收发射切换开关14相连，接收发射切换开关14与无线信号收发装置相连，MCU模块21与接收发射切换开关14相连，且MCU模块21能够控制接收发射切换开关14从而选择无线信号收发装置与接收信号处理电路相连或者与发射信号处理电路相连；接收发射切换开关14通过外部接收发射控制引脚进行控制，选通接收功能还是发射功能。供电电路1采用合理的电感、电容去耦合技术，减小了外部输入电源的纹波对各个模块性能的影响；电源输入端6为3.3V直流电源，为整个***各部分供电电路1提供电源，电源输入端6采用合理的电容去耦合技术，减小了外部输入电源的纹波对各个模块性能的影响；晶振及匹配电路11与信号收发处理模块等模块相连，保证了***中心频率的稳定性和生产中频率的一致性，从而间接提高了***的通信性能；MCU模块21可对各项配置信息进行掉电保存，方便下次使用，可控制整个***各种状态的切换，可对经由UART接口22传递过来的数据进行格式处理，以便射频模块的处理；外部控制模块可以通过UART接口22对整个***进行操作，既可以对***进行各种参数配置，也可以让***工作于透传模式：UART接口22接收到的数据通过无线射频发射出去，或者无线射频接收到的数据通过UART接口22发送出去。

具体地，信号处理模块为SX127X芯片17，且SX127X芯片17能够对接收信号进行lora解调或对发射信号进行lora调制；MCU模块21为MSP430芯片，且MSP430芯片通过控制SX127X芯片17的引脚一和引脚二来选择SX127X芯片17的发射模式或者接收模式。MSP430芯片上的RESET引脚26、CON3引脚25、STATE引脚24和SLEEP引脚23分别与外部控制模块相连；MSP430芯片通过UART接口22与外部控制模块相连；通过SLEEP引脚23，外部控制模块通过简单的IO口操作即可实现对模块休眠控制；通过STATE引脚24，外部控制模块通过简单的IO口操作即可实现对模块状态查询；通过CON3引脚25，外部控制模块通过简单的IO口操作即可控制模块进入或退出参数设置状态；通过RESET引脚26，外部控制模块通过简单的IO口操作即可实现对模块复位控制；使用者可以通过外部控制模块对本无线收发器进行接收、发射、睡眠、速率、功率、通信模式等符合模块性能的多种操作，从而避免在模块有效通信范围之内需要通信的两个或多个产品间由外设设备直接连接时可能产生的线路配置上的问题，同时提高整套产品的综合竞争能力。

对于本无线收发器的电路部分，接收发射切换开关14与无线信号收发装置之间设有50欧姆匹配滤波电路15；50Ω匹配滤波电路提高了接收和发射时***相对天线9的匹配性，从而有效地增加了发射功率、天线9对功率的辐射效率和接收灵敏度；无线信号收发装置为天线9，天线9与50欧姆天线接口7相连，50欧姆天线接口7与50欧姆匹配滤波电路15相连，50欧姆天线接口7连接有天线检测电路8，天线检测电路8在检测到天线9与50欧姆天线接口7的连接断开后切断发射信号处理电路与信号处理模块的连接；50欧姆天线接口7支持弹簧天线9、胶棒天线9、吸盘天线9、铜棒天线9、钢化天线9等各种形式。接收信号处理电路为接收匹配电路16；接收匹配电路16能够强有力地过滤谐波，抑制衰减，接收端灵敏度为-148dBm。发射信号处理电路包括发射匹配电路12和发射滤波电路13，发射匹配电路12的输入端与信号处理模块相连，且发射匹配电路12的输出端与发射滤波电路13的输入端相连，发射滤波电路13的输出端与接收发射切换开关14相连；发射匹配电路12能够强有力地抑制二次谐波，提高传输效率，发射功率最高可达20dbm，各项性能指标更加符合相关认证要求；发射滤波电路13对通带内的频率信号呈现匹配传输，对阻带频率信号失配而进行发射衰减，并能有效地过滤谐波，抑制衰减。MCU模块21、信号处理模块、接收信号处理电路、发射信号处理电路、接收发射切换开关14和50欧姆匹配滤波电路15均设置在屏蔽罩内；***主要的射频部分用屏蔽罩将其全方位覆盖，并做良好接地处理，大大减小外界高频噪声对***性能的影响。

本基于lora调制模式的UART接口物联网无线收发器的主要工作机制是：需要通信的数据通过UART接口22，以UART数据格式发送给本无线收发器，经本无线收发器内部MCU处理后，将数字信号通过lora、2-FSK、GFSK、OOK等调试方式调制后加载到所需频段上，以电磁波的形式发送出去；当本无线收发器接收到有效的无线信号后，MCU将数据读出，通过数字部分的处理后，用UART格式将接收到的数据输出。

LoRa调制模式能够在低功耗情况下实现超长距离无线通信及高抗干扰能力。完美解决了小数据量在复杂环境中的超远距通信问题。无线模块信号灵敏度超过-148dBm这种高灵敏度结合+20dBm的功率放大器使工业链路预算达到最优，能够满足所有应用要求的范围与可靠性。LoRa融合了数字扩频、数字信号处理和前向纠错编码技术，拥有前所未有的性能。此前，只有那些高等级的工业无线电通信会融合这些技术，采用源自军用战术通信***的LoRa调制技术设计，嵌入式无线通信领域的局面发生了彻底的改变。前向纠错编码技术是给待传输数据序列中增加了一些冗余信息，这样，数据传输进程中注入的错误码元在接收端就会被及时纠正。这一技术减少了以往创建"自修复"数据包来重发的需求，且在解决由多径衰落引发的突发性误码中表现良好。一旦数据包分组建立起来且注入前向纠错编码以保障可靠性，这些数据包将被送到数字扩频调制器中。这一调制器将分组数据包中每一比特馈入一个"展扩器"中，将每一比特时间划分为众多码片。LoRa调制解调器经配置后，可划分的范围为64-4096码片/比特。AngelBlocks配置调制解调器可使用4096码片/比特中的最高扩频因子(12)。相对而言，ZigBee仅能划分的范围为10-12码片/比特。通过使用高扩频因子，LoRa技术可将小容量数据通过大范围的无线电频谱传输出去。实际上，当你通过频谱分析仪测量时，这些数据看上去像噪音，但区别在于噪音是不相关的，而数据具有相关性，基于此，数据实际上可以从噪音中被提取出来。其实，扩频因子越高，越多数据可从噪音中提取出来。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了电源输入端6、50欧姆天线接口7、天线检测电路8、天线9、供电电路10、晶振及匹配电路11、发射匹配电路12、发射滤波电路13、接收发射切换开关14、50欧姆匹配滤波电路15、接收匹配电路16、SX127X芯片17、MCU模块21、UART接口22、SLEEP引脚23、STATE引脚24、CON3引脚25、RESET引脚26等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (10)

1.一种基于lora调制模式的UART接口物联网无线收发器，其特征在于，本无线收发器包括MCU模块(21)，所述的MCU模块(21)上连接有UART接口(22)，所述的MCU模块(21)连接有具有接收信号处理模式和发射信号处理模式两种模式的信号收发处理模块，所述的信号收发处理模块能够在接收信号处理模式中对接收信号进行lora解调或在发射信号处理模式中对发射信号进行lora调制，所述的信号收发处理模块与无线信号收发装置相连，所述的MCU模块(21)与信号收发处理模块均通过供电电路(1)与电源输入端(6)相连。

2.根据权利要求1所述的基于lora调制模式的UART接口物联网无线收发器，其特征在于，所述的信号收发处理模块包括与MCU模块(21)相连的信号处理模块，所述的信号处理模块分别与接收信号处理电路的输出端和发射信号处理电路的输入端相连，所述的接收信号处理电路的输入端和发射信号处理电路的输出端分别与接收发射切换开关(14)相连，所述的接收发射切换开关(14)与无线信号收发装置相连，所述的MCU模块(21)与接收发射切换开关(14)相连，且所述的MCU模块(21)能够控制接收发射切换开关(14)从而选择无线信号收发装置与接收信号处理电路相连或者与发射信号处理电路相连。

3.根据权利要求2所述的基于lora调制模式的UART接口物联网无线收发器，其特征在于，所述的信号处理模块为SX127X芯片(17)，且所述的SX127X芯片(17)能够对接收信号进行lora解调或对发射信号进行lora调制。

4.根据权利要求3所述的基于lora调制模式的UART接口物联网无线收发器，其特征在于，所述的MCU模块(21)为MSP430芯片，且所述的MSP430芯片通过控制SX127X芯片(17)的引脚一和引脚二来选择SX127X芯片(17)的发射模式或者接收模式。

5.根据权利要求4所述的基于lora调制模式的UART接口物联网无线收发器，其特征在于，所述的接收发射切换开关(14)与无线信号收发装置之间设有50欧姆匹配滤波电路(15)。

6.根据权利要求5所述的基于lora调制模式的UART接口物联网无线收发器，其特征在于，所述的无线信号收发装置为天线(9)，所述的天线(9)与50欧姆天线接口(7)相连，所述的50欧姆天线接口(7)与50欧姆匹配滤波电路(15)相连，所述的50欧姆天线接口(7)连接有天线检测电路(8)，所述的天线检测电路(8)在检测到天线(9)与50欧姆天线接口(7)的连接断开后切断发射信号处理电路与信号处理模块的连接。

7.根据权利要求2至6任一项所述的基于lora调制模式的UART接口物联网无线收发器，其特征在于，所述的接收信号处理电路为接收匹配电路(16)。

8.根据权利要求7所述的基于lora调制模式的UART接口物联网无线收发器，其特征在于，所述的发射信号处理电路包括发射匹配电路(12)和发射滤波电路(13)，所述的发射匹配电路(12)的输入端与信号处理模块相连，且所述的发射匹配电路(12)的输出端与发射滤波电路(13)的输入端相连，所述的发射滤波电路(13)的输出端与接收发射切换开关(14)相连。

9.根据权利要求5或6所述的基于lora调制模式的UART接口物联网无线收发器，其特征在于，所述的MCU模块(21)、信号处理模块、接收信号处理电路、发射信号处理电路、接收发射切换开关(14)和50欧姆匹配滤波电路(15)均设置在屏蔽罩内。

10.根据权利要求4或5或6所述的基于lora调制模式的UART接口物联网无线收发器，其特征在于，所述的MSP430芯片上的RESET引脚(26)、CON3引脚(25)、STATE引脚(24)和SLEEP引脚(23)分别与外部控制模块相连；所述的MSP430芯片通过UART接口(22)与外部控制模块相连。