CN109639497A - 一种LoRa网关设备 - Google Patents

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Abstract

一种LoRa网关设备，所述网关设备包括：网关模块，所述网关模块与LoRa终端节点采用星型网络结构无线连接，从LoRa终端节点接收用户数据；LoRa网络管理服务器模块，所述LoRa网络管理服务器模块提供UI界面，对网关模块进行配置，以及对所述LoRa终端节点进行连接性管理、鉴权管理、分组管理；数据应用服务器模块，所述数据应用服务器模块对第三方应用平台提供数据推送服务和消息订阅发布服务。通过该网关设备，用户无需关心LoRa/LoRaWAN无线网络的具体构建过程，只需调用LoRa自组网提供的标准接口既可快速生成自己的无线应用解决方案，大大缩短了用户产品开发时间和验证周期，提高用户的体验。

Description

一种LoRa网关设备
技术领域
本发明涉及Lora技术领域，尤其涉及一种LoRa网关设备。
背景技术
LoRaWAN是为LoRa远距离通信网络设计的一套通讯协议和***架构。Lora通信***通常包含终端、基站、网络服务器、应用服务器这四个部分。基站和终端之间采用星型网络拓扑，由于LoRa的长距离特性，它们之间得以使用单跳传输。终端节点可以同时发给多个基站，基站则对网络服务器和终端之间的LoRaWAN协议数据做转发处理，将LoRaWAN数据分别承载在了LoRa射频传输和TCP/IP上。
LoRa自组网是基于LoRa/LoRaWAN技术的无线接入产品。但现有的产品，用户在构建自组网时，需要针对不同的第三方应用深入了解LoRa/LoRaWAN无线网络的具体构建过程，来自主生成自己的无线应用解决方案，但这需要用户具备一定的产品研发技能，要求用户具有较高的研发能力，这个过程会导致用户产品开发时间和验证周期较长，用户体验不高。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明提出一种LoRa网关设备。通过该网关设备，用户无需关心LoRa/LoRaWAN无线网络的具体构建过程，只需调用LoRa自组网提供的标准接口既可快速生成自己的无线应用解决方案，大大缩短了用户产品开发时间和验证周期，提高用户的体验。
根据本发明的一个方面，本发明提出一种LoRa网关设备，所述网关设备包括：
网关模块，所述网关模块与LoRa终端节点采用星型网络结构无线连接，从LoRa终端节点接收用户数据；
LoRa网络管理服务器模块，所述LoRa网络管理服务器模块提供UI界面，对网关模块进行配置，以及对所述LoRa终端节点进行连接性管理、鉴权管理、分组管理；
数据应用服务器模块，所述数据应用服务器模块对第三方应用平台提供数据推送服务和消息订阅发布服务。
根据本发明的另一个方面，所述网关设备还包括以太网模块和/或4G LTE模块，用于实现所述LoRa网络管理服务器模块和/或数据应用服务器模块与第三方应用平台通信。
根据本发明的另一个方面，所述LoRa网关设备支持8个信道多扩频因子并行接收，2个独立信道下行发送。
根据本发明的另一个方面，所述LoRa网络管理服务器模块和/或数据应用服务器模块可被分布式部署到云服务器上。
根据本发明的另一个方面，所述LoRa网络管理服务器模块还用于对终端用户的应用数据进行完整性检验，所述数据应用服务器模块对应用数据进行加密和解密。
根据本发明的另一个方面，所述LoRa终端节点为用户终端与LoRa节点模块的组合，所述LoRa节点模块包括内嵌式节点模块和外接式节点模块。
根据本发明的另一个方面，所述网关模块和所述LoRa终端节点支持分片报文传输、分片报文重传、以及重传异常处理。
根据本发明的另一个方面，在上行方向，所述LoRa终端节点将数据分片为固定长度的短报文发送给所述网关模块，在下行方向，所述网关模块将数据分片为固定长度的短报文发送给所述LoRa终端节点，当上行数据分片或下行数据分片传输失败时，进行分片报文重传。
根据本发明的另一个方面，所述网关模块和所述LoRa终端节点均设置超时机制，如果超时一段时间后未能完成分片报文重传，则发出分片重传失败报文。
通过本发明的LoRa网关设备，用户无需关心LoRa/LoRaWAN无线网络的具体构建过程，只需调用LoRa自组网提供的标准接口既可快速生成自己的无线应用解决方案，大大缩短了用户产品开发时间和验证周期，提高用户的体验。
通过参照以下附图及对本发明的具体实施方式的详细描述，本发明的特征及优点将会变得清楚。
附图说明
图1是本发明的LoRa网关设备结构示意图；
图2是本发明的LoRa网关设备在组网时的结构示意图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
如图1，本发明提供了一种LoRa网关设备，根据本发明的一个方面，本发明提出一种LoRa网关设备，所述网关设备包括：
网关模块，所述网关模块与LoRa终端节点采用星型网络结构无线连接，从LoRa终端节点接收用户数据；
LoRa网络管理服务器模块，所述LoRa网络管理服务器模块提供UI界面，对网关模块进行配置，以及对所述LoRa终端节点进行连接性管理、鉴权管理、分组管理；
数据应用服务器模块，所述数据应用服务器模块对第三方应用平台提供数据推送服务和消息订阅发布服务。
具体地，所述LoRa终端节点为用户终端与LoRa节点模块的组合，所述LoRa节点模块包括内嵌式节点模块和外接式节点模块。
LoRa节点模块用于连接用户终端，向用户终端提供LoRa无线网络的接入能力。LoRa节点模块在自组网中作为数传模块，负责将用户数据转换成无线数据进行收发，省却了用户布线的困扰。
LoRa节点模块分为两种类型：内嵌式的LX78S模块和外接式的LX78L模块。LX78S节点模块是基于LoRa/LoRaWAN协议的超低功耗、低价格和小尺寸封装的无线射频模块。该射频模块集成了Semtech公司的LoRa无线收发器和ST的超低功耗MCU，非常适合应用于无线远程抄表、工业控制、安防和监控等物联网设备连接，特别是电池供电的无线传感器节点设备。
LX78L模块是在LX78S内嵌式节点模块的基础上进行封装，用于用户终端外接的LoRa节点模块。该模块对外提供RS485(或RS232)接口，0-5V接口(可选)和4-20mA接口(可选)，非常适合已有成熟终端不希望进行终端二次开发的应用客户。
如图2所示，LoRa网关设备由以下3个部分组成：LoRa网关模块、LoRa网络管理服务器模块和数据应用服务器模块。
其中，LoRa节点模块(LX78S和LX78L)，LoRa网关模块和LoRa网络管理服务器模块3个模块一起提供了LoRa无线网络的接入功能。
同时，为了简化用户安装和使用，将LoRa网关模块、LoRa网络管理服务器模块和数据应用服务器模块集成在一个物理网关设备中，对外提供统一的软硬件接口。
根据本发明的另一个方面，所述网关设备还包括以太网模块和/或4G LTE模块，用于实现所述LoRa网络管理服务器模块和/或数据应用服务器模块与第三方应用平台通信。所述LoRa网关设备支持8个信道多扩频因子并行接收，2个独立信道下行发送。所述LoRa网络管理服务器模块和/或数据应用服务器模块可被分布式部署到云服务器上。所述LoRa网络管理服务器模块还用于对终端用户的应用数据进行完整性检验，所述数据应用服务器模块对应用数据进行加密和解密。
具体地，LXGW001是一款针对IoT及M2M应用设计的LoRa/LoRaWAN工业级无线数据通信网关。本网关设备支持LoRaWAN Class A/C标准协议，将从LoRa节点模块采集到的用户数据通过以太网或4G LTE转发到后台服务器，并可同时下发服务器命令到LoRa节点模块，实现用户终端节点和用户服务器的双向数据通信功能。
LXGW001集成了一个SX1301模块和两个SX1278模块，支持8个信道多扩频因子并行接收，两个独立信道下行发送。且上下行信道支持全双工收发(普通LoRa网关只支持半双工收发)，大大提升了网关的双向数据收发能力。支持千级别用户终端的接入。
LoRa网络管理服务器模块，是负责管理LoRa终端节点和LoRa网关的软件模块。为了简化用户安装和使用，将LoRa网络管理服务器模块集成在一个物理网关设备中，运行在一块Atom高性能嵌入式主板上。
可选地，LoRa网络管理服务器模块可被分布式部署在云服务器上。
LoRa网络管理服务器模块主要负责：
1.LoRa终端节点的连接性管理，鉴权管理，分组管理(支持组播广播应用)等；2.LoRaWAN协议的实现；3.终端用户应用数据的完整性检验；4.终端用户应用数据的转发；5.LoRa网关的配置。
具体如何进行连接性管理、鉴权管理、分组管理、完整性检验、网关配置，可以采用通信领域中通用的方法进行，例如，通过密码比对进行鉴权，根据鉴权是否通过来决定是否允许终端节点进行连接，通过终端节点的位置或应用特性对终端节点进行分组管理，通过发送报文的CRC校验进行完整性检验等，本实施例对此不再展开论述。
优选地，该软件模块向用户提供图形化配置UI界面，方便用户进行终端和网关管理。
数据应用服务器模块，负责应用数据的加解密，并对第三方应用平台提供各种数据推送服务和消息订阅发布服务。用户可以通过标准HTTP POST和MQTT网络协议获取用户数据，发送用户控制信令。
为了简化用户安装和使用，将应用数据服务器模块集成在一个物理网关设备中，(和网络管理服务器模块一起)运行在一块Atom高性能嵌入式单板主机上。可通过以太网或4G LTE网络连接和第三方应用平台通信。
可选地，数据应用服务器模块可被分布式部署在云服务器上。
根据本发明的另一个方面，所述网关模块和所述LoRa终端节点支持分片报文传输、分片报文重传、以及重传异常处理。
在上行方向，所述LoRa终端节点将数据分片为固定长度的短报文发送给所述网关模块，在下行方向，所述网关模块将数据分片为固定长度的短报文发送给所述LoRa终端节点，当上行数据分片或下行数据分片传输失败时，进行分片报文重传。
具体地，在上行方向上，要求LoRa终端节点将数据分片为固定长度的，Lora平台能够传输的短报文，以连续并尽可能快的方式传递给网关模块。可以在Lora终端节点内，采用关闭下行接收窗口的方式，进行连续的上行发送。发送完成后，要求网关模块进行接收确认，告知LoRa终端节点已经接收到的分包序列。如果传输过程出现丢包，必须由LoRa终端节点进行重发。如果多次重发失败，即认为本次大数据传输失败。分片完整接收后，报文重装工作由网关模块完成。
在下行方向，要求网关模块将数据分片为固定长度的，Lora平台能够传输的短报文，并通过SX1301以连续并尽可能快的方式传递给Lora终端节点。其中，考虑到Class A设备必须在有上行的情况才能接收下行数据，这种在下行方向传输大报文的方式不适合Class A设备，更适合Class C设备。建议使用Class C的RX2窗口进行连续发送。网关模块在发送完成后，要求LoRa终端节点进行接收确认，告知网关模块已经接收的分包序列。如果传输过程中出现丢包，必须由网关模块进行重发。如果多次重发失败，即认为本次大数据传输失败。LoRa终端节点完整接收到来自网关设备的分包后，进行重装。
根据本发明的另一个方面，所述网关模块和所述LoRa终端节点均设置超时机制，如果超时一段时间后未能完成分片报文重传，则发出分片重传失败报文。
具体地，LoRa终端节点在发送完最后一个重装请求报文后，启动超时机制，等待网关模块的分片重装确认报文。如果超时时间内收到分片重装确认报文报文，本次分片发送结束。
如果超时时间内收到网关模块上行分片报文的重传请求，重置超时定时器，将请求重传报文再次发送后，再次发送重装请求报文，重新启动超时机制。
如果超时未收到网关模块分片重装确认报文，或者分片重装请求报文。认为本次分片传输失败，丢弃分片，返回分片传输结果退出本次传输。
网关模块也设置超时机制，在每次收到一个分片或重装请求报文后重新设置一次超时时间，如果超时一段时间后未能完成分片重装，则发出分片重装失败报文，然后释放已收到分片，结束本次重装。
其中，超时时间的长短，应该考虑3个传输分片的最大传输时长，加上一定的时间余量。
通过本发明的LoRa网关设备，用户无需关心LoRa/LoRaWAN无线网络的具体构建过程，只需调用LoRa自组网提供的标准接口既可快速生成自己的无线应用解决方案，大大缩短了用户产品开发时间和验证周期，提高用户的体验。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种LoRa网关设备，其特征在于，所述网关设备包括：
网关模块，所述网关模块与LoRa终端节点采用星型网络结构无线连接，从LoRa终端节点接收用户数据；
LoRa网络管理服务器模块，所述LoRa网络管理服务器模块提供UI界面，对网关模块进行配置，以及对所述LoRa终端节点进行连接性管理、鉴权管理、分组管理；
数据应用服务器模块，所述数据应用服务器模块对第三方应用平台提供数据推送服务和消息订阅发布服务。
2.根据权利要求1所述的网关设备，其特征在于，所述网关设备还包括以太网模块和/或4G LTE模块，用于实现所述LoRa网络管理服务器模块和/或数据应用服务器模块与第三方应用平台通信。
3.根据权利要求1所述的网关设备，其特征在于，所述LoRa网关设备支持8个信道多扩频因子并行接收，2个独立信道下行发送。
4.根据权利要求1所述的网关设备，其特征在于，所述LoRa网络管理服务器模块和/或数据应用服务器模块可被分布式部署到云服务器上。
5.根据权利要求1所述的网关设备，其特征在于，所述LoRa网络管理服务器模块还用于对终端用户的应用数据进行完整性检验，所述数据应用服务器模块对应用数据进行加密和解密。
6.根据权利要求1所述的网关设备，所述LoRa终端节点为用户终端与LoRa节点模块的组合，所述LoRa节点模块包括内嵌式节点模块和外接式节点模块。
7.根据权利要求1所述的网关设备，其特征在于，所述网关模块和所述LoRa终端节点支持分片报文传输、分片报文重传、以及重传异常处理。
8.根据权利要求7所述的网关设备，其特征在于，在上行方向，所述LoRa终端节点将数据分片为固定长度的短报文发送给所述网关模块，在下行方向，所述网关模块将数据分片为固定长度的短报文发送给所述LoRa终端节点，当上行数据分片或下行数据分片传输失败时，进行分片报文重传。
9.根据权利要求7所述的网关设备，其特征在于，所述网关模块和所述LoRa终端节点均设置超时机制，如果超时一段时间后未能完成分片报文重传，则发出分片重传失败报文。
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