CN111309659B - 一种基于可插拔模块的LoRa多通道通信扩展方法 - Google Patents

Abstract

本发明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***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。

Description

一种基于可插拔模块的LoRa多通道通信扩展方法

技术领域

本发明涉及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。

背景技术

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***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技术领域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。

发明内容

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***不能为配置多通道或维护故障LoRa模块关闭主板电源。***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。

本发明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(Card Detect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***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***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***；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***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。

本发明能够实现LoRa多通道扩展卡的热插拔及即插即用，大大方便了LoRa通信***的通道扩展、管理、卸载和维护。

附图说明

图1是本发明基本***主板及LoRa扩展卡的多通道扩展硬件示意图；

图2是本发明实施例的主板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是本发明实施例的对LoRa扩展卡的配置方式进行选择的流程；

图4是发明实施例的当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

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

请参阅图1，本发明中基本***主要由***主板和LoRa扩展卡两种部件组成，***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，基站和中继类型的扩展卡对应的指示灯除自身扩展卡状态之外，也要通过常亮或闪烁指示其链路上所有节点的在线、收发状态。千兆以太网4为调试接口，可以通过网口调试***、传输配置文件等，某些条件下的该千兆以太网4也可以作为基站上报管理服务器的通信方式。其他通信模块及接口5为***的选配接口，在基站***主板中，可指LTE通信模块、USB等；在中继器***主板中可以不包含此模块5；在终端***主板中可指GPS、采集串口等。LoRa通信模块扩展接口单元6是用来插LoRa扩展卡的硬件资源，包含通信接口、IO、中断、电源的布线和PCB插槽。电源模块7是主板的供电***，直流电源接入后采用各个电源转换芯片给不同模块供电，电源转换芯片具有控制IO用来进行电源管理。主板为所有***的LoRa扩展卡供电，电源供电电流具有一定裕度。

如图1所示，LoRa扩展卡中包含了嵌入式MCU8、电源供电管理模块9、LoRa收发器芯片10和天线。其中嵌入式MCU8可以采用不带MMU的低功耗芯片，具备简单外设并内置少量存储。电源供电管理模块9指的是为MCU及收发器芯片和天线供电的电源转换模块，包含管理IO可以通过主板控制给扩展卡上电及断电。LoRa收发器芯片10是行使通信收发功能的主要器件，主要由MCU8进行管理。

本发明中的LoRa扩展卡需要从主板获取的硬件资源包括：电源管理资源，包括电源供电芯片及电源控制IO、扩展卡CD管脚GPIO、UART接口、状态IO和控制IO。LoRa扩展卡具有热插拔保护电路，并且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。除此外，PCB金手指插拔涉及的信号线及电源线设计有静电保护措施，扩展卡备用GPIO的方向初始化为Input来降低插拔时带来的电流冲击。

请参阅图2，图2描述了本发明实施例的主板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，所有过程在主板的程序中以中间件的形式实现，通过该流程实现扩展卡的即插即用和LoRa多通道通信扩展。

主板CPU操作***初始化时会将扩展卡的电源开启，执行扩展卡CD管脚对应的GPIO的检测，当检测到某个扩展卡CD管脚拉低时，证明有扩展卡***。即插即用程序中设置了扩展卡重启次数的变量置0，CPU读取CD管脚对应的串口，持续监听直到得到一帧完整数据，这帧数据是扩展卡自动向UART端口发出的包含了组网职能、ID号、信道、位速率及卡自检位的数据帧。如果接收超时，则CPU控制扩展卡断电重启，重启三次以上仍未能正确接收到完整数据就判断LoRa扩展卡异常并将扩展卡电源使能IO拉低，关闭电源。如果没有超时，CPU对数据帧进行解析并加以判断，首先查看扩展卡上电自检位，0为正常，1为异常，当判断自检位为0之后，继续解析卡其他信息，确保：扩展卡初始化时采用配置专用信道，统一位速率，ID不能与当前使用网络冲突。通过上述信息判断该模块是否符合配置条件，当判断扩展卡异常时，及时将扩展卡电源关闭，以免影响已有功能工作，等待进一步检查。对于卡异常或损坏的扩展接口，关闭扩展卡电源后主板CPU分配1路红色卡状态指示灯，闪烁表示扩展接口有卡但卡故障。

当确认扩展卡符合配置条件时，配置LoRa扩展卡，配置项包括LoRa通信模块参数(信道、位速率、天线发射功率)和网络拓扑信息(通信ID、通信路由表)。配置完成后扩展卡的MCU发送重启请求，CPU接收到信息后对扩展卡电源重启使得配置生效。重启后CPU会接收到新的扩展卡信息，用以判断配置是否成功，当确定配置成功后主板CPU在设备管理中注册该LoRa扩展卡设备，远程或者本地更新网络拓扑图，同时，主板CPU为LoRa扩展卡分配缓存资源及指示灯IO。以上配置完成后LoRa的多通道扩展完成，开始运行LoRa通信程序。

请参阅图3，图3是本发明实施例的对LoRa扩展卡的配置方式进行选择的流程。在LoRa扩展卡配置方式上，三种扩展卡的配置管理均可以由CPU本地获取并解析配置文件，并用UART接口将配置命令下发给扩展卡MCU的方式；当扩展卡为基站时，可以采用UDP协议向云端或服务器远程请求配置文件；当扩展卡中继或终端形式时，还可通过LoRa基站模块来远程下发配置文件包，配置文件包通过UART透传给主板CPU解包、解析转化为配置命令，再通过串口下发配置命令给扩展卡。通过基站下发配置应对与某些场景：1、对已有中继及终端扩展卡远程更新配置；2、扩展多通道，终端和中继无法从本地获取配置文件且调试不方便时；3、远程启动中继和终端的备用扩展卡等情况。

如图3所示，可看到扩展卡配置方式选择的流程，在确定扩展卡符合配置条件之后，优先使用本地目录下的配置文件，读取配置文件，配置LoRa扩展卡并重启。如果没有搜索到配置文件，则判断扩展卡类型是否属于基站，如果属于基站类型，则向云端或服务器发起获取数据请求，采用UDP网络协议传输配置文件数据包，对该数据包进行解析后存储到本地，读取文件配置LoRa并重启。当判断扩展卡属于中继或者终端类型时，则需要基站发起进一步配置操作。准备配置专用信道的基站模块、设备或扩展卡，通常该信道或通道为配置和管理设备专用的空闲通道，专用于配置的基站必须与中继/终端扩展卡具有一致的专用信道和位速率。配置专用的基站设备将配置文件打包，发起传输，通过LoRa通信远程下发LoRa数据包到中继或终端设备，主板CPU通过串口透传方式获取并解析数据包，将配置文件存放到本地。MCU从UART得到并执行相应配置命令，配置完成后主板对扩展卡执行重启。

请参阅图4，图4是发明实施例的当LoRa扩展卡拔出后主板CPU的感知和自动操作流程，如图4所示，当一个LoRa扩展卡拔出后，CPU会扫描发现原有的扩展卡CD引脚为高电平，而该端口有设备注册，判定扩展卡已经拔出，此时为了节省***开销应停止该扩展卡相关通信程序，同时注销设备并释放缓存及IO资源，更新网络拓扑，删除该通信点或显示离线。本实施例能够做到在从主板拔出LoRa扩展卡后无需人为操作，自动更新LoRa扩展卡的设备状态和多通道网络状态。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

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，包含嵌入式的可插拔模块MCU、LoRa通信芯片、电源管理模块和指示灯，LoRa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，LoRa扩展卡包含了卡检测引脚来检测卡的插拔，状态IO引脚检测LoRa扩展卡空闲/发送状态，控制IO引脚控制LoRa扩展卡功能，主板CPU通过UART和状态IO实时监测LoRa扩展卡状态；同时，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***主板扩展插槽上电时，主板CPU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状态时发现对应主板扩展插槽的卡检测管脚被LoRa扩展卡拉低，由此检测到卡***；LoRa扩展卡包含可插拔模块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，主板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LoRa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LoRa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LoRa扩展卡时，以配置文件包的形式通过LoRa通信来获取，并通过LoRa扩展卡串口发送并保存本地；主板CPU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通过串口为可插拔模块MCU下发配置命令，LoRa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，LoRa扩展卡还获取包含指定多跳传输的路由表；配置完成后可插拔模块MCU发送重启请求，主板CPU控制LoRa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***注册LoRa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：记录日志更新LoRa网络的通道状态，更新网络拓扑显示，并定时上报。

2.根据权利要求1所述的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：多通道扩展主板具备主板CPU、存储器、LoRa通信模块接口扩展单元、电源模块和调试接口，其中主板的主板CPU具有内存管理单元，能够为LoRa扩展卡动态分配缓存及LED资源，LED指示灯直观展示通信链路各节点状态及LoRa扩展卡状态；多通道扩展设备包含基站功能使得该设备具备互联网通信接口。

3.根据权利要求1或2所述的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：LoRa扩展卡为可插拔的PCB扩展卡形式，采用UART接口与主板进行通信，同时设计了卡检测引脚来检测是否插卡；LoRa扩展卡占用的主板硬件资源有供电电源、UART接口、缓存及GPIO，多通道扩展主板上与LoRa扩展卡进行通信的UART端口占用接口资源及主板CPU中断；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。

4.根据权利要求1所述的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：所有LoRa扩展卡的硬件电路一致，根据组网职能定制有基站、中继和终端三种形式的固件，LoRa扩展卡首先由主板CPU读取本地存储并检查是否存在配置文件，如果存在，则解析后用UART接口将配置命令下发给可插拔模块MCU；如果本地找不到配置文件，当LoRa扩展卡为基站类型时，采用UDP协议向互联网云端或服务器远程请求配置文件包，主板CPU解析该配置文件包，并转化为配置命令进行配置；当LoRa扩展卡是中继或终端形式时，通过LoRa通信向基站请求远程下发配置文件包，配置文件包通过UART透传给主板，主板CPU解析该LoRa数据包、解析转化为配置命令；解析获得配置命令后，主板通过串口下发配置命令给LoRa扩展卡。

5.根据权利要求1所述的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：人为停用LoRa某一通道的处理流程为，将LoRa扩展卡的电源管理IO拉低，释放缓存同时保留1路指示灯绿灯闪烁，表示扩展接口的LoRa扩展卡正常但禁用该通道，然后进行LoRa网络更新；

若卡检测管脚电平为高，而扩展端口有设备注册，该情况判断为LoRa扩展卡已被拔出，则软件上停止LoRa扩展卡通信程序的运行，释放缓存及LED资源，注销设备后进行LoRa网络更新；

若卡检测管脚电平为低，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，该情况判断为LoRa扩展卡故障，则软件上停止LoRa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，表示扩展接口的LoRa扩展卡存在但有故障，注销设备然后进行LoRa网络更新。

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