技术领域
[0001] 本实用新型涉及物联网技术领域，尤其涉及一种470-480MHz基于LoRa的LTE物联网网关。
背景技术
[0002] 在400MHz-3GHz的频段上，目前的无线技术方案通信距离较近，往往通过增加射频的发送功率来增加通信距离，比较典型的技术有zigbee、wifi、蓝牙、nb-iot等技术。现有的无线技术的通信物联网设备多为
电池供电，对于功耗较为敏感，zigbee、wifi、蓝牙、nb-iot技术不能较好的满足无线设备的低功耗需求；且这些技术的工作
频率是2.4GHz，穿透能
力较弱，在城市环境中，很难传输较远的距离；此外，WiFi、蓝牙、Zigbee技术的组网很难达到较大范围的规模，一个网络中不能
覆盖较大的面积接入较多的设备。
[0003] LoRa技术即长距离通信技术，LoRaWAN是一个开放标准，它定义了基于LoRa芯片的LPWAN技术的通信协议，LoRa技术具有低成本、远距离通信的、功耗低等优点，随着物联网技术的发展，基于LoRa技术的物联网网关越来越多，但业内大多LoRaWAN网关同一个产品不能够实现较多的频段规范，兼容性较差，当遇到一些网络不适合铺设的地方，业内大多LoRaWAN网关回传数据十分不方便。
[0004] 例如，一种在中国
专利文献上公开的“LORAWAN网关及其控制方法”，其公告号CN108173752A，包括处理器、第一LORA模
块、第二LORA模块、双工器、天线模块、存储模块和远程通信模块，处理器分别与第一LORA模块、第二LORA模块、存储模块和远程通信模块连接，双工器分别与第一LORA模块、第二LORA模块和天线模块连接，该LORAWAN网关虽然可同时进行无线射频数据的收和发，达到全双工的效果，增加了网络容量，但兼容性较差，不能兼容更多地区的不同频段标准，且网关回传方式不能兼容LTE、以太网方式，在一些网络不方便铺设的地方回传数据较为不便。
发明内容
[0005] 本实用新型是为了克服
现有技术中物联网网关兼容性较差的问题，提供一种470-480MHz基于LoRa的LTE物联网网关，使得网关回传方式能够兼容LTE和以太网方式，在一些网络不方便铺设的地方可使用LTE回传数据，更高性能的射频
电路提高了LoRa
信号带宽，即增加了网关
硬件的通信带宽，使用同一个产品可以实现较多的频段规范，兼容性强。
[0006] 为了实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：
[0007] 一种470-480MHz基于LoRa的LTE物联网网关，包括供电系统、天线、LoRa射频单元、中央处理单元、以太网单元和LTE无线通讯单元，所述天线通过LoRa射频单元与中央处理单元连接，所述中央处理单元分别通过以太网单元和LTE无线通讯单元与
服务器连接，所述中央处理单元还和定时、授时单元、声光报警系统、时钟单元、系统监控单元及
传感器单元相连，所述供电系统为网关供电。
[0008] 本实用新型高效整合了众多功能模块，使得网关回传方式能够兼容LTE、以太网方式，在一些网络不方便铺设的地方可通过LTE无线通讯单元与服务器之间回传数据，且增加了网关硬件的通信带宽，使用同一个产品可以实现较多的频段规范，兼容性强。本网关使用外部AC-DC电源，能够完美解决了不同地区的不同市电的问题，可以根据不同的国家、地区使用不同的外部交流直流转换电源，而不用改变网关本身的电路，降低的研发、生产成本，提高的网关的安全性。
[0009] 网关的
定位系统采用的是GPS、GLONASS，可为网关提供精确的定位和授时，网关内置
温度、
湿度传感器，可实时监控网关内部工作情况，且网关内部时钟单元有备份电源电池，使得本网关的可靠性和
稳定性提高。
[0010] 作为优选，所述LTE无线通讯单元包括LTE电源模块和LTE无线通讯模块U2A。
[0011] 作为优选，所述LTE电源模块包括电源芯片U3、电容C22、电容C23、电容C24、电容C25、电容C26、电容C27、电容C28、电容C29、
二极管D3、
电阻R14、电阻R21、电阻R23、电阻R24和电感L6，所述电源芯片U3上的VIN引脚既与供电系统的DCIN 12V端直接相连，又分别通过电容C22和电容C23后接地，所述电源芯片U3上的EN引脚既通过电阻R24后接地，又通过电阻R23与中央处理单元的信号端USB0 DRVVBUS端相连，所述电源芯片U3上的SW引脚通过电感L6与电源输入端VDD 3.8端相连，所述SW引脚和接地端之间分别接有电容C28、二极管D3、电容C25、电容C29、电容C26和电容C27的并联电路，所述电容C25的正极和电阻R14的
串联电路接地，电阻R21和电阻R14的连接点与电源芯片U3的FB引脚相连，所述二极管D3的负极通过电容C24与电源芯片U3的BOOT引脚相连，所述电容C27两端分别连接
电压VDD1端和GND1端。由于LTE无线通讯单元的电源需要稳定，能输出2.75A
电流，所以选择的是LM22676芯片，DCDC具有使能引脚，引出由CPU来控制4G的电源，在不使用的时候可以关闭电源以省电，在
软件复位模块或者模块工作异常时可以通过断电进行断电硬重启，所述电源模块的走线使用的是3A的走线，保证输出电源不会在线路中有较多的损耗。
[0012] 作为优选，所述的LTE无线通讯模块U2A设有天线
接口、USIM卡接口、USB接口、
开关机接口、复位接口、电源接口和休眠接口。
[0013] 作为优选, 所述天线接口包括LTE无线通讯模块U2A的MAIN_ANT接口和AUX_ANT接口，所述天线接口包括LTE无线通讯模块U2A的MAIN_ANT接口和AUX_ANT接口，所述MAIN_ANT接口通过电容C8和电容C9后与天线ANT1的1引脚相连，所述电容C8与电容C9的连接点经电感L1接地，天线ANT1的1引脚分别经电感L2和低结电容TVS1接地，所述天线ANT1的1引脚、2引脚、3引脚、4引脚和5引脚均接地；所述AUX_ANT接口通过电容C16和电容C17后与天线ANT2的1引脚相连，所述电容C16与电容C17的连接点经电感L4接地，天线ANT2的1引脚之间分别经电感L5和低结电容TVS2接地，所述天线ANT2的5个引脚中1引脚、2引脚、3引脚、4引脚和5引脚均接地。所述的天线接口支持天线分集功能，天线走线短，在接天线的时候预留了匹配网络，同时在天线接口处预留了低结电容的TVS，保护模块免受静电的影响。
[0014] 作为优选，所述开关机接口包括LTE无线通讯模块U2A的POWER_ON_OFF引脚，所述POWER_ON_OFF引脚既通过电容C6后接地，又与
三极管Q1的集
电极连接，所述三极管Q1的基极通过电阻R5与中央处理单元的POWER ON 4G1端相连，三极管Q1的发射极直接接地；所述复位接口为LTE无线通讯模块U2A的RESIN_N引脚，RESIN_N引脚既通过电容C7后接地，又与三极管Q2的集电极连接，所述三极管Q2的基极通过电阻R6与中央处理单元的RESIN 4G1端相连，三极管Q2的发射极直接接地。LTE无线通讯模块的开关机引脚和复位引脚内部上拉，但是由于主控CPU的IO电平为3.3V，和ME909S-821引脚逻辑电平1.8V不同，所以需要一个三极管来转换，同时RESERT引脚比较敏感，所以在相应的引脚旁边并联了电容，可用于信号过滤。
[0015] 作为优选，所述USB接口包括LTE无线通讯模块U2A的USB_DM引脚和USB_DP引脚，所述USB_DM引脚通过电阻R7与中央处理单元的信号端USB0 D0 N端相连，所述电阻R7通过电容C10后接地，所述USB_DP引脚既通过电容C11与USB_DM引脚相连，又通过电阻R8与中央处理单元的信号端USB D0 P端相连，所述电阻R8通过电容C12后接地。所述网关支持USB功能，输入输出兼容USB2.0接口规范。
[0016] 作为优选，所述电源接口包括LTE无线通讯模块U2A的两个VBAT引脚，两个VBAT引脚互相直接相连，VBAT引脚中通过电感L3与电源输入端VDD 3.8端相连，VBAT引脚和接地端之间接有电容C13、电容C14、电容C15、电容C18、电容C19和电容C20的并联电路；所述休眠接口包括LTE无线通讯模块U2A的WAKEUP_IN引脚和VCC_EXTI引脚，所述VCC_EXTI引脚既通过电阻R10与三极管Q3的集电极相连，又与VCC1.8端直接相连，所述三极管Q3的发射极既通过电容C21与WAKEUP_IN引脚相连，又与接地端连接，所述三极管Q3的基极通过电阻R11与中央处理单元的WAKEUP IN TO MODULE1端相连。所述网关的电源接口电路设计解决了当瞬态电流不稳定时可能导致模块异常的问题。
[0017] 作为优选，所述LoRa射频单元包括基带芯片，发送数据
频率范围为470MHz-510MHz，接收数据频率范围为470-480MHz，带宽10MHz，支持配置上下行数据同频及异频。相比于传统技术仅支持同频或异频中的一种，本实用新型同时支持同频及异频的实现。
[0018] 作为优选，所述USIM卡接口通过LGA接口将USIM卡相关信号引到外部。
[0019] 本实用新型的有益效果是：
[0020] （1）网关回传方式兼容LTE、以太网方式，在一些网络不方便铺设的地方可使用LTE无线通讯单元回传数据，增加了网关硬件的通信带宽，使得网关可以兼容更多的标准，增加了网关的兼容性；（2）网关使用的是外部直流供电，完美解决了不同地区的不同市电的参数问题，可以根据不同的国家、地区使用不同的外部交流直流转换电源，而不用改变网关本身的电路，提高了网关的兼容性，同时将市电与网关分开有增加网关的安全性。
附图说明
[0021] 图1是本实用新型的一种电路原理连接结构
框图。
[0022] 图2是本实用新型LTE无线通讯单元中LTE电源模块的一种电路原理图。
[0023] 图3是本实用新型LTE无线通讯单元中LTE无线通讯模块的一种电路原理图。
[0024] 图4是本实用新型LTE无线通讯单元中天线接口MAIN_ANT接口的一种电路原理图。
[0025] 图5是本实用新型LTE无线通讯单元中天线接口AUX_ANT接口的一种电路原理图。
[0026] 图6是本实用新型中中央处理单元与LTE无线通讯单元的一种电气连接图。
[0027] 图中1.供电系统，2.天线，3.LoRa射频单元，4.中央处理单元，5.以太网单元， 6.LTE无线通讯单元，7.服务器，8.定时、授时单元，9.声光报警系统，10.时钟单元，11.系统监控单元，12.传感器单元。
具体实施方式
[0028] 下面通过
实施例，并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步具体的说明。
[0029] 实施例：本实施例的一种470-480MHz基于LoRa的LTE物联网网关，如图1所示，包括供电系统1、天线2、LoRa射频单元3、中央处理单元4、以太网单元5和LTE无线通讯单元6，天线2通过LoRa射频单元3与中央处理单元4连接，中央处理单元4分别通过以太网单元5和LTE无线通讯单元6与服务器7连接，供电系统1包括外部AC-DC电源，为网关供电。中央处理单元4还和定时授时单元8、声光报警系统9、时钟单元10、系统监控单元11及传感器单元12相连。
[0030] LTE无线通讯单元包括LTE电源模块和LTE无线通讯模块U2A。如图2所示，LTE无线通讯单元中的LTE电源模块包括电源芯片U3，电源芯片U3采用LM22676芯片，还包括电容C22、电容C23、电容C24、电容C25、电容C26、电容C27、电容C28、电容C29、二极管D3、电阻R14、电阻R21、电阻R23、电阻R24和电感L6， LM22676芯片上的VIN引脚既与供电系统的DCIN 12V端直接相连，又分别通过电容C22和电容C23后接地， LM22676芯片上的EN引脚既通过电阻R24后接地，又通过电阻R23与中央处理单元的信号端USB0 DRVVBUS端相连， LM22676芯片上的SW引脚通过电感L6与电源输入端VDD3.8端相连， SW引脚和接地端之间分别接有电容C28、二极管D3、电容C25、电容C29、电容C26、电容C27的并联电路，电容C25的正极和电阻R14的串联电路接地，电阻R21和电阻R14的连接点与电源芯片U3的FB引脚相连，二极管D3的负极通过电容C24与LM22676芯片上的BOOT引脚相连，电容C27两端分别连接电压VDD1端和GND1端。
[0031] 如图3、图4、图5和图6所示，LTE无线通讯单元中的LTE无线通讯模块U2A设有天线接口、USIM卡接口、USB接口、开关机接口、复位接口、电源接口和休眠接口。LTE无线通讯模块U2A采用ME909S-821芯片。
[0032] 天线接口包括MAIN_ANT接口和AUX_ANT接口，即无线通讯模块U2A的107脚和115脚，如图4所示，MAIN_ANT接口通过电容C8和电容C9后与天线ANT1的1引脚相连，电容C8与电容C9的连接点经电感L1接地，天线ANT1的1引脚经电感L2和低结电容TVS1接地，天线ANT1的1引脚、2引脚、3引脚、4引脚和5引脚均接地；如图5所示，AUX_ANT接口通过电容C16和电容C17后与天线ANT2的1引脚相连，电容C16与电容C17的连接点经电感L4接地，天线ANT2的1引脚之间分别经电感L5和低结电容TVS2接地，天线ANT2的5个引脚中1引脚、2引脚、3引脚、4引脚和5引脚均接地。本实用新型支持天线分集功能，天线走线短，在接天线的时候预留了匹配网络，同时在天线接口处预留了低结电容的TVS，保护模块免受静电的影响。
[0033] 开关机接口包括POWER_ON_OFF引脚，即LTE无线通讯模块U2A的81脚， POWER_ON_OFF引脚既通过电容C6后接地，又与三极管Q1的集电极连接，三极管Q1的基极通过电阻R5与中央处理单元的POWER ON 4G1端相连，三极管Q1的发射极直接接地；复位接口为LTE无线通讯模块U2A的RESIN_N引脚，即无线通讯模块U2A的100引脚，RESIN_N引脚既通过电容C7后接地，又与三极管Q2的集电极连接，三极管Q2的基极通过电阻R6与中央处理单元的RESIN 4G1端相连，三极管Q2的发射极直接接地。 LTE无线通讯模块的开关机引脚和复位引脚内部上拉，但是由于中央处理单元CPU的IO电平为3.3V和ME909S-821引脚逻辑电平1.8V不同，所以需要一个三极管来转换，同时RESERT引脚比较敏感，所以在相应的引脚旁边并联了电容用于信号过滤。
[0034] USB接口包括LTE无线通讯模块U2A的USB_DM引脚和USB_DP引脚，即无线通讯模块U2A的85脚和86脚，USB_DM引脚通过电阻R7与中央处理单元的信号端USB0 D0 N端相连，电阻R7通过电容C10后接地，USB_DP引脚既通过电容C11与USB_DM引脚相连，又通过电阻R8与中央处理单元的信号端USB D0 P端相连，电阻R8通过电容C12后接地。VBAT电源直接给USB接口供电，USB输入输出兼容USB2.0接口规范，USB_DM引脚和USB_DP引脚需要做成差分，并且控制阻抗在90Ω，差分线需要在layout的时候尽量在短，同时预留了用于滤波差模干扰的电容C10和电容电容C12，电容C11用来滤除共模干扰，电阻R7、电阻R8用来预留调试使用。USB信号线有较多的要求，需要在layout时尽量短，晶体、晶振、时钟电路和电磁原件避免靠近板边，控制核心，防止核心部件装填转换中产生高频的脉冲对USB信号产生影响。
[0035] 电源接口包括LTE无线通讯模块U2A的两个VBAT引脚，即LTE无线通讯模块U2A的12脚和13脚，两个VBAT引脚互相直接相连，VBAT引脚通过电感L3与电源输入端VDD3.8端相连，VBAT引脚和接地端之间接有电容C13、电容C14、电容C15、电容C18、电容C19和电容C20的并联电路；休眠接口包括LTE无线通讯模块U2A的WAKEUP_IN引脚和VCC_EXTI引脚，即无线通讯模块U2A的11脚和32脚，VCC_EXTI引脚既通过电阻R10与三极管Q3的集电极相连，又与VCC1.8端直接相连，三极管Q3的发射极既通过电容C21与WAKEUP_IN引脚相连，又与接地端连接，三极管Q3的基极通过电阻R11与中央处理单元的WAKEUP IN TO MODULE1端相连。USIM卡接口，即无线通讯模块U2A的90脚、89脚、88脚和34脚，通过LGA接口将USIM卡相关信号引到外部。LTE无线通讯模块正常工作时通过VBAT引脚，电压输入范围是3.2-4.2V，典型值是3.8V，模块有2个VBAT引脚，2个都需要来连接，当模块工作在2G模式的时候，并且以最大功能率阐述数据的时候，瞬态电流可能会因网络环境差异达到最大值2.75A，如果电源在此种状态下不稳定可能导致模块异常，所以电源需要使用大于3A的LDO调节器或
开关电源，同时在VBAT引脚并联至少5颗220uF的电容，本实施例中使用松下的
聚合物电容，总容量达到了
940uF，同时松下的聚合物电容在ESR更小，
工作温度范围更广寿命更长，同时在电源的入口处加了
磁珠，可以很好的将模块与主电源隔离。
[0036] 本实施例中，供电系统为网关提供高效、稳定的
能源，网关通过天线采集接收数据传到LoRa射频单元，LoRa射频单元接收数据包后传至中央处理单元，中央处理单元判断网络环境后选择数据回传方式，当网络不适合铺设的时候，中央处理单元将通过LTE无线通讯单元与服务器之间回传数据，中央处理单元通过内部的传感器单元实现对网关内部工作情况的实时监控。LoRa射频单元采用了LoRa的基带，同一时刻可以接收8个LoRa数据包，工作在TDD模式，最高可达-139dBm的接收灵敏度,极大的增加了网关的通信吞吐量。LoRa使用了跳频扩频技术，灵敏度较高，很小的功率就可以实现远距离的数据传输，与Wifi、Zigbee、蓝牙等技术在功耗和通讯距离上有了较大的提升。
