一种基于Cat.1和双ChirpIoT™模组的物联网网关的制作方法

本发明涉及物联网通信，具体涉及一种基于cat.1蜂窝通信与chirpiot™无线通信的物联网网关设备。

背景技术：

1、物联网网关作为连接终端设备与云端服务器的关键基础设施，其通信方案的选择直接关系到整个系统的可靠性、安全性和经济性。

2、目前，业内广泛采用的技术方案是通过cat.1通信模组实现网关与服务器之间的4g通信，通过lora模组实现网关与终端设备之间的低功耗广域网无线通信；lte cat.1凭借其成熟的4g网络覆盖和适中的功耗成本，已成为物联网中速蜂窝通信的主流选择，而lora则凭借其线性调频扩频（css）调制技术，在低功耗、远距离通信方面具有显著优势，然而这一看似成熟的技术组合在实际应用中暴露出诸多问题。

3、1.lora技术的底层核心专利、芯片设计和协议标准长期由美国semtech公司垄断，虽然近年来semtech通过ip授权方式允许部分国内企业生产lora产品，但授权生产本质上仍依赖国外核心技术，并非自主可控的技术，国内企业随时可能面临lora芯片被限制甚至禁运的风险，对于智慧城市、能源计量、市政管理等涉及国计民生的关键领域而言，这种对国外技术的依赖构成了不可忽视的系统性风险。

4、2.lora模块的成本一直是中低端市场普及的门槛之一，在智慧表计、智慧农业等对成本敏感的应用场景中，高昂的模组成本直接影响了项目的经济性和推广速度。

5、3.虽然lora的css调制技术在抗干扰方面优于传统fsk调制方式，但在复杂的城市电磁环境和工业现场中，其抗阻塞性能仍有不足。

6、综上所述，现有技术中急需一种不依赖国外核心芯片、成本更低、性能更优的cat.1物联网网关方案，以满足国内关键领域对自主可控、数据安全和供应链安全的需求。

技术实现思路

1、针对现有技术中lora方案受制于国外企业、存在供应链安全隐患、芯片成本较高以及抗干扰性能不足等问题，本发明提供一种基于cat.1和双chirpiot™模组的物联网网关。

2、该网关采用国产自主可控的chirpiot™无线通信芯片替代进口lora方案，通过cat.1通信模组实现与远程服务器的4g通信，并采用双chirpiot™模组一主一备的冗余设计，在保证通信可靠性的同时大幅降低了硬件成本，为物联网应用场景提供了一种安全可控、性能优良的基础设施解决方案。

3、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案。

4、一种基于cat.1和双chirpiot™模组的物联网网关包括电源模块、第一通信模块、控制模块、第一无线通信模块和第二无线通信模块。

5、电源模块为各用电单元提供工作电压，其具体包括第一电压输出端、第二电压输出端和第三电压输出端，第一电压输出端连接第一通信模块的电源输入端，为其提供3.8v工作电压；第二电压输出端分别连接控制模块、第一无线通信模块和第二无线通信模块的电源输入端，为其提供3.3v工作电压；第三电压输出端连接电平转换电路的电源输入端，为其提供1.8v工作电压；通过上述多路电压输出配置，电源模块能够同时满足网关内不同用电单元对不同电压等级的供电需求。

6、进一步地，第一通信模块用于与远程服务器进行数据交互，其采用cat.1通信模组，通过4g网络实现网关与服务器之间的上行数据传输和下行指令接收。

7、控制模块与第一通信模块连接，控制第一通信模块的工作状态并进行数据交互；具体地，控制模块监测第一通信模块的工作状态引脚，根据该引脚输出的电平信号判断第一通信模块是否正常开机运行，当检测到工作状态异常时控制模块对第一通信模块执行复位操作，当需要启动通信时控制模块通过开机使能引脚控制第一通信模块的开机。

8、更进一步地，控制模块与第一通信模块之间通过串行通信接口（uart）连接，实现数据包和心跳包的传输；此外，控制模块还监测第一通信模块在数据交互过程中的超时情况，当连续超时次数超过预设阈值时通过第一通信模块向服务器上报通信故障。

9、进一步地，第一无线通信模块和第二无线通信模块分别与控制模块连接，二者均用于与终端设备进行无线通信。

10、第一无线通信模块和第二无线通信模块均采用chirpiot™通信模组，各连接有一天线；chirpiot™是上海磐启微电子推出的具有自主知识产权的sub-1g远距离低功耗无线收发芯片，其采用优化的扩频调制机制，在灵敏度、通信距离、穿墙能力及抗干扰性能方面均具有优异表现。

11、控制模块与第一无线通信模块之间、控制模块与第二无线通信模块之间分别通过串行外设接口（spi）连接，实现控制指令的下发和终端数据的采集。

12、控制模块选择性地启用第一无线通信模块或第二无线通信模块与终端设备进行通信；在正常工作模式下，控制模块优先通过第一无线通信模块向终端设备发送数据或心跳包，当在预设超时时间内未收到终端设备的应答时控制模块自动切换至第二无线通信模块向该终端设备发送数据或心跳包，当第二无线通信模块同样在超时时间内未收到终端应答且连续超时次数超过预设阈值时控制模块标记该终端设备通信无效并通过第一通信模块上报服务器。

13、通过上述一主一备的双模组冗余设计，当主用无线通信模块出现故障或通信受阻时系统能够自动切换至备用无线通信模块继续工作，从而显著提高网关与终端设备之间通信的可靠性；此外，在终端设备数量较多的高负载场景下，两个chirpiot™模组也可同时工作，以大幅增加终端接入数量。

14、进一步地，本发明物联网网关还包括电平转换电路，连接于第一通信模块与控制模块之间。

15、由于第一通信模块（cat.1通信模组）的i/o接口电平为1.8v，而控制模块（mcu）的i/o接口电平为3.3v，二者之间存在电平差异，直接连接会导致信号无法正常识别甚至损坏器件；电平转换电路用于对第一通信模块与控制模块之间的信号电平进行双向相互转换，确保二者之间的串行通信接口、状态监测引脚、开机控制引脚及复位引脚等各路信号能够正常传输，保障网关内部通信的稳定可靠。

16、更进一步地，所述控制模块优选采用mcu（微控制器）实现，其负责整个网关的逻辑控制和状态管理，包括：控制第一通信模块的开机、关机和复位，监测第一通信模块的工作状态并与第一通信模块进行数据交互；控制第一无线通信模块和第二无线通信模块的选通与切换，监测各chirpiot™模组的工作状态并进行数据交互。

17、本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

18、1.本发明采用国产chirpiot™芯片替代进口lora方案，核心芯片具有完全自主知识产权，从根本上避免了对国外企业芯片的依赖，消除了断供、涨价、后门及数据泄漏等供应链安全隐患，满足了能源计量、市政管理、工业物联网等国计民生关键领域对自主可控和数据安全的需求。

19、2.chirpiot™芯片采用优化的扩频调制机制，在灵敏度、通信距离、穿墙能力及抗干扰与抗阻塞性能方面均优于lora方案，同时芯片成本更低，有效降低了物联网终端的大规模部署成本，有利于推动智慧表计、智慧农业等成本敏感型应用场景的普及推广。

20、3.本发明采用双chirpiot™模组一主一备的冗余设计，控制模块在主模组通信异常时自动切换至备用模组，提高了系统的通信可靠性；在终端数量较多时双模组可同时工作，扩展了终端接入容量，能够灵活适应不同规模物联网应用场景的部署需求。

21、综上所述，本发明为物联网领域提供了一种自主可控、安全可靠，且成本更低、性能更优的网关解决方案，有效解决了现有cat.1+lora方案在供应链安全、成本和性能方面的诸多不足。