CN105813099A - 基于LoRa自组网的户外无线通信系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种基于LoRa自组网的户外无线通信系统，用于解决现有户外无线通信系统存在的恶劣环境移动网络信号差、传输距离近和无信息共享的交互界面的技术问题，包括中央处理器、定位模块、蓝牙模块、外围设备接口、电源模块、LoRa通信模块和手机APP终端；中央处理器分别与定位模块、蓝牙模块、外围设备接口、电源模块和LoRa通信模块连接；LoRa通信模块与其他系统LoRa通信模块构建无线Mesh网络，通过CSMA/CA协议和AODV路由算法进行可靠的数据通信；手机APP终端与蓝牙模块通过蓝牙进行数据交换。本发明通信无需移动网络，传输距离远，具有信息共享的交互界面，可应用于车联网和物联网等领域。

Description

基于LoRa自组网的户外无线通信系统
技术领域
本发明属于无线通信领域，涉及一种户外无线通信系统，具体涉及一种基于LoRa自组网的户外无线通信系统，可广泛用于车联网和物联网等领域。
背景技术
在车联网和物联网等领域中，经常会出现户外活动情况，而户外活动过程中的位置共享、信息传递、路径跟踪、人员管理等显得尤为重要。传统的解决方式大多采用喊叫、对讲机等方式，但是喊叫方式受到距离限制，远距离情况无法解决，而且对人的体力消耗也较大；对讲机方式只能实现近距离半双工通信，而且不能确定队友的位置信息、行走路径等信息。
目前的户外无线通信系统一般采用三种方式进行数据通信，其中，第一种方式利用GPRS/CDMA/3G/4G移动通信方式，例如：中国专利申请，授权公告号CN103439931B，名称为“一种电动汽车与电网实时信息交互系统”的发明专利，公开了一种电动汽车与电网实时信息交互系统，本发明采用GPRS/CDMA/3G无线通信方式实现与实时信息交互及监护管理中心的前置通信服务器通信，但是一些户外活动环境信号比较差，GPRS/CDMA/3G/4G这些无线通信方式将造成信息的无法发送和接收，特别是紧急状况下，将造成不可预想的后果，除此之外，GPRS/CDMA/3G/4G这些无线通信方式结构复杂、成本较高、功耗较大；第二种方式采用ZigBee无线通信模块进行各系统之间的数据通信，例如：刘源，闫斌，李智等于2016年在《传感器与微系统》第35卷第2期，发表的题为“基于WSNs的语音通信机制设计与实现”的文章，该文设计和实现了一种基于WSNs的语音通信机制，采用具有CC2530无线收发平台的ZigBee无线通信模块作为语音的无线传输，虽然采用分布式的ZigBee网状拓扑结构可以实现信息共享和距离扩展，但其传输距离还是非常有限的，郊区视距只能在1千米左右，而且没有信息共享的交互界面。第三种方式采用LoRa通信模块，例如：付河，罗婉霞于2015年在《照明工程学报》第26卷第5期，发表的题为“基于SX1276的新能源LED路灯无线控制器”的文章，介绍了一种新能源LED路灯无线控制器的设计方法，采用具有SX1276芯片的LoRa通信模块进行RF无线通信，实现了新能源LED路灯故障信息和异常状态的报告，与第二种方式相比，其传输距离市区可达3千米左右，虽然距离上有所扩展，但是系统之间不能直接地进行信息共享，只能通过中心节点进行集中式管理，而且没有信息共享的交互界面。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提出了一种基于LoRa自组网的户外无线通信系统，用于解决现有户外无线通信系统存在的恶劣环境移动网络信号差、传输距离近和无信息共享的交互界面的技术问题。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种基于LoRa自组网的户外无线通信系统，包括：中央处理器和与其相连的定位模块、蓝牙模块、外围设备接口和电源模块，电源模块用于给中央处理器、定位模块和蓝牙模块供电；还包括LoRa通信模块和手机APP终端，其中LoRa通信模块与中央处理器相连接，并与其他系统的LoRa通信模块通过自组网连接，用于实现系统之间的数据通信；手机APP终端与蓝牙模块通过蓝牙连接，用于实现数据交换。
上述基于LoRa自组网的户外无线通信系统，蓝牙模块，集成有低功耗蓝牙芯片和蓝牙天线，用于接收本系统手机APP终端发出的消息，并通过无线通信方式将其他系统传来的数据和本系统定位模块的定位信息发送给本系统手机APP终端。
上述基于LoRa自组网的户外无线通信系统，电源模块，包括可充电电池、充电芯片和供电接口。
上述基于LoRa自组网的户外无线通信系统，LoRa通信模块，集成有低功耗射频芯片和天线，用于接收其他系统的LoRa通信模块传来的数据，并通过无线通信方式将本系统定位模块的定位信息和本系统手机APP终端的消息发送给其他系统的LoRa通信模块。
上述基于LoRa自组网的户外无线通信系统，LoRa通信模块，采用自组网方式构建无线Mesh网络，通过CSMA/CA协议和AODV路由算法与其他系统LoRa通信模块进行可靠的数据通信。
上述基于LoRa自组网的户外无线通信系统，手机APP终端，用于实现无线Mesh网络中各系统之间的实时通信服务、好友管理和地图服务。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1)本发明中由于系统之间的通信采用LoRa通信模块，集成有低功耗射频芯片，与现有技术中采用的GPRS/CDMA/3G无线通信模块相比，无需移动网络便可实现通信，解决了恶劣环境移动网络信号差的问题，而且结构简单、生产成本低、功耗低。
2)本发明由于系统之间的通信采用LoRa通信模块，与现有技术中ZigBee无线通信方式相比，有效地扩展了系统之间的传输距离。
3)本发明由于采用LoRa自组网方式构建无线Mesh网络，与现有技术中LoRa通信模块的集中式星型结构网络相比，在两个独立系统可通信距离范围内，各系统之间可以直接地实现互相通信和位置信息的共享，无需中间节点转发，而且无线Mesh网络的构建，更有效地扩展了传输距离。
4)本发明由于采用手机APP终端作为交互界面，与现有技术ZigBee无线通信方式和LoRa通信模块的集中式星型结构网络都无交互界面相比，能够更直观地实现无线Mesh网络中各系统之间的安全管理，短消息、语音等实时通信服务，地图显示、成员定位、轨迹跟踪等地图服务，可广泛应用到其他领域。
附图说明
图1是本发明中系统整体结构框图；
图2是本发明中LoRa通信模块发送和接收数据的结构框图；
图3是本发明中LoRa通信模块通信传输网络示意图；
图4是本发明中蓝牙模块发送和接收数据结构框图；
图5是本发明中手机APP终端功能结构框图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，对本发明的目的、技术方案和技术效果作进一步详细描述。
参照图1，本发明包括中央处理器、定位模块、蓝牙模块、外围设备接口、电源模块、LoRa通信模块和手机APP终端。中央处理器分别与定位模块、蓝牙模块、外围设备接口、电源模块和LoRa通信模块连接；电源模块用于给中央处理器、定位模块、蓝牙模块和LoRa通信模块供电；LoRa通信模块与其他系统的LoRa通信模块通过自组网连接；手机APP终端与蓝牙模块通过蓝牙连接。
主要模块间的工作流程是：用户于手机APP终端交互界面输入信息，然后通过蓝牙传送给本系统中的蓝牙模块，蓝牙模块将此信息传送给中央处理器处理，然后中央处理器将此信息和定位模块传来的定位信息经本系统LoRa通信模块直接传送给指定系统的LoRa通信模块，或者传送给路由节点的LoRa通信模块，经其转发最终到达指定系统的LoRa通信模块，最后再经此系统的中央处理器、蓝牙模块传递到达其手机APP终端交互界面来直观显示。
中央处理器选用STM32F107RCT6芯片，该处理器具有3个SPI、两个USART和一个USBOTGFS等通信接口。
定位模块选择NEO-6MGPS定位模块，集成有RF射频芯片、基带芯片和核心CPU，并加上相关外围电路而组成的一个集成电路，定位模块与中央处理器通过USART(通用异步收发器串口)相连，用于向中央处理器提供实时时钟数据和位置数据。
蓝牙模块包括低功耗蓝牙芯片和蓝牙天线，其中低功耗蓝牙芯片为CC254x系列芯片，低成本、低功耗，花费非常少的材料成本即可构建BLEMaster或SlaveNode，其与中央处理器通过USART(通用异步收发器串口)或USBOTGFS相连。
外围设备接口包括JTAG接口、USB串口、TTL串口、RS-232串口和普通I/O数据口。JTAG接口用于中央处理器的程序下载更新；USB串口不仅可以由外部电源对可充电锂电池充电，还可以用于中央处理器的程序下载更新；TTL串口、RS-232串口和普通I/O数据口为处理器扩展通信接口。
电源模块包括依次连接的可充电电池、充电芯片和外部供电接口。可充电电池选用可充电锂电池，分别和中央处理器、定位模块、LoRa通信模块和蓝牙模块相连，用于各模块的供电；充电芯片选用LTC4088，该芯片专为USB应用特别设计，其开关稳压器可通过逻辑控制自动将其输入电流限制为100mA、500mA或1A，用于对可充电锂电池的充电；外部供电接口选用USB供电接口，用于和外部电源相连。
LoRa通信模块包括低功耗射频芯片和天线，该LoRa射频芯片选用SX127x系列芯片，功耗低、传输距离远，待机功耗为约0.6uA，接收功耗约16mA，超长距离发射功耗约100mA，最大传输距离在郊区可达到15km，在市区可达到2～5km，频率范围为137MHz～1050MHz。
参照图2，是本发明中LoRa通信模块发送和接收数据的结构框图，其中LoRa通信模块的低功耗射频芯片发送时用于将中央处理器发来的数据转化为电磁波，接收时用于将电磁波转化为中央处理器可处理的数据；天线，其与射频芯片连接，用于将电磁波发送给其他系统中的LoRa通信模块的天线和接收其他系统中的LoRa通信模块的天线发出的电磁波。
LoRa通信模块的低功耗射频芯片与中央处理器通过SPI接口相连，用于接收和处理LoRa通信模块接收到的数据，也可经LoRa通信模块将处理之后的数据发送给其他系统中的LoRa通信模块。
参照图3，是本发明中LoRa通信模块通信传输网络示意图，每个LoRa模块可与多个LoRa模块进行数据的交换；各模块之间采用自组网方式构建无线Mesh网络，通过CSMA/CA协议和AODV路由算法与其他系统LoRa通信模块进行可靠的数据通信。
参照图4，是本发明中蓝牙模块发送和接收数据结构框图，其中蓝牙模块的低功耗蓝牙芯片发送时用于将中央处理器发来的数据转化为电磁波，接收时用于将电磁波转化为中央处理器可处理的数据；蓝牙天线，其与蓝牙芯片连接，用于将电磁波发送给本系统中的手机APP终端和接收本系统中的手机APP终端发出的电磁波。
每个蓝牙模块仅能与一个手机APP终端相连，实现一对一的数据交换。
参照图5，是本发明中手机APP终端功能结构框图，包括三大功能：群组通信、好友管理和地图服务。其中群组通信可以通过设置单播、广播或设置优先级等通信方式，用来实现实时通信服务(短消息、语音等)，好友管理可实现会话管理(加入好友、删除好友等)、好友信息获取(个人信息、消息记录等)，地图服务可实现地图显示、成员定位、运动轨迹等服务。
本发明说明书中未详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于LoRa自组网的户外无线通信系统，包括：中央处理器和与其相连的定位模块、蓝牙模块、外围设备接口和电源模块，所述电源模块用于给中央处理器、定位模块和蓝牙模块供电；其特征在于：还包括LoRa通信模块和手机APP终端，其中LoRa通信模块与中央处理器相连接，并与其他系统的LoRa通信模块通过自组网连接，用于实现系统之间的数据通信；所述手机APP终端与所述蓝牙模块通过蓝牙连接，用于实现数据交换。
2.根据权利要求1所述的基于LoRa自组网的户外无线通信系统，其特征在于，所述蓝牙模块，集成有低功耗蓝牙芯片和蓝牙天线，用于接收本系统手机APP终端发出的消息，并通过无线通信方式将其他系统传来的数据和本系统定位模块的定位信息发送给本系统手机APP终端。
3.根据权利要求1所述的基于LoRa自组网的户外无线通信系统，其特征在于，所述电源模块，包括可充电电池、充电芯片和供电接口。
4.根据权利要求1所述的基于LoRa自组网的户外无线通信系统，其特征在于，所述LoRa通信模块，集成有低功耗射频芯片和天线，用于接收其他系统的LoRa通信模块传来的数据，并通过无线通信方式将本系统定位模块的定位信息和本系统手机APP终端的消息发送给其他系统的LoRa通信模块。
5.根据权利要求1所述的基于LoRa自组网的户外无线通信系统，其特征在于，所述LoRa通信模块，采用自组网方式构建无线Mesh网络，通过CSMA/CA协议和AODV路由算法与其他系统LoRa通信模块进行可靠的数据通信。
6.根据权利要求1所述的基于LoRa自组网的户外无线通信系统，其特征在于，所述手机APP终端，用于实现无线Mesh网络中各系统之间的实时通信服务、好友管理和地图服务。
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