CN106899647A - 一种长距无线的物联网系统及节点主发射和节点主接收方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及物联网技术领域，具体涉及一种长距无线的物联网系统，包括网关和若干与网关星型分布的节点，该网关与节点实现远距离的信息传输，该网关包括：长距无线射频单元，该长距无线射频单元包括编解码模块、扩频调制解调模块和天线；协处理器单元，该协处理器单元与长距无线射频单元连接，该协处理器单元用于接收由长距无线射频单元传输来的传感信息并进行解析和处理。还涉及一种基于长距无线物联网系统的节点主发射方法。还涉及一种基于长距无线物联网系统的节点主接收方法。本发明通过设计一种长距无线的物联网系统，网关与设置在周围的节点实现远距离的信息传输，提高节点与网关的设置距离，适应需要更远传输距离的物联网应用。
Description
技术领域
本发明涉及物联网技术领域，具体涉及一种长距无线的物联网系统及节点主发射和节点主接收方法。
背景技术
物联网是新一代信息技术的重要组成部分，也是“信息化”时代的重要发展阶段，物联网利用局部网络或互联网等通信技术把传感器、控制器、机器、人员和物等通过新的方式联在一起，形成人与物、物与物相联，实现信息化、远程管理控制和智能化的网络。
在当前物联网解决方案的无线传感网层面，Zigbee和蓝牙是目前市场上使用的主流技术，这两项技术应用广泛，但是它们有一个共同的缺点，即传输距离过短；Zigbee实际应用传输距离只有几十米，而蓝牙也只有十几米。
这种固有的缺点，让Zigbee和蓝牙都无法适应需要更远传输距离的物联网应用，比如智慧大楼、智慧社区和智慧城市等。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种长距无线的物联网系统，解决现有无线传输距离短的问题。
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种基于长距无线物联网系统的节点主发射方法，提高数据传输的效率。
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种基于长距无线物联网系统的节点主接受方法，降低节点的功耗。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种长距无线的物联网系统，包括网关和若干与网关星型分布的节点，该网关与节点实现远距离的信息传输，该网关包括：
长距无线射频单元，该长距无线射频单元包括编解码模块、扩频调制解调模块和天线，该长距无线射频单元依次通过编解码模块、扩频调制解调模块和天线将控制信息发送到节点上，以及该长距无线射频单元依次通过天线、扩频调制解调模块和编解码模块接收由节点传输来的传感信息；
协处理器单元，该协处理器单元与长距无线射频单元连接，该协处理器单元用于接收由长距无线射频单元传输来的传感信息并进行解析和处理，以及该协处理器单元根据实际需求将控制信息发送到长距无线射频单元上。
其中，较佳方案是：该长距无线射频单元还包括若干通信频点和与通信频点连接的多路复用模块，该长距无线射频单元通过若干通信频点和多路复用模块与若干节点连接，该长距无线射频单元与若干节点实现多路同时传输。
其中，较佳方案是：该长距无线射频单元还包括功率放大器，该长距无线射频单元依次通过编解码模块、扩频调制解调模块、功率放大器、多路复用模块和天线将控制信息发送到节点上。
其中，较佳方案是：该长距无线射频单元还包括滤波器和低噪放大器，该长距无线射频单元依次通过天线、多路复用模块、滤波器、低噪放大器、扩频调制解调模块和编解码模块接收由节点传输来的传感信息。
其中，较佳方案是：该网关还包括主处理器单元，该主处理器单元与互联网连接，该主处理器单元将用于接收由协处理器单元传输来的传感信息并将其封装在一IP信息包中，该主处理器单元将IP信息包传输到互联网中。
其中，较佳方案是：该主处理器单元包括一无线连接模块，该主处理器单元通过无线连接模块与外部终端连接。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种基于长距无线物联网系统的节点主发射方法，该长距无线射频单元处于接收状态，该节点处于睡眠状态，该节点主发射方法包括步骤：
该节点受到刺激中断睡眠并唤醒；
该节点发送传感信息到长距无线射频单元中；
该长距无线射频单元接收到传感信息后发送一确认信息到节点中，完成节点主发射操作，该节点接收到确认信息并进入睡眠状态。
其中，较佳方案是：该节点在发送传感信息前，该节点检测长距无线射频单元的通信频点的通信信道是否被占用，若通信信道为空闲状态，该节点发送传感信息到长距无线射频单元中。
其中，较佳方案是：该节点在发送传感信息前，该节点检测长距无线射频单元的通信频点的通信信道是否被占用，若通信信道为占用状态，该节点将传感信息进入回退时间以避免传输冲突。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种基于长距无线物联网系统的节点主接收方法，该长距无线射频单元处于接收状态，该节点处于睡眠状态和唤醒状态的交替过程中，该节点主接收方法包括步骤：
该长距无线射频单元发送前导码到节点中，该节点的相邻两个唤醒状态都接收到同一前导码，该节点进入接收状态；
该长距无线射频单元发送控制信息到节点中；
该节点接收到控制信息后发送一确认信息到长距无线射频单元中，完成节点主接收操作，该节点再次进入睡眠状态和唤醒状态的交替过程中。
其中，较佳方案是：在长距无线射频单元发送控制信息到节点前，还包括步骤：
该长距无线射频单元进入通道可用状态性探测；
若通信信道处于空闲状态，该长距无线射频单元发送控制信息到节点中。
其中，较佳方案是：若通信信道处于忙碌状态，该协处理器单元将控制信息退回，等下一下个发送时间。
其中，较佳方案是：该通道可用状态性探测的方式是：检测通信信道中无线信号的能量和质量。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明通过设计一种长距无线的物联网系统，网关与设置在周围的节点实现远距离的信息传输，提高节点与网关的设置距离，适应需要更远传输距离的物联网应用；同时，通过设计长距无线射频单元与节点的传输方式，提高两者间数据传输的效率，避免传输冲突，并且降低节点的功耗。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明长距无线的物联网系统的结构框图；
图2是本发明长距无线的物联网系统的结构示意图；
图3是本发明长距无线射频单元的结构框图；
图4是本发明长距无线射频单元的具体结构框图；
图5是本发明带有处理器单元的长距无线的物联网系统的结构框图；
图6是本发明带有处理器单元的网关的结构框图；
图7是本发明节点主发射方法的示意图；
图8是本发明节点主发射方法的流程图；
图9是本发明节点主接收方法的示意图；
图10是本发明节点主接收方法的流程图。
具体实施方式
现结合附图，对本发明的较佳实施例作详细说明。
如图1和图2所示，本发明提供一种长距无线物联网系统的优选实施例。
一种长距无线的物联网系统，包括网关20和若干与网关20星型分布的节点10，网关20与节点10的分布方式参考图2，网关20与节点10实现远距离的信息传输，通过分布在网关20周围的节点10实现如智慧大楼、智慧社区和智慧城市等物联网系统。
其中，网关20包括长距无线射频单元22和协处理器单元21，长距无线射频单元22包括编解码模块221、扩频调制解调模块222和天线223，长距无线射频单元22依次通过编解码模块221、扩频调制解调模块222和天线223将控制信息发送到节点10上，同时，长距无线射频单元22依次通过天线223、扩频调制解调模块222和编解码模块221接收由节点10传输来的传感信息；协处理器单元21与长距无线射频单元22连接，优选通过SPI总线实现连接，协处理器单元21用于接收由长距无线射频单元22传输来的传感信息并进行解析和处理，同时，该协处理器单元21根据实际需求将控制信息发送到长距无线射频单元22上。
根据编解码模块221和扩频调制解调模块222，长距无线射频单元22优选采用纠错编解码技术和扩频调制解调技术，使长距无线射频单元22的无线接收灵敏度大大提高，长距无线网络覆盖距离能达到50米至10公里，同时，一个网关20可管理的节点10数能达到50000个。其中，编解码模块221优选为前向纠错编解码模块221。
同时，节点10接收到控制信息，对控制信号进行解调、解码，获得控制指令，节点10根据控制指令进行相关操作，如检测该范围内相应的环境信息，如检查节点10自身是否有损坏、剩余电量等；节点10传输的传感信息前，对传感信息进行调制、编码，获得可用于远距离传输的数据包。
在本实施例中，传感信息是指节点10对其周围范围内检测到相关的环境信息或者其他节点10可以检测到的信息，传感信息一般通过传感数据包进行传输；控制信息是指用户或长距无线物联网系统本身设置的控制指令，用于控制节点10进行相应操作，控制信息一般通过控制数据包进行传输。
如图3和图4所示，本发明提供一种长距无线射频单元的较佳实施例。
长距无线射频单元22包括若干通信频点224和与通信频点224连接的多路复用模块225，通信频点224和多路复用模块225设置在扩频调制解调模块222和天线223之间，通信频点224包括若干频点，本实施例优选设置8个频点，如433MHz/868MHz/915MHz频段等，能满足国际以及中国需求的标准ISM频段，标准ISM频段无须经过授权即可使用，便于的在全球进行本发明的相关部署；若干通信频点224通过多路复用模块225实现同时同步通信，大大提高了网络吞吐率。
具体地，在控制信息传输过程中，长距无线射频单元22还包括功率放大器226，长距无线射频单元22依次通过编解码模块221、扩频调制解调模块222、功率放大器226、多路复用模块225和天线223将控制信息发送到节点10上；在传感信息传输过程中，长距无线射频单元22还包括滤波器227和低噪放大器228，长距无线射频单元22依次通过天线223、多路复用模块225、滤波器227、低噪放大器228、扩频调制解调模块222和编解码模块221接收由节点10传输来的传感信息。
其中，协处理器单元21将控制信息发送到编解码模块221进行编码，再发送到扩频调制解调模块222进行调制，形成射频信号，再发送到功率放大器226中进行功率方法，再通过空闲的通信频点224及与多路复用模块225配合，通过天线223发送到节点10中；传感信息通过天线223接收，再发送到滤波器227进行滤波，再发送送到低噪放大器228进行降噪放大，再发送到扩频调制解调模块222进行解调，形成基带信号，在发送到编解码模块221进行解码，再发送到协处理器单元21中。
如图5和图6所示，本发明提供一种带有主处理器单元的长距无线物联网系统的较佳实施例。
网关20还包括主处理器单元23，主处理器单元23与协处理器单元21连接，优选通过SPI总线连接。主处理器单元23将控制信号进行解析和处理后，发送到协处理器单元21中，同时，协处理器单元21将传感信号进行解析和处理后，发送到主处理器单元23中。
同时，网关20还包括若干与主处理器单元23连接的功能模块，功能模块包括存储模块27、以太网模块26和无线连接模块，无线连接模块包括WIFI模块24和3G/4G模块25，存储模块27包括Flash、DDR2/DDR3DRAM、EEPROM、TF卡等存储器，以太网模块26包括速率为10M/100M/1000M的以太网模块26。
本实施例提供两种与外界连接的方案，具体如下：
方案一、
主处理器单元23可以通过WIFI模块24、3G/4G模块25以及以太网模块26的相应连接方式与互联网30连接，互联网30优选为云服务器或数据库，网关20利用星型连接模式与外围的节点10连接，节点10将传感信息传输到网关20中，网关20通过Wifi、3G/4G以及以太网的连接方式将传感信息传至互联网30，外部终端40可以在互联网30中获取相应的传感信息，其中，外部终端40包括手机、PC以及PAD等个人通信设备；同样，外部终端40可以通过互联网30发送相应的控制信息给网关20，网关20接收相应的控制信息后，传输给节点10。
方案二、
主处理器单元23可以通过WIFI模块24和3G/4G模块25的相应连接方式与外部终端40直接连接，此时，主处理器单元23可看作一个无线路由器。
其中，主处理器单元23将用于接收由协处理器单元21传输来的传感信息并将其封装在一IP信息包中，该主处理器单元23将IP信息包传输到互联网30中。
如图7和图8所示，本发明提供一种基于长距无线物联网系统的节点主发射方法的较佳实施例。
在节点10主发射前，长距无线射频单元22处于接收状态，该节点10处于睡眠状态。
节点10主发射方法包括步骤：
S01、节点10受到刺激中断睡眠并唤醒，刺激包括检测到异样情况，或者节点10本身设置的事件触发；
S02、节点10发送传感信息到长距无线射频单元22中；
S03、长距无线射频单元22接收到传感信息后发送一确认信息到节点10中，完成节点10主发射操作，该节点10接收到确认信息并进入睡眠状态。
参考图7，在相同时间段上，网关20与节点10的传输步骤如图7所示，图中的网关20是指长距无线射频单元22。第一段时间内，长距无线射频单元22处于接收状态，此时节点10受到刺激中断睡眠并唤醒，同时发送前导码到长距无线射频单元22中，让长距无线射频单元22准备接受信息；第二段时间内，节点10发送传感信息，而长距无线射频单元22接受传感信息；第三段时间内和第四段时间内，长距无线射频单元22接受完传感信息发送前导码以及确认信息到节点10，节点10接收对应的前导码以及确认信息；第五段时间内，节点10再次进入睡眠状态，长距无线射频单元22继续计入接收状态。
同时，节点10在发送传感信息前，节点10检测长距无线射频单元22的通信频点224的通信信道是否被占用，若通信信道为空闲状态，节点10发送传感信息到长距无线射频单元22中；节点10在发送传感信息前，节点10检测长距无线射频单元22的通信频点224的通信信道是否被占用，若通信信道为占用状态，节点10将传感信息进入回退时间以避免传输冲突。
进一步地，参考图8，长距无线射频单元22接收传感信息后，将传感信息发送到协处理器单元21，协处理器单元21根据预留的对应数据信息，解析传感信息是否正确，若错误丢弃该传感信息，若正确将传感信息发送到主处理器单元23；此时，长距无线射频单元22发射初始化，进入发射模式；协处理器单元21发送控制信息是否传送完毕，若传送完毕，长距无线射频单元22进入接收模式，若没有传送完毕，向主处理器单元23报告发射失败错误，重新发送控制信息。
如图9和图10所示，本发明提供一种基于长距无线物联网系统的节点主接收方法的较佳实施例。
在节点10主接收前，长距无线射频单元22处于接收状态，节点10处于睡眠状态和唤醒状态的交替过程中。
节点10主接收方法包括步骤：
S11、长距无线射频单元22发送前导码到节点10中，节点10的相邻两个唤醒状态都接收到同一前导码，节点10进入接收状态；
S12、长距无线射频单元22发送控制信息到节点10中；
S13、节点10接收到控制信息后发送一确认信息到长距无线射频单元22中，完成节点10主接收操作，节点10再次进入睡眠状态和唤醒状态的交替过程中。。
参考图9，在相同时间段上，网关20与节点10的传输步骤如图9所示，图中的网关20是指长距无线射频单元22。第一段时间内，节点10处于睡眠状态和唤醒状态的交替过程中，长距无线射频单元22处于接收状态；第二段时间内，长距无线射频单元22将要发送控制信息，即发送前导码到节点10中，节点10相邻两个唤醒状态都接收到同一前导码时，节点10进入唤醒接收状态；第三段时间内，长距无线射频单元22发送控制信息，而节点10接收控制信息；在第四和第五段时间内，节点10接收完毕控制信息并发送前导码到长距无线射频单元22中，同时发送确认信息到长距无线射频单元22中，长距无线射频单元22接收确认信息，完成本次传输操作。
其中，长距无线射频单元22发送前导码时间为T1，而节点10在一个睡眠状态和唤醒状态的时间为T2，若T1大于T2，唤醒节点10，进入接收状态。
进一步地，参考图10，主处理器单元23通过WIFI模块24或3G/4G模块25或以太网模块26收到云端控制指令，主处理器单元23将控制指令传输至协处理器单元21，协处理器单元21解析指令，且协处理器单元21进行无线发射初始化，长距无线射频单元22块进入通道可用性探测状态，长距无线射频单元22块检测通道CAD和RSSI；此时，长距无线协处理分析CAD和RSSI值，判断信道是否空闲，若不是空闲，协处理器单元21执行回退机制，等待一个随机时间，若是空闲，长距无线射频单元22块进入发射状态；同时，协处理器单元21判断数据是否发送完毕，若是，长距无线射频单元22块进入接收状态，若不是，协处理器单元21向主处理器单元23报告发射失败错误，并准备重新发射；同时，协处理器单元21判断是否收到节点10确认信息包，若是，长距无线射频单元22块进入接收状态，若不是，长距无线协处理向主处理器单元23报告发射失败错误，并准备重新发射。
在本发明中，星型网络内的各个节点10和网关20收发数据时，在一个数据包处理和传送的时间周期内，称为Time on air，这段时间内有可能出现竞争的情况，即在这个Time on air内，可能有多个节点10正在发送数据，那么网关20在数据包处理的时间路径上就会出现冲突，这种冲突会导致数据传输误码而使网络丢失数据包，因此必须有一套机制来对这种冲突进行协调。
协调的基本原理是进行载波侦听，即网络内的所有无线节点10在进行数据发送之前都要先检测该通信信道是忙碌还是空闲，如果侦听到网络上有数据正在发送，则该节点10就不再发送信息，而是选择等待一个时间，然后进行发送；如果侦听到信道处于空闲状态，则开始发送信息或开始下一个包的传送。
载波侦听的基本方式是采用物理层载波检测，通过所检测到的通信信道中无线信号的能量和质量来进行判断，确定信道是空闲还是被占用。包括两个过程：通道活动性检测，如检测信号前导码，以及通道信号能量强度检测，如检测通道整个能量强度，包括外界干扰。
如果当节点10检测到信道已被占用，则数据发送必须等待一段时间，即需要进行回退以进行冲突避免，回退的基本时间单元根据包传送的Time OnAir内进行确定，并且在Time On Air的周期倍数时间内取定一个随机数，以最大程度避免冲突，
参考基于时隙的ALOHA防冲突算法，在检测到冲突时，发射节点10随机选择一个回退时间。执行回退算法前，先算出传输协议中包在空中的传输时间Ta(Time on air，假设默认值为100ms)，检测到冲突后，系统计算一个随机数N，N在1～5之间取随机数(N＝1，2，3，4，5)，随机回退时间＝N*Ta(根据默认设置，最小回退时间为100ms，最大回退时间为500ms)。
其中，节点10与网关20之间的通信协议，一是为节点10和网关20提供一个简单可靠的双向通信机制，二是根据应用场景实现节点10的低功耗应用，三是在安全性方面提供网络层加密(AES128)和物理层加密(AES128)。
以上所述者，仅为本发明最佳实施例而已，并非用于限制本发明的范围，凡依本发明申请专利范围所作的等效变化或修饰，皆为本发明所涵盖。
Claims (13)
1.一种长距无线的物联网系统，其特征在于，包括网关和若干与网关星型分布的节点，该网关与节点实现远距离的信息传输，该网关包括：
长距无线射频单元，该长距无线射频单元包括编解码模块、扩频调制解调模块和天线，该长距无线射频单元依次通过编解码模块、扩频调制解调模块和天线将控制信息发送到节点上，以及该长距无线射频单元依次通过天线、扩频调制解调模块和编解码模块接收由节点传输来的传感信息；
协处理器单元，该协处理器单元与长距无线射频单元连接，该协处理器单元用于接收由长距无线射频单元传输来的传感信息并进行解析和处理，以及该协处理器单元根据实际需求将控制信息发送到长距无线射频单元上。
2.根据权利要求1所述的物联网系统，其特征在于：该长距无线射频单元还包括若干通信频点和与通信频点连接的多路复用模块，该长距无线射频单元通过若干通信频点和多路复用模块与若干节点连接，该长距无线射频单元与若干节点实现多路同时传输。
3.根据权利要求3所述的物联网系统，其特征在于：该长距无线射频单元还包括功率放大器，该长距无线射频单元依次通过编解码模块、扩频调制解调模块、功率放大器、多路复用模块和天线将控制信息发送到节点上。
4.根据权利要求4所述的物联网系统，其特征在于：该长距无线射频单元还包括滤波器和低噪放大器，该长距无线射频单元依次通过天线、多路复用模块、滤波器、低噪放大器、扩频调制解调模块和编解码模块接收由节点传输来的传感信息。
5.根据权利要求1所述的物联网系统，其特征在于：该网关还包括主处理器单元，该主处理器单元与互联网连接，该主处理器单元将用于接收由协处理器单元传输来的传感信息并将其封装在一IP信息包中，该主处理器单元将IP信息包传输到互联网中。
6.根据权利要求5所述的物联网系统，其特征在于：该主处理器单元包括一无线连接模块，该主处理器单元通过无线连接模块与外部终端连接。
7.一种基于长距无线物联网系统的节点主发射方法，其特征在于，该长距无线射频单元处于接收状态，该节点处于睡眠状态，该节点主发射方法包括步骤：
该节点受到刺激中断睡眠并唤醒；
该节点发送传感信息到长距无线射频单元中；
该长距无线射频单元接收到传感信息后发送一确认信息到节点中，完成节点主发射操作，该节点接收到确认信息并进入睡眠状态。
8.根据权利要求7所述的节点主发射方法，其特征在于：该节点在发送传感信息前，该节点检测长距无线射频单元的通信频点的通信信道是否被占用，若通信信道为空闲状态，该节点发送传感信息到长距无线射频单元中。
9.根据权利要求7所述的节点主发射方法，其特征在于：该节点在发送传感信息前，该节点检测长距无线射频单元的通信频点的通信信道是否被占用，若通信信道为占用状态，该节点将传感信息进入回退时间以避免传输冲突。
10.一种基于长距无线物联网系统的节点主接收方法，其特征在于，该长距无线射频单元处于接收状态，该节点处于睡眠状态和唤醒状态的交替过程中，该节点主接收方法包括步骤：
该长距无线射频单元发送前导码到节点中，该节点的相邻两个唤醒状态都接收到同一前导码，该节点进入接收状态；
该长距无线射频单元发送控制信息到节点中；
该节点接收到控制信息后发送一确认信息到长距无线射频单元中，完成节点主接收操作，该节点再次进入睡眠状态和唤醒状态的交替过程中。
11.根据权利要求10所述的节点主接收方法，其特征在于，在长距无线射频单元发送控制信息到节点前，还包括步骤：
该长距无线射频单元进入通道可用状态性探测；
若通信信道处于空闲状态，该长距无线射频单元发送控制信息到节点中。
12.根据权利要求11所述的节点主接收方法，其特征在于：若通信信道处于忙碌状态，该协处理器单元将控制信息退回，等下一下个发送时间。
13.根据权利要求11所述的节点主接收方法，其特征在于，该通道可用状态性探测的方式是：检测通信信道中无线信号的能量和质量。
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