CN107566990A - 实时位置通信设备和时隙同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实时位置通信设备和时隙同步方法，包括多个需要时隙同步的节点、LoRa gateway、服务器、以及客户端；节点用于接收GPS卫星发送的自己的地理位信息，并将该地理位置信息发送给LoRa gateway；LoRa gateway带有固定ip，其接收节点的位置信息，并将该位置信息发送给服务器；LoRa gateway收到节点i的地理位置信息后，将该地理位置信息通过互联网或者通过移动网络转发给服务器，与节点i匹配的客户端可通过互联网或移动网络访问服务器，查看节点i的地理位置。

Description

实时位置通信设备和时隙同步方法

技术领域

本发明涉及实时位置通信设备和时隙同步方法。

背景技术

老人和孩子走丢的情况时有发生。在老人和孩子身上安置一些无线电子设备(称为节点)，定时给老人和孩子的监护人发送位置信息，这样，老人和孩子的监护人就能够更加安心一些。对于某些贵重物品，也可以通过安装上这些节点，来进行防盗等事宜。

传统实现节点数据传输的方法是，首先通过传统的蜂窝网络把节点的数据收集起来，再通过运营商网络或者互联网，把地理位置数据传递给监护人持有的电子设备上(比如，手机，笔记本)。但是这个方法有很多问题。第一，节点必须带有SIM卡来和传统蜂窝网络进行通信，但是，SIM卡月租费比较贵，而且必须按时缴费；第二，附带SIM卡会使节点的设计更加复杂，增大了节点的设计难度和体积，给随身携带带来不便；第三，因为该老人和孩子还有贵重物品都需要佩戴节点，节点的数量会非常多，当节点的数量增大到一定值的时候，就会造成传统蜂窝网络无法提供服务的情况；第四，因为这些节点属于监控类的设备，实时性要求也比较高，所以上传频率会比较大，但是数据量比较小，传统的用于语音和娱乐服务等大数据量服务的蜂窝网络控制信令比较复杂，也比较长，不适用于这种高频次、数据量小和服务类型比较单一的服务；第五，传统蜂窝网络的节点，耗电量比较大，节点需要频繁充电。

LoRa是LPWAN通信技术中的一种，是美国Semtech公司采用和推广的一种基于扩频技术的超远距离无线传输方案。这一方案改变了以往关于传输距离与功耗的折衷考虑方式，为用户提供一种简单的能实现远距离、长电池寿命、大容量的系统，进而扩展传感网络。目前，LoRa主要在全球免费频段运行，包括433、868、915MHz等。LoRa技术具有远距离、低功耗(电池寿命长)、多节点、低成本的特性。

虽然LoRa具有上述优点，但是，LoRa的主要是面向小数据，低频次的应用，不适合面向位置追踪的应用。因为，位置追踪应用虽然数据量小，但是对实时性要求比较高，属于高频次收发的应用。从资源的复用方式来说，对于小数据、高频次的应用服务，LoRa只使用单一的方法，在有限的带宽下，当节点的数量增大到一定程度之后，就会造成拥塞或者雪崩效应，导致所有的节点都无法发送数据。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种基于LoRa通信技术的位置追踪架构。通过LoRa通信技术和时分复用技术结合的方法，克服传统网络和LoRa通信技术的不足，提高系统中的节点数量和高频次通信。

本发明的实时位置通信设备包括多个需时隙同步的(三个以上为多)节点、LoRagateway、服务器以及客户端；

节点用于接收GPS卫星信号确定自己的地理位信息，并将该地理位置信息发送给LoRa gateway；

LoRa gateway带有固定ip，其接收节点发送来的位置信息，并通过互联网或移动网络转发给服务器；如LoRa gateway收到节点i的地理位置信息后，将该地理位置信息通过互联网或者通过移动网络转发给服务器，与节点i匹配的客户端可通过互联网或移动网络访问服务器，查看与节点i的地理位置；

其中，一个节点可以同时匹配多个客户端，一个客户端也可以匹配多个节点；

设备在LoRa gateway频分复用和扩频通信的基础上，加入时分复用过程中，多个节点共用无线信道，由LoRa gateway为每个节点分配通信时隙，每个通信时隙对应一个节点，节点在所分配的时隙上向LoRa gateway发送位置信息，在其他时隙接收LoRa gatway或其他节点发送的信息。

服务器：接收LoRa gateway传递的数据，并将所收到的节点数据，通过互联网或移动网络推送给对应的客户端；

节点：包含处理器、定位模块，电源模块，LoRa射频发射和接收模块，警示模块和传感器模块；

定位模块：用于接收GPS卫星发送的信息，确定本节点的地理位信息并发送给处理器，并由Time pusle端口输出时间同步方波；

电源模块：为节点提供电能；

LoRa射频发射和接收模块：与处理器电连接并控制负责与LoRa gateway进行通信；

警示模块：包括与处理器电连接的灯光闪烁模块和/或与处理器电连接的警笛报警模块；

传感器模块：包括与处理器电连接且检测是否发生摔跤加速度传感器和/或与处理器电连接的其他传感器；

LoRa gateway包括

收发模块：接收节点发送的信息，或向节点发送信息；

信道分配模块：给不同的节点分配不同的信道，不同的时隙，不同的扩频因子和码字；

互联模块：将LoRa gateway与互联网或移动网络进行连接，用于收发LoRagateway与服务器之间的数据；

定位模块：GPS定位模块，确定LoRa gateway的地理位置和由time pusle端口输出时间同步方波；

认证模块：认证节点是否是合法用户。

客户端：用于与服务器通信，并将节点位置信息进行展示或进行其他服务的应用软件，该软件可运行在手机或者笔记本或者台式电脑或者平板电脑；

服务器中包含有数据库，用于存储节点和客户端的相关信息。

此设备的关键在于为节点分配时隙，分配时隙的核心在于所有节点与LoRagateway的时间同步，以下为设备采用的两种时间同步和时隙分配方法：

第一种时隙同步方法：借助上述设备，采用GPS授时的方法获得同步，包括以下步骤，

步骤a，GPS卫星向节点的GPS模块发送时间信息，GPS收到卫星的时间信息后由GPS模块的Time pusle端口输出周期为2秒的矩形方波，该矩形方波上升沿和相邻下降沿的时间是1秒，下降沿和相邻上升沿的时间是1秒；

步骤b，Lora gateway和节点根据本设备上的GPS模块收到GPS卫星发送的时间信息后，由Time pusle端口输出时间同步的矩形方波信号，即该设备输出的矩形方波的上升沿和下降沿与其他节点设备输出的矩形方波的上升沿和下降沿对齐，上升沿到相邻下降沿的时间即为系统的时隙；

步骤c，在获得GPS模块提供的矩形方波后，LoRa gateway在某时隙发送同步数据包给所有节点，该时隙即为LoRa gateway分配的第0时隙；其次，节点在某时隙接收到同步码字之后，即认为此时隙为LoRa gateway标记的第0时隙，并且依次标记后续的时隙为第1时隙，第2时隙，一直到总共N个时隙后，周期结束；然后，再从下一个周期的第0个时隙重新开始；其中，每一个时隙的时长是1秒；

步骤d，LoRa gateway周期性执行步骤c，为新开机的节点提供第0时隙号，执行周期为Tz；

步骤e，所有节点初次与LoRa gateway通信时，在公共信道完成身份认证和时隙号的分配。在步骤c获得同步和0时隙后，即可在相应的时隙发送位置信息给LoRa gateway，而不会对其他节点产生干扰。

其中，步骤c中的时隙同步数据包中，包含时隙同步码；时隙同步码是节点预设的一组二进制数，并且所有的节点预置时隙同步码相同，每个节点发现和识别时隙同步码；

第二种时隙同步方法：借助于上述设备，采用定时器校准的方法获得同步，包括以下步骤，

步骤1，在启动的时候，Lora gateway和每个节点内部均通过设置各自的定时器Timer为相同的时值A来表示T的时长，分别产生一个周期为2T秒的矩形方波，该矩形方波的上升沿和相邻下降沿的时间是T秒，该矩形方波的下降沿和相邻上升沿的时间是T秒；其中每个时隙的长度，定义为T；

步骤2，LoRa gateway向在某个时隙向节点发送一个时长固定的时隙同步数据包，该时隙同步数据包的时间为固定时长Ts，节点接收时隙同步数据包的时间为Tr，Tr的时长<<Ts的时长；

步骤3，当节点接收到LoRa gateway发出的时隙同步数据包时，节点获得当前时隙的剩余时间为:Tl＝T-(Tr+Ts)；其次，根据单次计时时间为Tl，重置Timer的计时值；然后，在此次之后的Timer值依然为A，继续T计时；

步骤4，LoRa gateway每隔时间执行周期Tz执行一次步骤3；

其中，步骤3中的时隙同步数据包中，包含时隙同步码，时隙同步码是节点预先设定的一组二级制数，并且所有的节点时隙同步码相同，每个节点发现和识别时隙同步码。

本发明方法具有如下优点：

优势：特别是随着经济的快速发展，户外旅游越来越受到年轻人的追捧，户外旅游得到了快速的发展。户外的亲子拓展、滑雪、爬山、徒步都成了年轻人的最受欢迎的项目。但是，这些活动的主要环境，经常是远离城市的郊区或山区。在这些地方，常常没有运营商网络的支持。由于通信受限，户外活动中遇到危险，无法及时获取求援者的位置，造成救援困难，每年都造成大量的财产和人员生命的损失。此系统低成本、易架设、覆盖范围广、支持终端数目多、维护简单等优势，特别适合户外环境下的位置追踪和紧急通信，保障户外活动人员的生命和财产安全。

附图说明

图1是本发明的控制框图。

图2是本发明的GPS模块Time pusle端口输出的矩形方波信号图。

图3是本发明的节点在接收到同步码字的矩形方波信号图。

图4是本发明的定时器Timer为时值A的矩形方波信号图。

图5是本发明的固定数据包方法矩形方波信号图。

具体实施方式

如图1-5所示，本发明提供了一种基于LoRa通信技术的位置追踪通信架构。通过LoRa通信技术和时分复用技术结合的方法，克服传统网络和LoRa通信技术的不足，提高系统中的节点数量和高频次通信。

在进行时分复用过程中，多个节点共用无线信道和LoRa gateway(即基站)进行时分通信的时候，需要划分各自的通信时隙，每个时隙只有一个节点发送数据，或者每个时隙，让一批节点通过扩频的方式进行同时通信，在另一个时隙，让另一批节点进行通信，以提高系统的整体容量，提高小数据、高频次应用的节点数量。为了让每个节点或者每批节点能够区分自己的时隙，避免和其他节点产生通话冲突，需要进行时隙同步和时隙分配。

时隙同步是指，每个节点自己内部的时隙脉冲(矩形脉冲)的上升沿和下降沿与其它节点的上升沿和下降沿对齐。

节点将自己的地理位置信息发送给客户端的流程：

节点通过GPS模块获取自己地理位置；

节点行周期性地将自己的地理位置信息发送给LoRa gateway。

LoRa gateway收到节点i的地理位置信息后，将该地理位置信息通过互联网或者通过移动网络发送给与节点i匹配的客户端；例如图1中，节点1和手机客户端1匹配，节点2和手机客户端2匹配。则，手机客户端2没有权利查看节点1的数据，LoRa gateway也不会将节点1的数据推送给手机客户端2。

一个节点可以同时匹配多个客户端，一个客户端也可以匹配多个节点；

匹配的定义：匹配意味着某特定的节点有权利和特定的客户端进行数据交互。

设备的两种时隙同步方法：

第一种时隙同步方法：GPS方法

1、GPS模块收到GPS卫星发送的信息后，在Time pusle端口输出周期为2秒的矩形方波。上升沿和相邻下降沿的时间是1秒，下降沿和相邻上升沿的时间是1秒。

2、Lora gateway和每个节点的GPS模块根据接收到GPS卫星发送的时间信息，在Time pusle端口输出同步的矩形方波信号，即每个节点的上升沿和下降沿和卫星的上升沿和下降沿对齐。

3、LoRa gateway发送时隙同步数据包，时隙同步数据包中包含时隙同步码字，表明第0时隙的位置。节点在接收到同步码字之后，都会记住LoRa gateway标记的第0时隙。并且依次标记后续的时隙第1时隙，第2时隙，一直到总共N(预设的自然数)个时隙周期结束，再从第0个时隙开始。如图3所示。

4、每一个时隙的时长是1秒。

5、LoRa gateway周期性执行步骤3，为新开机的节点提供第一时隙号。执行周期为Tz，例如，Tz＝3600s。

时隙同步数据包中，包含时隙同步码。时隙同步码是节点出厂之前就设定好的一组二进制数，并且所有的节点时隙同步码相同，每个节点都能发现和识别时隙同步码；

第二种时隙同步方法：固定数据包方法

每个时隙的长度，定义为T。

1、Lora gateway和每个节点启动的时候，各自内部会通过设置自己的定时器Timer为相同的时值A来表示T的时长，产生一个周期为2T秒的矩形方波。上升沿和相邻下降沿的时间是T秒，下降沿和相邻上升沿的时间是T秒。

2、LoRa gateway发送一个时长固定的时隙同步数据包，该数据包的时间为固定时长Ts，例如600ms；节点接收时隙同步数据包的时间为Tr，Tr是一个很短的时间，例如10ms。

3、当节点接收到队长发出的时隙同步数据包时，节点可以知道当前时隙的剩余时间为:Tl＝T-(Tr+Ts)，此时重置Timer的计时值，实现单次计时时间为Tl，此次之后Timer值依然为A，继续T计时。

4、LoRa gateway每隔时间Tz执行一次时隙同步操作，例如每隔3600秒同步一次，根据具体晶振性能和实际操作场景决定。若晶振性能比较好，稳定而且震动频率比较高，那Tz可以大一些，反之，Tz就可以小一些。

时隙同步数据包中，包含时隙同步码。时隙同步码是节点出厂之前就设定好的一组二级制数，并且所有的节点时隙同步码相同，每个节点都能发现和识别时隙同步码。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种实时位置通信设备，其特征在于，所述通信设备包括多个需要时隙同步的节点、LoRa gateway、服务器、以及客户端；

节点用于接收GPS卫星信息并确定自己的地理位置信息，并将该地理位置信息发送给LoRa gateway；

LoRa gateway带有固定ip，其接收节点的位置信息，并转发给服务器；LoRa gateway收到节点i的地理位置信息后，将该地理位置信息通过互联网或者通过移动网络发送给服务器，与节点i匹配的客户端通过互联网或移动网络访问服务器，查看节点i的位置信息。

2.根据权利要求1所述的实时位置通信设备，其特征在于，一个节点同时匹配多个客户端和/或一个客户端匹配多个节点。

3.根据权利要求1所述的实时位置通信设备，其特征在于，设备在时分复用过程中，多个节点共用无线信道，在与LoRa gateway进行时分通信的时候，每个通信时隙对应一个节点，该节点在对应的时隙发送数据。

4.根据权利要求1所述的实时位置通信设备，其特征在于，

服务器：接收LoRa gateway传递的数据，并将该节点的数据，通过互联网和移动运营商的网络推送给对应的客户端；

服务器中包含有数据库。

5.根据权利要求4所述的实时位置通信设备，其特征在于，

节点：包含处理器、定位模块，电源模块，LoRa射频发射和接收模块，警示模块和传感器模块；

其中，定位模块：用于接收GPS卫星信息并确定本节点的地理位信息并发送给处理器；

电源模块：为节点提供电能；

LoRa射频发射和接收模块：与处理器电连接并控制负责与LoRa gateway进行通信；

警示模块：包括与处理器电连接的灯光闪烁模块和/或与处理器电连接的警笛报警模块；

传感器模块：包括与处理器电连接且检测是否发生摔跤加速度传感器和/或与处理器电连接的其他传感器。

6.根据权利要求5所述的实时位置通信设备，其特征在于，

LoRa gateway包括

收发模块：接收节点发送的信息，或向节点发送信息；

信道分配模块：给不同的节点分配不同的信道，不同的时隙，不同的扩频因子；

互联模块：将LoRa gateway与互联网或移动网络进行连接，用于收发LoRa gateway与服务器之间的数据；

定位模块：GPS定位模块，确定LoRa gateway的地理位置和由time pusle端口输出时间同步方波；

认证模块：认证节点是否是合法用户；

客户端：用于与服务器通信，并将节点位置信息进行展示或进行其他服务的应用软件，该软件可运行在手机或者笔记本或者台式电脑或者平板电脑。

7.一种实时位置通信设备的时隙同步方法，其特征在于，借助于权利要求1-6任一项所述的设备，包括以下步骤，

步骤a，GPS卫星向节点的GPS模块发送时间信息，GPS收到卫星的时间信息后由GPS模块的Time pusle端口输出周期为2秒的矩形方波，该矩形方波上升沿和相邻下降沿的时间是1秒，下降沿和相邻上升沿的时间是1秒；

步骤b，Lora gateway和节点根据本设备上的GPS模块收到GPS卫星发送的时间信息后，由Time pusle端口输出时间同步的矩形方波信号，即该设备输出的矩形方波的上升沿和下降沿与其他节点设备输出的矩形方波的上升沿和下降沿对齐，上升沿到相邻下降沿的时间即为系统的时隙；

步骤c，在获得GPS模块提供的矩形方波后，LoRa gateway在某时隙发送同步数据包给所有节点，该时隙即为LoRa gateway分配的第0时隙；其次，节点在某时隙接收到同步码字之后，即认为此时隙为LoRa gateway标记的第0时隙，并且依次标记后续的时隙为第1时隙，第2时隙，一直到总共N个时隙后，周期结束；然后，再从下一个周期的第0个时隙重新开始；其中，每一个时隙的时长是1秒；

步骤d，LoRa gateway周期性执行步骤c，为新开机的节点提供第0时隙号，执行周期为Tz；

步骤e，所有节点初次与LoRa gateway通信时，在公共信道完成身份认证和时隙号的分配。

8.根据权利要求7所述的实时位置通信设备的时隙同步方法，其特征在于，步骤c中的时隙同步数据包中，包含时隙同步码；时隙同步码是节点预设的一组二进制数，并且所有的节点时隙同步码相同，每个节点发现和识别时隙同步码。

9.一种实时位置通信设备的时隙同步方法，其特征在于，借助于权利要求1-6任一项所述的设备，包括以下步骤，

步骤1，在启动的时候，Lora gateway和每个节点内部均通过设置各自的定时器Timer为相同的时值A来表示T的时长，分别产生一个周期为2T秒的矩形方波，该矩形方波的上升沿和相邻下降沿的时间是T秒，该矩形方波的下降沿和相邻上升沿的时间是T秒；其中每个时隙的长度，定义为T；

步骤2，LoRa gateway向节点发送一个时长固定的时隙同步数据包，该时隙同步数据包的时间为固定时长Ts，节点接收时隙同步数据包的时间为Tr，Tr的时长<<Ts的时长；

步骤3，当节点接收到LoRa gateway发出的时隙同步数据包时，节点获得当前时隙的剩余时间为:Tl＝T-(Tr+Ts)；其次，根据单次计时时间为Tl，重置Timer的计时值；然后，在此次之后的Timer值依然为A，继续T计时；

步骤4，LoRa gateway每隔时间执行周期Tz执行一次步骤。

10.根据权利要求9所述的实时位置通信设备的时隙同步方法,其特征在于，步骤3中的时隙同步数据包中，包含时隙同步码，时隙同步码是节点预先设定的一组二级制数，并且所有的节点时隙同步码相同，每个节点发现和识别时隙同步码。