CN107734611A - 一种基于LoRa无线抄表系统唤醒机制 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于LoRa无线抄表系统唤醒机制，包括采集设备和多个智能表计终端，所述采集设备和多个智能表计终端采用星型网络连接，采集设备和智能表计终端之间采用LoRa双向无线扩频通信。本发明实现了主节点和从节点之间的双向实时通信；并且，当从节点非主节点的唤醒对象时，有效地减少了从节点的接收时长，进而降低了从节点的功耗。

Description

一种基于LoRa无线抄表系统唤醒机制
技术领域
本发明涉及一种通信方法，尤其涉及一种基于LoRa无线抄表系统唤醒机制。
背景技术
LoRa是LPWAN通信技术中的一种，它是美国Semtech公司推出的一种基于扩频通信技术的超远距离无线传输方案。该方案为用户提供了一种能够实现远距离、长电池寿命、大容量的无线传感网络系统。鉴于LoRa扩频通信技术较低的功耗和较远的传输距离，它在智能水表、智能电表、智能燃气表和智能热量表等领域得到了广泛的应用。
通常采用LoRa通信的无线抄表系统由多个智能表计终端(从节点)和采集设备(主节点)构成星型连接网络。主节点通常采用市电供电，默认情况下工作于接收状态；从节点采用电池供电，定期的向主节点发送计量数据；为了实现实时的读取从节点的计量数据或者发送控制指令(比如阀门控制、供电控制等)，必须有一种实时的双向通信机制。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种基于LoRa无线抄表系统唤醒机制，用以解决主节点和从节点之间的双向实时通信问题。
本发明采用以下技术方案：
一种基于LoRa无线抄表系统唤醒机制，其中，包括采集设备和多个智能表计终端，所述采集设备和多个智能表计终端采用星型网络连接，采集设备和智能表计终端之间采用LoRa双向无线扩频通信。
优选的，所述智能表计终端的通信步骤包括：
步骤1，智能表计终端中心频率设置为第一预设值A；
步骤2，进入CAD监测模式；
步骤3，在Tcad时间内检测是否有活动信道，若有，则进入唤醒码接收模式，执行步骤4；若没有，则进入休眠并等待下一次CAD检测周期到来；Tcad为CAD监测时长；
步骤4，检测唤醒码数据是否接收完成，若未完成，则继续接收；若完成，则检测地址是否匹配，若不匹配，则结束检测并进入休眠并等待下一次CAD检测周期到来；若匹配，则设置智能表计终端中心频率为第二预设值B，然后开始接收数据。
优选的，所述采集设备的通信步骤包括：
步骤1，采集设备的定时器清零；
步骤2，设置发射端中心频率为第一预设值A；
步骤3，在twake时间内连续发送唤醒码；所述唤醒码为待接收数据的智能表计终端地址的最低两字节；twake大于Tcad；twake为唤醒码发送时长。
步骤4，检测是否到twake时间，若未到，则继续发送唤醒码；若已到，则设置采集设备中心频率为第二预设值B，然后开始发送数据。
本发明的有益效果如下：
本发明实现了主节点和从节点之间的双向实时通信；并且，当从节点非主节点的唤醒对象时，有效地减少了从节点的接收时长，进而降低了从节点的功耗。和原有的CAD监测方式相比，从节点的最大接收时长由为twake+tdata降低为2*twake/N。
附图说明
图1是基于LoRa抄表系统星型网络示意图；
图2是CAD监测方式示意图；
图3是上传后定时接收方式示意图；
图4是脉冲同步法示意图；
图5是发明LoRa无线抄表系统唤醒机制示意图；
图6是主节点工作流程图；
图7是从节点工作流程图。
具体实施方式
如图1所示，采用LoRa通信的无线抄表系统由多个智能表计终端(从节点)和采集设备(主节点)构成星型连接网络。主节点通常采用市电供电，默认情况下工作于接收状态；从节点采用电池供电，定期的向主节点发送计量数据。
为了在尽量不牺牲从节点电池使用寿命的前提下，实现该双向通信机制，通常采用的方法有：
图2所示为CAD(Channel Activity Detection)监测法，图中：201-前导码，202-数据发送，203-CAD监测，204-数据接收。LoRa从节点定期Tcad进入CAD监测，监测有无活动的无线信道，主节点发送数据前首先发射tpre时间的前导码，为保证从节点监测到该前导码。tpre必须大于Tcad；从节点监测到有效的活动信道后立即进入接收模式，直至有效数据接收完毕。该方法保证了主节点可以在Tcad时间内唤醒从节点并向从节点发送数据，但是如果现场有多个从节点的话，当主节点发送前导码的时，从节点一旦进入CAD则会保持接收状态直至主节点发送数据完毕。对于无线抄表系统而言，哪怕主节点的数据仅仅是发送至某一个从节点，其余所有的节点都会进入接收模式直至主节点数据发送完毕，增加了系统的功耗。
图3所示为上传后定时接收方式示意图，图中：301-数据接收，302-状态切换，303-数据发送。LoRa主节点通常状态下处于接收状态，从节点发送数据后，在主从双方约定的延时tdelay后进入接收模式；tdelay期间，主节点完成从发射状态向接收状态的切换，并在tdelay延时到后向从节点发送数据。发送完成后从节点重新进入休眠状态，主节点继续进入接收状态。该方法虽然实现了主从节点间的双向通信，并且从节点的功率可以做的很小，但是主节点只能在接收从节点后的特定时间内向从节点发送数据，不能在任意时刻向从节点发送数据。
图4所示为脉冲同步法示意图，图中：401-同步脉冲发送，402-数据发送，403-同步脉冲接收，404-数据接收。主节点定期Tsync发送同步脉冲，从节点加入网络后处于接收状态并等待同步脉冲，接收到同步脉冲后，以此时刻为计时起点，在特定的时间内进入接收模式，并在Tsync周期后再次等待同步脉冲，来完成主节点和从节点的同步。为了保证从节点可靠的接收主节点发送的同步脉冲，从节点的同步脉冲接收时间tsync_r应适当的大于主节点的同步脉冲发送时间tsync_t。该方法基本实现了主节点和从节点之间的双向通信，但是从节点需要周期性的进入接收模式，功耗较大。
如图5所示，图中：501-唤醒码发送，502-数据发送，503-唤醒码接收，504-CAD监测，505-数据接收。LoRa从节点定期Tcad进入CAD监测模式，监测有无活动的无线信道，主节点发送数据前首先工作于唤醒码发送模式，发射twake时间的唤醒码；这里唤醒码为接收对象地址的最低两字节，例如从节点地址为101234567890，则唤醒码为7890；唤醒码在twake周期内持续发送，为保证从节点监测到该唤醒码twake必须大于Tcad。唤醒码发送完毕后，主节点切换至数据发送模式，并完成有效数据的发送。
从节点监测到有效的活动信道后立即进入唤醒码接收模式，当从节点成功接收唤醒帧后，立即与自身地址的后两字节向对比，如果地址两字节不完全一致则立即进入休眠状态；如果地址一致则切换至数据接收模式，并保持接收状态直至接收到有效的负载数据包。如果twake期间，共发送了N个唤醒码，那么单个唤醒码的发送周期为twake/N，可知如果从节点不是主节点发送数据的目标地址的话，从节点的最大接收时长为2*twake/N。
主节点在唤醒码发送和数据发送模式时分别工作于不同的频点；从节点在唤醒码接收和数据接收模式时也分别工作于不同的频点，且和主节点在唤醒码发送和数据发送模式时的工作频点保持一致。
本发明提供一种基于LoRa无线抄表系统唤醒机制，包括采集设备和多个智能表计终端，所述采集设备和多个智能表计终端采用星型网络连接，采集设备和智能表计终端之间采用LoRa双向无线扩频通信。
如图6所示，采集设备(主节点)的通信步骤包括：
步骤1，采集设备的定时器清零；
步骤2，设置发射端中心频率为第一预设值A；
步骤3，在twake时间内连续发送唤醒码；所述唤醒码为待接收数据的智能表计终端地址的最低两字节；twake大于Tcad；twake为唤醒码发送时长，Tcad为CAD监测时长；
步骤4，检测是否到twake时间，若未到，则继续发送唤醒码；若已到，则设置采集设备中心频率为第二预设值B，然后开始发送数据。
如图7所示，智能表计终端(从节点)的通信步骤包括：
步骤1，智能表计终端中心频率设置为第一预设值A；
步骤2，进入CAD监测模式；
步骤3，检测是否有活动信道，若有，则进入唤醒码接收模式，执行步骤4；若没有，则进入休眠并等待下一次CAD检测周期到来；
步骤4，检测唤醒码数据是否接收完成，若未完成，则继续接收；若完成，则检测地址是否匹配，若不匹配，则结束检测并进入休眠并等待下一次CAD检测周期到来；若匹配，则设置智能表计终端中心频率为第二预设值B，然后开始接收数据。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于LoRa无线抄表系统唤醒机制，其特征在于：包括采集设备和多个智能表计终端，所述采集设备和多个智能表计终端采用星型网络连接，采集设备和智能表计终端之间采用LoRa双向无线扩频通信。
2.根据权利要求1所述的一种基于LoRa无线抄表系统唤醒机制，其特征在于：所述智能表计终端的通信步骤包括：
步骤1，智能表计终端中心频率设置为第一预设值A；
步骤2，进入CAD监测模式；
步骤3，在Tcad时间内检测是否有活动信道，若有，则进入唤醒码接收模式，执行步骤4；若没有，则进入休眠并等待下一次CAD检测周期到来；Tcad为CAD监测时长；
步骤4，检测唤醒码数据是否接收完成，若未完成，则继续接收；若完成，则检测地址是否匹配，若不匹配，则结束检测并进入休眠并等待下一次CAD检测周期到来；若匹配，则设置智能表计终端中心频率为第二预设值B，然后开始接收数据。
3.根据权利要求1所述的一种基于LoRa无线抄表系统唤醒机制，其特征在于：所述采集设备的通信步骤包括：
步骤1，采集设备的定时器清零；
步骤2，设置发射端中心频率为第一预设值A；
步骤3，在twake时间内连续发送唤醒码；所述唤醒码为待接收数据的智能表计终端地址的最低两字节；twake大于Tcad；twake为唤醒码发送时长；
步骤4，检测是否到twake时间，若未到，则继续发送唤醒码；若已到，则设置采集设备中心频率为第二预设值B，然后开始发送数据。
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