CN108521370B - 一种基于Lora网关的通信方法和系统 - Google Patents

一种基于Lora网关的通信方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于Lora网关的通信系统，该系统包括：LoRa控制器，Lora处理器，控制层Lora网关和接收层Lora网关；所述LoRa控制器和Lora处理器对数据进行压缩，通过对应的控制层Lora网关和接收层Lora网关传输所述压缩数据。该系统通过设置多个LoRa控制器和处理器，均匀分配了系统的通信和计算能力，保障了系统传输效率和准确度，尤其对窄带的Lora通信系统效果更为明显，同时还大幅降低了系统成本。

Description

一种基于Lora网关的通信方法和系统
技术领域
本发明涉及一种Lora技术的通信方法和系统法，属于低功耗广域无线网技术领域。
背景技术
低功耗广域网(LowPowerWideAreaNetwork，LPWAN)作为专为物联网设计的无线通信技术，相比于传统的WiFi、ZigBee、蓝牙技术，具有功耗低、带宽窄、传输距离远、成本小、覆盖量大的优点，适用于电池供电的远距离、小数据量发送的物联网设备。LPWAN技术从频谱角度可以划分为两大类：一类是工作于非授权频谱，即ISM频段的Lora、SigFox等技术；另一类是工作于授权频谱的LTECat-m、NB-IoT等技术。Lora(LongRange)技术作为非授权频谱的低功耗广域网技术，具有网络构建灵活和商业化速度快等特点，适合用在几分钟通信一次的远距离通信的物联网设备上。
Lora是一种基于扩频技术的远距离无线传输方式，利用高效的频移键控(FSK)调制方式作为物理层，采用基于chirp脉冲编码调制技术，解决了传统的物联网远距离与低功耗无法兼得的问题。
但是，目前的物联网通讯手段层出不穷，代际之间、不同协议、不同通讯技术之间的转换交流成本高，接入服务能力和服务响应质量等存在大量的不确定因素，导致物联网用的Lora网关使用率低，通用性差，成本居高不下，仅在极个别专用领域有了应用。能有效满足的物联网通用的Lora网关大都是华为等大公司提供的电信运营商级别的通讯网关，针对规模较大的应用场景，比如基站的使用，其系统复杂，造价高昂。另外，采用Lora技术的系统在与通信网络中的众多Lora终端设备进行通信过程中，极易发生数据冲突，导致数据包收发过程的效率极低，以及采用Lora技术的系统与远程端的数据通讯也存在相同的数据冲突问题，进而降低了整个系统的通信速度和效率。此外，Lora通信技术存在的窄带限制也是显著的，从系统层面的优化设计信道效率的技术还很欠缺。因此，需要一种低成本、通用性好、通信信道效率高的Lora通信方法。
发明内容
本发明针对上述问题，采用通用低成本硬件结合高性能的嵌入式编程技术，实现了综合性能提升和成本控制目标的均衡和统一，提升了Lora通信系统的通用性和降低成本。
一种基于Lora网关的通信系统，该系统包括：Lora控制器，Lora处理器，控制层Lora网关和接收层Lora网关；Lora控制器和Lora处理器分别控制着控制层Lora网关和接收层Lora网关；所述控制层Lora网关与所述接收层Lora网关相连通信，所述Lora控制器和Lora处理器对数据进行压缩，通过对应的控制层Lora网关和接收层Lora网关传输所述压缩数据。
所述Lora控制器对采用轮询或异常请求对多个所述Lora处理器的通信传输要求作出响应。
另外的，所述Lora处理器将数据进行压缩，压缩为标准字节，并通过所述控制层Lora网关传递给所述接收层Lora网关，所述接收层Lora网关将接收到的所述压缩数据传递给所述Lora处理器，所述Lora处理器将传来的所述压缩数据解压后进行处理。
另外的，该通信系统还包括上行多模接入模块和物联网云平台；所述控制层Lora处理器还可通过所述控制层Lora网关将所述压缩数据通过所述上行多模接入模块传递给所述物联网云平台。
另外的，该通信系统还包括下行多模接入模块与物联网终端；所述控制层Lora处理器还可通过所述控制层Lora网关将处理后的数据通过所述下行多模接入模块传递给所述物联网终端。
另外的，所述Lora控制器和Lora处理器解压和压缩的标准数据，对数据进行标准字节的压缩，还可对数据进行计算和控制。
另外的，所述Lora控制器和Lora处理器连接多个控制层Lora网关和接收层Lora网关。
另外的，所述的Lora处理器、接收层Lora处理器均可为嵌入式处理器。
所述通信系统还包括：功能扩展模块、边缘计算组件、上行多模接入模块和下行多模接入模块。所述Lora处理器还包括模式选择开关。
所述Lora控制器与功能扩展模块、边缘计算组件、上行多模接入模块和下行多模接入模块相连，所述上行多模接入模块与所述物联网云平台相连，所述下行多模接入模块与所述物联网终端相连。所述功能扩展模块包括多个传感器，如温湿度传感器、烟气传感器、振动传感器、红外传感器、摄像头、压力传感器、气象传感器等；所述边缘计算组件包括：人脸识别模块、AI模块、视觉识别模块、电流计量模块等；所述Lora控制器还包括：电源管理模块、MPU模块、内存模块、存储扩展模块、人机操作界面、显示单元。
一种基于Lora的通信方法，Lora控制器将数据压缩为标准字节的数据传递给控制层Lora网关，所述控制层Lora网关将所述压缩数据传递给接收层Lora网关，所述接收层Lora网关将所述压缩数据传递给接收层Lora处理器，所述接收层Lora处理器对压缩数据进行处理。进一步，所述接收层Lora网关将压缩数据传输给下行多模接入模块和上行多模接入模块。
另外的，所述Lora处理器将数据压缩为标准字节的数据传递给所述接收层Lora网关，所述接收层Lora网关将所述压缩数据传递给所述控制层Lora网关，所述控制层Lora网关将所述压缩数据传递给Lora处理器，所述接收层Lora控制器对压缩数据进行处理。进一步，所述接收层Lora网关将压缩数据传输给下行多模接入模块和上行多模接入模块。
所述Lora控制器采集所述气象传感器的数据；采用所述AI模块对所述气象传感器的数据和故障数据进行人工智能的大数据分析，形成所述通信系统在不同天气下四种工作模式：经济工作模式、正常天气Lora网关工作模式、异常天气Lora网关工作模式和极端天气Lora网关工作模式；所述Lora控制器设有的所述模式选择开关选择上述四种模式之一；经济工作模式是在气候状态好时，所述Lora控制器控制多个Lora处理器，间断运行一个或多个Lora处理器及其对应的接收层Lora网关，不工作的Lora处理器及其对应的接收层Lora网关关闭；正常天气Lora网关工作模式时，所述Lora控制器和Lora处理器及对应的Lora网关都正常工作；所述异常天气Lora网关工作模式时，所述Lora控制器发出控制信号，通过所述Lora处理器控制对应的所述物联网终端停止工作和控制所述上行多模接入模块停止工作或间断工作，并关闭对应的Lora处理器和接收层Lora网关；所述极端天气Lora网关工作模式时，所述Lora控制器发出控制信号，通过所述Lora处理器的所述Lora网关控制对应所述物联网终端停止工作和控制所述上行多模接入模块停止工作，对应的Lora处理器和Lora网关关闭，当极端气候转变为其他气候时，再启动关闭的Lora处理器和Lora网关。当气候不停变化时，所述Lora控制器通过所述模式选择开关进行选择。
本申请通过提供上述基于Lora通信方法和系统，使用Lora网关各级处理器将传输数据压缩后进行通信，这样对以往通信处理器的统一功能进行了拆解，均匀分配到各级Lora处理器中，这样所有的Lora处理器的功能少而精，整体通信性能却达到甚至超过了现有Lora通信系统的要求，通过这种方式极大地提高了Lora通信信道的使用效率、提高了系统的通信速度和降低了系统整体成本。
附图说明
以下附图仅旨在于对本发明作示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：
图1为本发明一种基于Lora控制器和Lora处理器连接而成的Lora通信系统图；
图2为本发明基于Lora通信的物联网系统图；
图3为本发明的Lora通信模块图。
具体实施方式
结合附图和本发明具体实施方式的描述，能够更加清楚地了解本发明的细节。但是，在此描述的本发明的具体实施方式，仅用于解释本发明的目的，而不能以任何方式理解成是对本发明的限制。在本发明的教导下，技术人员可以构想基于本发明的任意可能的变形，这些都应被视为属于本发明的范围。
图1为基于Lora控制器和Lora处理器连接而成的通信系统图，其中，Lora控制器和Lora处理器可以为嵌入式处理器或其他价格便宜、计算能力足够的处理器，其将数据进行压缩，可以压缩为标准数据格式，比如标准1024字节的数据，或者标准8字节的数据；Lora控制器和Lora处理器可以解压经压缩的标准数据，可以对数据进行传输、计算和控制；Lora控制器和Lora处理器分别控制着控制层Lora网关和接收层Lora网关，控制层Lora网关和接收层Lora网关相互链接和通信。
基于Lora网关的通信系统，该系统包括：Lora控制器，Lora处理器，控制层Lora网关和接收层Lora网关；Lora控制器和Lora处理器分别控制着控制层Lora网关和接收层Lora网关；所述控制层Lora网关与所述接收层Lora网关相连通信，所述Lora控制器和Lora处理器对数据进行压缩，通过对应的控制层Lora网关和接收层Lora网关传输所述压缩数据。
所述Lora控制器对采用轮询或异常请求对多个所述Lora处理器的传输要求作出响应。
所述Lora控制器将数据进行压缩，压缩为标准字节，并通过所述控制层Lora网关传递给所述接收层Lora网关，所述接收层Lora网关将接收到的所述压缩数据传递给所述Lora处理器，所述Lora处理器将传来的所述压缩数据解压后进行处理。
所述接收层Lora处理器也可将处理后的数据通过所述接收层Lora网关传递给物联网终端，如图2和3所示。
如图2和3所示，该通信系统还包括上行多模接入模块和物联网云平台；所述控制层Lora控制器还可通过所述控制层Lora网关将所述压缩数据通过所述上行多模接入模块传递给所述物联网云平台。
该通信系统还包括下行多模接入模块与物联网终端；所述控制层Lora处理器还可通过所述控制层Lora网关将处理后的数据通过所述下行多模接入模块传递给所述物联网终端。
所述Lora控制器和Lora处理器解压和压缩的标准数据，对数据进行标准字节的压缩，还可对数据进行计算和控制。
所述Lora控制器和Lora处理器连接多个控制层Lora网关和接收层Lora网关。
所述的Lora处理器、接收层Lora处理器均可为嵌入式处理器。
所述接收层Lora处理器将需要传输的数据进行标准压缩，压缩为标准字节数据，并通过所述接收层Lora网关将所述压缩数据传递给所述控制层Lora网关，所述控制层Lora网关将所述压缩数据传递给所述控制层Lora处理器，所述控制层Lora处理器将所述压缩数据进行处理。
所述通信系统还包括：功能扩展模块、边缘计算组件、上行多模接入模块和下行多模接入模块。所述Lora处理器还包括模式选择开关。
所述Lora控制器与功能扩展模块、边缘计算组件、上行多模接入模块和下行多模接入模块相连，所述上行多模接入模块与所述物联网云平台相连，所述下行多模接入模块与所述物联网终端相连。所述功能扩展模块包括多个传感器，如温湿度传感器、烟气传感器、振动传感器、红外传感器、摄像头、压力传感器、气象传感器等；所述边缘计算组件包括：人脸识别模块、AI模块(人工智能模块，比如人工智能分类器等)、视觉识别模块、电流计量模块等；所述Lora控制器还包括：电源管理模块、MPU模块、内存模块、存储扩展模块、人机操作界面、显示单元。
所述Lora处理器将数据压缩为标准字节的数据传递给所述接收层Lora网关，所述接收层Lora网关将所述压缩数据传递给所述控制层Lora网关，所述控制层Lora网关将所述压缩数据传递给Lora处理器，所述接收层Lora控制器对压缩数据进行处理。进一步，所述接收层Lora网关将压缩数据传输给下行多模接入模块和上行多模接入模块。
所述Lora控制器采集所述气象传感器的数据；采用所述AI模块对所述气象传感器的数据和故障数据进行人工智能的大数据分析，形成所述通信系统在不同天气下四种工作模式：经济工作模式、正常天气Lora网关工作模式、异常天气Lora网关工作模式和极端天气Lora网关工作模式；所述Lora控制器设有的所述模式选择开关选择上述四种模式之一；经济工作模式是在气候状态好时，所述Lora控制器控制多个Lora处理器，间断运行一个或多个Lora处理器及其对应的接收层Lora网关，不工作的Lora处理器及其对应的接收层Lora网关关闭；正常天气Lora网关工作模式时，所述Lora控制器和Lora处理器及对应的Lora网关都正常工作；所述异常天气Lora网关工作模式时，所述Lora控制器发出控制信号，通过所述Lora处理器控制对应的所述物联网终端停止工作和控制所述上行多模接入模块停止工作或间断工作，并关闭对应的Lora处理器和接收层Lora网关；所述极端天气Lora网关工作模式时，所述Lora控制器发出控制信号，通过所述Lora处理器的所述Lora网关控制对应所述物联网终端停止工作和控制所述上行多模接入模块停止工作，对应的Lora处理器和Lora网关关闭，当极端气候转变为其他气候时，再启动关闭的Lora处理器和Lora网关。当气候不停变化时，所述Lora控制器通过所述模式选择开关进行选择。
所述Rola控制器、Lora处理器和Lora网关数量可以多个。Lora处理器也可如Rola控制器一样工作，可扩展整个系统的通信能力。通过Lora控制器和控制层Lora网关、Lora处理器和接收层Lora网关对系统的数据传输和计算能力的分担，使得系统能够降低成本和提高系统传输效率和准确度，尤其对窄带的Lora通信系统效果更为明显。这样的Lora通讯系统实现多达1000套设备的管理，响应速度小于3秒(通常在2秒左右)，极好的保证了通讯时隙。
在上述低成本的Lora通讯系统中，所述Lora控制器可实现断点续传、升级文件的远程鉴权、升级文件的解压缩、升级失败的原版本复原、升级的版本控制管理，如：按规定时间切换新版本；同时也实现了2G、3G、4G、5G之间的通讯模块之间的无缝置换，实现NB-IOT、eMTC模块的无缝互换，无线模块和有线模块的互换，换上硬件就可以直接使用。
上述系统设置有人机操作界面，通过操作按钮、液晶现实屏幕实现了人机信息互换，可以进行多种管理模式的嵌入式程序管理，如：本地的终端配对管理、状态监控模式等；还提供远程配置管理的API，使云平台实现远程的配置管理。
如图3所示为一种基于Lora的通信方法，Lora控制器将数据压缩为标准字节的数据传递给控制层Lora网关，所述控制层Lora网关将所述压缩数据传递给接收层Lora网关，所述接收层Lora网关将所述压缩数据传递给接收层Lora处理器，所述接收层Lora处理器对压缩数据进行处理。进一步，所述接收层Lora网关将压缩数据传输给下行多模接入模块和上行多模接入模块。
所述Lora处理器将数据压缩为标准字节的数据传递给所述接收层Lora网关，所述接收层Lora网关将所述压缩数据传递给所述控制层Lora网关，所述控制层Lora网关将所述压缩数据传递给Lora处理器，所述接收层Lora控制器对压缩数据进行处理。
为了适应不同地区和不同气候的使用，所述Lora控制器采集所述气象传感器的数据；采用AI模块对所述传感器的数据和故障数据进行人工智能的大数据分析，形成Lora通信系统在不同天气下工作的模式，分为四类：经济模式、正常天气Lora网关工作模式、异常天气Lora网关工作模式和极端天气Lora网关工作模式；并在所述Lora控制器设有的模式开关选择控制上述四种模式；经济模式是在气候状态好时，所述Lora控制器控制多个Lora处理器，间断运行一个或多个Lora处理器及其对应的Lora网关，不工作的间隔时关闭上述Lora处理器及其对应的Lora网关，减少窄带通信系统带宽的占用，同时也保证了物联网系统的运行；正常天气Lora网关工作模式时，所述Lora控制器和Lora处理器及对应的Lora网关都正常工作；所述异常天气Lora网关工作模式时，所述Lora控制器发出控制信号，通过所述Lora处理器设置的Lora网关控制对应所述物联网终端停止工作或间断工作；所述极端天气Lora网关工作模式时，所述Lora控制器发出控制信号，通过所述Lora处理器设置的所述Lora网关控制对应所述物联网终端停止工作和控制所述上行多模接入模块停止工作或间断工作，对应的Lora处理器和Lora网关关闭，当极端气候转变为其他气候时，再启动关闭的Lora处理器和Lora网关。当气候不停变化时，所述Lora控制器通过所述模式开关进行对应选择。通过上述对Lora网关的工作模式的闭环控制自动设置，使得该Lora通信系统能够满足气候恶劣地区的使用，保障了物联网运营安全，还保证了通信效率和准确度。
针对上述各实施方式的详细解释，其目的仅在于对本发明进行解释，以便于能够更好地理解本发明，但是，这些描述不能以任何理由解释成是对本发明的限制，特别是，在不同的实施方式中描述的各个特征也可以相互任意组合，从而组成其他实施方式，除了有明确相反的描述，这些特征应被理解为能够应用于任何一个实施方式中，而并不仅局限于所描述的实施方式。

Claims (7)

1.一种基于Lora网关的通信系统，该系统包括：Lora控制器，Lora处理器，控制层Lora网关和接收层Lora网关；其特征在于：Lora控制器和Lora处理器分别控制着控制层Lora网关和接收层Lora网关；所述控制层Lora网关与所述接收层Lora网关相连通信，所述Lora控制器和Lora处理器对数据进行压缩，通过对应的控制层Lora网关和接收层Lora网关传输所述压缩数据，所述Lora控制器将数据压缩为标准字节，并通过所述控制层Lora网关传递给所述接收层Lora网关，所述接收层Lora网关将接收到的所述压缩数据传递给所述Lora处理器，所述Lora处理器将传来的所述压缩数据解压后进行处理。
2.根据权利要求1所述的通信系统，其特征在于：所述Lora控制器对采用轮询或异常请求方式对多个所述Lora处理器的通信传输要求作出响应。
3.根据权利要求1所述的通信系统，其特征在于：该通信系统还包括上行多模接入模块和物联网云平台；所述Lora控制器还通过所述控制层Lora网关将所述压缩数据通过所述上行多模接入模块传递给所述物联网云平台。
4.根据权利要求1或3所述的通信系统，其特征在于：该通信系统还包括下行多模接入模块与物联网终端；所述Lora控制器还通过所述控制层Lora网关将处理后的数据通过所述下行多模接入模块传递给所述物联网终端。
5.根据权利要求1所述的通信系统，其特征在于：所述Lora控制器、Lora处理器、控制层Lora网关和接收层Lora网关为一组，并设置为多组且所述多组以组为单位串联连接，每组的接收层Lora网关与控制层Lora网关相连通信，并且每组的控制层Lora层与相邻组的接收层Lora网关相连通信；所述Lora控制器和Lora处理器均为嵌入式处理器。
6.根据权利要求1所述的通信系统，其特征在于：所述通信系统还包括：功能扩展模块、边缘计算组件、上行多模接入模块和下行多模接入模块、物联网终端、物联网云平台；所述Lora控制器还包括模式选择开关；所述Lora控制器与功能扩展模块、边缘计算组件、上行多模接入模块和下行多模接入模块相连，所述上行多模接入模块与所述物联网云平台相连，所述下行多模接入模块与所述物联网终端相连；所述功能扩展模块包括多个传感器；所述边缘计算组件包括：人脸识别模块、AI模块、视觉识别模块、电流计量模块；所述Lora控制器还包括：电源管理模块、MPU模块、内存模块、存储扩展模块、人机操作界面、显示单元；所述传感器选自温湿度传感器、烟气传感器、振动传感器、红外传感器、摄像传感器、压力传感器或气象传感器。
7.根据权利要求6所述的通信系统，其特征在于：所述Lora控制器采集所述气象传感器的数据；采用所述AI模块对所述气象传感器的数据和故障数据进行人工智能的大数据分析，获得所述通信系统在不同天气下四种工作模式：经济工作模式、正常天气Lora网关工作模式、异常天气Lora网关工作模式和极端天气Lora网关工作模式；所述Lora控制器设有的所述模式选择开关选择上述四种工作模式之一；经济工作模式是在气候状态好时，所述Lora控制器控制多个Lora处理器，间断运行一个或多个Lora处理器及其对应的接收层Lora网关，不工作的Lora处理器及其对应的接收层Lora网关关闭；正常天气Lora网关工作模式时，所述Lora控制器和Lora处理器及对应的Lora网关都正常工作；所述异常天气Lora网关工作模式时，所述Lora控制器发出控制信号，通过所述Lora处理器控制对应的所述物联网终端停止工作和控制所述上行多模接入模块停止工作或间断工作，并关闭对应的Lora处理器和接收层Lora网关；所述极端天气Lora网关工作模式时，所述Lora控制器发出控制信号，控制对应所述物联网终端停止工作和控制所述上行多模接入模块停止工作，对应的Lora处理器和接收层Lora网关关闭，当极端天气转变为其他天气时，再启动关闭的Lora处理器和接收层Lora网关；当气候发生变化时，所述Lora控制器通过所述模式选择开关进行选择。
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