CN108777882A - 一种面向低功耗广域网的LoRa通信方法、装置及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明具体涉及一种面向低功耗广域网的LoRa通信方法、装置及系统，是为了解决现有的LoRa通信系统的通信距离难以进行拓展，并且为解决通信节点在野外环境使用时功耗较高、续航时间较短的问题而提出的。面向低功耗广域网的LoRa通信装置包括：数据接收模块，用于接收通信数据；解析模块，用于对所述通信数据进行解析，以判断出通信数据中的通信方式为单跳通信方式或跳通信方式；数据处理模块，用于当通信方式为单跳通信方式时，将通信数据存储至数据存储区；还用于当通信方式为多跳通信方式时，将通信数据发送至下一个通信节点，直至发送到目标节点。本发明还包括一种面向低功耗广域网的LoRa通信方法和系统。本发明适用于工业控制领域的远距离无线传输。

Description

一种面向低功耗广域网的LoRa通信方法、装置及系统
技术领域
本发明涉及一种低功耗广域网通信技术，具体涉及一种面向低功耗广域网的LoRa通信方法、装置及系统。
背景技术
LoRa技术是一种基于扩频调制技术的无线通讯技术，具有传输距离远、发射功耗低、抗干扰性强等特点，环境监测、工业控制等领域已在逐步推广应用。LoRa是LPWAN通信技术中的一种，是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。
目前已有的LoRa通信系统的通信距离有限，难以进一步对通信距离进行拓展，并且通信节点属于常时工作状态，功耗较高，不利于野外环境的使用。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的LoRa通信系统的通信距离有限，难以进一步对通信距离进行拓展，并且通信节点属于常时工作状态，功耗较高，不利于野外环境的使用的缺点，而提出一种面向低功耗广域网的LoRa通信方法、装置及系统。
根据本发明的第一方面，提供一种面向低功耗广域网的LoRa通信方法，所述方法由LoRa通信节点执行，包括：接收通信数据；对所述通信数据进行解析，以判断出通信数据中的通信方式为单跳通信方式或跳通信方式；当通信方式为单跳通信方式时，将通信数据存储至数据存储区；还用于当通信方式为多跳通信方式时，将通信数据发送至下一个通信节点，直至发送到目标节点。
根据本发明的第二方面，提供一种面向低功耗广域网的LoRa通信装置，包括：数据接收模块，用于接收通信数据；解析模块，用于对所述通信数据进行解析，以判断出通信数据中的通信方式为单跳通信方式或跳通信方式；数据处理模块，用于当通信方式为单跳通信方式时，将通信数据存储至数据存储区；还用于当通信方式为多跳通信方式时，将通信数据发送至下一个通信节点，直至发送到目标节点。
根据本发明的第三方面，提供一种面向低功耗广域网的LoRa通信系统，包括MCU、LoRa模块，所述MCU包括模式控制模块，用于控制所述LoRa模块在接收到通信数据时进入工作模式，并控制所述LoRa模块在发送通信数据后进入休眠模式；所述MCU还包括：数据接收模块，用于接收通信数据；解析模块，用于对所述通信数据进行解析，以判断出通信数据中的通信方式为单跳通信方式或跳通信方式；数据处理模块，用于当通信方式为单跳通信方式时，将通信数据存储至数据存储区；还用于当通信方式为多跳通信方式时，将通信数据发送至下一个通信节点，直至发送到目标节点。
本发明的有益效果为：1、设置了多跳通信方式，可以增加LoRa的通信距离；2、硬件电路部分可控制LoRa的工作模式，使得LoRa能够在不需要进行通信时节省电能；3、设置了传感器电源控制电路，能够降低数据采集传感器的耗能，进而能够增加通信节点20％以上的续航时间。
附图说明
图1为本发明一个实施例的面向低功耗广域网的LoRa通信装置的方框原理图；
图2为单跳通信方式和多跳通信方式的示意图；
图3为本发明一个实施例的面向低功耗广域网的LoRa通信系统的电路结构示意图，其中图3(a)表示工作模式指示灯电路，R14为分压电阻，D3为表示LoRa模块是否处于数据发送/接收状态的发光二极管，AUX表示此端需要连接LoRa模块的AUX引脚；图3(b)表示休眠模式指示灯电路，R15为分压电阻，D4为表示LoRa模块电源通断的发光二极管，GND表示接地；图3(c)表示机械调节接口电路，其中P3为机械调节LoRa模块工作模式的接口芯片，MD0和MD1信号用于确定工作模式或休眠模式，R16和R13均为分压电阻；图3(d)表示LoRa模块；
图4为传感器电源控制电路的结构图；R36为第一分压电阻，R34为第二分压电阻，Q7为第一MOS管，Q8为第二MOS管；MOS9I/O信号为MCU发送的信号，OUT9V信号用于发送给数据采集传感器的电源。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式的面向低功耗广域网的LoRa通信装置装配于通信节点中，如图1所示，具体包括：
数据接收模块，用于接收通信数据。
解析模块，用于对所述通信数据进行解析，以判断出通信数据中的通信方式为单跳通信方式或跳通信方式。
数据处理模块，用于当通信方式为单跳通信方式时，将通信数据存储至数据存储区；还用于当通信方式为多跳通信方式时，将通信数据发送至下一个通信节点，直至发送到目标节点。
具体而言，通信节点可以是由数据采集传感器、MCU、LoRa模块等构成的电路，其中LoRa用于通过无线通信方式传输数据，数据采集传感器用于采集数据，MCU用于进行控制和存储。
本实施方式中的数据接收模块用于从数据采集传感器接收通信数据，解析模块用于解析通信数据的具体内容，同时判断出通信方式是单跳通信方式还是多跳通信方式，其中单跳通信方式表示将数据发送给下一个通信节点即完成了数据传输过程，而多跳通信方式表示下一个节点不是最终的目标节点，发给下一个通信节点后还需要进行一次或多次转发才能到达目标节点。其中每个通信节点内部预先定义了它对应的下一个节点，并且每次发送数据时是发送给预先定义好的节点。单跳通信方式和多跳通信方式的示意图如图2所示，可以看出单跳通信方式的数据发送节点和目标节点间不存在其他节点，而多跳方式的数据发送节点和目标节点间存在其他节点。
数据处理模块用于根据不同的通信类型决定执行何种操作。当通信类型为单跳时，意味着通信数据已经到达了目标节点，即当前通信节点就是目标节点，此时将接收到的通信数据存储到数据存储区(例如MCU中的存储区)中。当通信类型为多跳时，需要根据通信数据判断目标节点地址和当前通信节点的地址是否一致，如果一致，则说明当前通信节点就是目标节点，此时将通信数据存储到数据存储区中；如果不一致，则说明当前通信节点不是目标节点，因此当前节点还需要将通信数据继续向下一个通信节点传输，直至传输到达目标节点。
本实施方式的有益效果是，定义了新的通信过程，在通信数据中加入了表示单跳或者多跳的信息，由于LoRa模块的通信距离有限，本实施方式通过多跳的通信方式可以在多个通信节点间传输数据，使得LoRa模块可以无限拓宽传输距离。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述数据接收模块接收到的通信数据包括头帧、信息内容帧、目标节点地址帧、源地址帧以及尾帧。
即通信数据符合如下的协议格式：
协议表
其中每一帧数据有1Byte固定的16进制数据头帧和1Byte固定的16进制数据尾帧；在协议倒数第二位有1Byte16进制地址，用于表示源地址，即通信数据的原始发送节点的地址；在协议倒数第三位有1Byte 16进制位，这1byte为目标节点地址帧，用来指定是否为多跳。如果倒数第三位包含的信息是多跳，则信息内容为目标节点的地址；如果这位包含的信息为非多跳，则信息为0x00。协议中间为n Bytes 16进制数据，用来表示信息内容。
其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：解析模块用于识别目标节点地址帧的数值是否为0，若是，则判断通信方式为单跳通信方式；若否，则判断通信方式为多跳通信方式。
即在具体实施方式二中的协议表中，根据目标节点地址帧的数值进行判定，若为0则为单跳，若不为0，则为多跳，且该帧的数值表示目标节点的地址。
其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：数据处理模块包括：
单跳通信处理单元，用于当通信方式为单跳通信时，将通信数据存入数据存储区。即如果当前的通信节点接收到的通信数据为单跳通信方式，说明自身为目标节点，直接存储到自身的数据存储区即可。
多跳通信处理单元，用于当通信方式为多跳通信时，判断所述通信数据的目标地址帧是否与当前通信节点的地址相同，若否，则将所述通信数据发送至下一通信节点；若是，则将所述通信数据存储至当前通信节点的数据存储区中。即如果当前的通信节点接收到的通信数据为多跳通信方式，需要判断该通信数据是否是发给当前通信节点的，如果目标节点地址与当前通信节点的地址不同，则说明不是发给当前通信节点的数据，需要继续将通信数据向下一个节点转发，如果目标地址与当前通信节点的地址相同，则说明当前通信节点就是目标节点，此时将数据进行存储。
本实施方式的有益效果是，通过多跳通信方式可以将数据连续转发，从而不会受限于LoRa模块的通信距离。
其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式提供一种面向低功耗广域网的LoRa通信系统，如图3所示，包括MCU、LoRa模块，MCU包括模式控制模块，用于控制LoRa模块在接收到通信数据时进入工作模式，并控制LoRa模块在发送通信数据后进入休眠模式；MCU具有数据存储区；MCU还包括：
数据接收模块，用于接收通信数据。
解析模块，用于对通信数据进行解析，以判断出通信数据中的通信方式为单跳通信方式或跳通信方式。
数据处理模块，用于当通信方式为单跳通信方式时，将通信数据存储至数据存储区；还用于当通信方式为多跳通信方式时，将通信数据发送至下一个通信节点，直至发送到目标节点。
具体而言，本实施方式提供了一种硬件配置和软件装置，其中软件装置的部分与具体实施方式一相同，硬件配置部分主要包括用于处理数据的MCU和用于进行通信的LoRa模块，在本实施方式中，MCU的作用是控制LoRa模块进入工作模式或者是休眠模式，具体可以是通过控制电源通断的方式进行，即需要进行数据传输时，MCU提供能够使LoRa模块正常工作的电平，不需要进行数据传输时，则调整电平使LoRa模块处于休眠状态。
这样设置的好处是，通过交替控制工作模式和休眠模式，使LoRa模块在不工作的时候断电，能够节省电能。
其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：面向低功耗广域网的LoRa通信系统还包括与LoRa连接的机械调节接口，用于通过开关或短路片方式控制LoRa进入工作模式或休眠模式。
具体实施方式六提供了一种通过MCU进行模式选择的方案，而本实施方式通过机械方式进行调节。
其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：面向低功耗广域网的LoRa通信系统还包括数据采集传感器和传感器电源控制电路，MCU依次与传感器电源控制电路和数据采集传感器连接，传感器电源控制电路用于在MCU需要采集数据时为数据采集传感器通电，并在MCU不需要采集数据时切断数据采集传感器的供电。
本实施方式的目的是通过传感器电源控制室电路控制数据采集传感器的电源通断，当需要采集数据时提供电源，当不需要采集数据时断开电源。这样设置可以减少数据采集传感器的不必要工作时间，进而节省电能。
其它步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：如图4所示，传感器电源控制电路包括第一电阻、第二电阻、第一MOS管和第二MOS管，其中第一电阻的第一端连接MCU的控制引脚，第一电阻的第二端分别连接第一MOS管的GATE极和第二MOS管的GATE极；第一MOS管和第二MOS管的source极均接地；第一MOS管和第二MOS管的drain极均与第二电阻的第一端连接；第二电阻的第二端连接直流电源，并且第二电阻的第二端还连接数据采集传感器的电源输入端。
在本实施方式中，使用MOS管控制传感器电源。在需要采集信息时控制MOS管给传感器供电。在不采集信息时，通过MOS管关闭传感器电源，这样设置可以有效降低功耗。
其它步骤及参数与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式提供一种面向低功耗广域网的LoRa通信方法，这种方法是由LoRa通信节点执行的，包括：
接收通信数据；对通信数据进行解析，以判断出通信数据中的通信方式为单跳通信方式或跳通信方式；当通信方式为单跳通信方式时，将通信数据存储至数据存储区；还用于当通信方式为多跳通信方式时，将通信数据发送至下一个通信节点，直至发送到目标节点。
进一步地，通信数据包括头帧、信息内容帧、目标节点地址帧、源地址帧以及尾帧；对通信数据进行解析的具体过程为：识别目标节点地址帧的数值是否为0，若是，则判断通信方式为单跳通信方式；若否，则判断通信方式为多跳通信方式；当通信方式为单跳通信时，将通信数据存入数据存储区；当通信方式为多跳通信时，判断通信数据的目标地址帧是否与当前通信节点的地址相同，若否，则将通信数据发送至下一通信节点；若是，则将通信数据存储至当前通信节点的数据存储区中。
本实施方式与具体实施方式一至四的内容相近，是面向低功耗广域网的LoRa通信装置的方法实现过程。
参照图2，本实施方式的方法在实际应用中的一个具体应用场景为：
在进行单跳通信时，LoRa节点1和LoRa节点2处于有效通信距离内，LoRa节点1传输数据至LoRa节点2，LoRa节点2接收LoRa节点1的数据。
在进行多跳通信时，LoRa节点1和LoRa节点2不处于有效通信距离内，LoRa节点3与LoRa节点1处于有效通信距离内，LoRa节点3与LoRa节点2处于有效通信距离内；LoRa节点1传输数据至LoRa节点3，LoRa节点3将LoRa节点1传输至LoRa节点3的数据传输至LoRa节点2，LoRa节点2接收LoRa节点1的数据。
本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种面向低功耗广域网的LoRa通信方法，所述方法由LoRa通信节点执行，其特征在于，包括：
接收通信数据；
对所述通信数据进行解析，以判断出通信数据中的通信方式为单跳通信方式或跳通信方式；
当通信方式为单跳通信方式时，将通信数据存储至数据存储区；还用于当通信方式为多跳通信方式时，将通信数据发送至下一个通信节点，直至发送到目标节点。
2.根据权利要求1所述的面向低功耗广域网的LoRa通信方法，其特征在于：
所述通信数据包括头帧、信息内容帧、目标节点地址帧、源地址帧以及尾帧；
对所述通信数据进行解析的具体过程为：识别目标节点地址帧的数值是否为0，若是，则判断通信方式为单跳通信方式；若否，则判断通信方式为多跳通信方式；
当通信方式为单跳通信时，将通信数据存入数据存储区；当通信方式为多跳通信时，判断所述通信数据的目标地址帧是否与当前通信节点的地址相同，若否，则将所述通信数据发送至下一通信节点；若是，则将所述通信数据存储至当前通信节点的数据存储区中。
3.一种面向低功耗广域网的LoRa通信装置，所述装置装配于LoRa通信节点中，其特征在于，包括：
数据接收模块，用于接收通信数据；
解析模块，用于对所述通信数据进行解析，以判断出通信数据中的通信方式为单跳通信方式或跳通信方式；
数据处理模块，用于当通信方式为单跳通信方式时，将通信数据存储至数据存储区；还用于当通信方式为多跳通信方式时，将通信数据发送至下一个通信节点，直至发送到目标节点。
4.根据权利要求3所述的面向低功耗广域网的LoRa通信装置，其特征在于，所述数据接收模块接收到的通信数据包括头帧、信息内容帧、目标节点地址帧、源地址帧以及尾帧。
5.根据权利要求4所述的面向低功耗广域网的LoRa通信装置，其特征在于，所述解析模块用于识别目标节点地址帧的数值是否为0，若是，则判断通信方式为单跳通信方式；若否，则判断通信方式为多跳通信方式。
6.根据权利要求5所述的面向低功耗广域网的LoRa通信装置，其特征在于，数据处理模块包括：
单跳通信处理单元，用于当通信方式为单跳通信时，将通信数据存入数据存储区；
多跳通信处理单元，用于当通信方式为多跳通信时，判断所述通信数据的目标地址帧是否与当前通信节点的地址相同，若否，则将所述通信数据发送至下一通信节点；若是，则将所述通信数据存储至当前通信节点的数据存储区中。
7.一种面向低功耗广域网的LoRa通信系统，其特征在于，包括MCU、LoRa模块，所述MCU包括模式控制模块，用于控制所述LoRa模块在接收到通信数据时进入工作模式，并控制所述LoRa模块在发送通信数据后进入休眠模式；所述MCU具有数据存储区；所述MCU还包括：
数据接收模块，用于接收通信数据；
解析模块，用于对所述通信数据进行解析，以判断出通信数据中的通信方式为单跳通信方式或跳通信方式；
数据处理模块，用于当通信方式为单跳通信方式时，将通信数据存储至数据存储区；还用于当通信方式为多跳通信方式时，将通信数据发送至下一个通信节点，直至发送到目标节点。
8.根据权利要求7所述的面向低功耗广域网的LoRa通信系统，其特征在于，还包括与所述LoRa模块连接的机械调节接口，用于通过开关或短路片方式控制LoRa模块进入工作模式或休眠模式。
9.根据权利要求8所述的面向低功耗广域网的LoRa通信系统，其特征在于，还包括数据采集传感器和传感器电源控制电路，所述MCU依次与传感器电源控制电路和数据采集传感器连接，所述传感器电源控制电路用于在MCU需要采集数据时为数据采集传感器通电，并在MCU不需要采集数据时切断数据采集传感器的供电。
10.根据权利要求9所述的面向低功耗广域网的LoRa通信系统，其特征在于，所述传感器电源控制电路包括第一电阻、第二电阻、第一MOS管和第二MOS管，其中第一电阻的第一端连接所述MCU的控制引脚，第一电阻的第二端分别连接第一MOS管的GATE极和第二MOS管的GATE极；第一MOS管和第二MOS管的source极均接地；第一MOS管和第二MOS管的drain极均与第二电阻的第一端连接；第二电阻的第二端连接直流电源，并且第二电阻的第二端还连接所述数据采集传感器的电源输入端。
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