CN108810136B - 一种基于NB-IoT和LoRa的通信方法及通信设备 - Google Patents

Abstract

一种基于NB‐IoT和LoRa的通信方法及通信设备，涉及通信技术领域，为了实现既提高传输距离，又降低广域信息监测系统的运行成本而提出的。主节点判断是否接收到子节点传来的LoRa帧数据，如果主节点接收到子节点传来的LoRa帧数据，则存入接收缓存区，按照改进LRU算法对该帧数据进行有效数据读取，将读取之后的有效数据存入发送缓存区；通过NB‑IoT将发送缓存区的数据上报给服务器，判断是否链接；如果已链接将发送缓存区的数据发送至服务器；未链接回到接收起点。子节点硬件系统用于实现传感信息采集和LoRa通信；主节点硬件系统用于实现LoRa通信、NB‐IoT通信、传感器信息采集、液晶屏显示。本发明能同时融合LoRa和NB‐IoT通信协议。

Description

一种基于NB-IoT和LoRa的通信方法及通信设备

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体是一种基于NB-IoT和LoRa融合的一种通信方法及通信设备。

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。NB-IoT是一种新的3GPP无线接入技术，旨在通过传统的GSM和LTE技术实现出色的性能，具有强链接、高覆盖、低功耗和低成本的特点。但采用LoRa的局域网通信存在传输距离受限的问题，而采用2G、3G、4G的广域网通信又存在广域信息监测系统的运行成本高的问题，现有技术中没有考虑LoRa和NB-IoT融合来进行通信。

本发明还包含通信算法的设计，该算法设计有效提高通信准确率，同时融合LoRa和NB-IoT通信协议。同时，本发明还包含了太阳能供电系统，太阳能供电为整个系统提供充足的能源供应。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于NB-IoT和LoRa的通信方法及通信设备，以实现既提高了传输距离，又降低广域信息监测系统的运行成本。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

一种基于NB-IoT和LoRa的通信方法，所述方法的实现过程为：

主节点(NB-IoT and LoRa Device,路由)判断是否接收到子节点(LoRa receive)传来的LoRa帧数据，

如果主节点接收到子节点传来的LoRa帧数据，则存入接收缓存区，按照改进LRU算法对该帧数据进行有效数据读取，将读取之后的有效数据存入发送缓存区；

然后通过NB-IoT将发送缓存区的数据上报给服务器，上报数据过程是：判断NB-IoT是否链接；如果NB-IoT已链接，将发送缓存区的数据发送至服务器；如果未链接，回到接收起点，即主节点(NB-IoT and LoRa Device,路由)继续判断是否接收到子节点(LoRareceive)传来的LoRa帧数据，依此循环下去，直至主节点断电。

进一步地，所述改进LRU算法为：

改进LRU算法用于实现：将新接收的LoRa帧数据置于顶部，把接收缓存区最底部的LoRa帧数据替换出去；并在最后一个LoRa帧数据被替换之前将最后一个LoRa帧数据处理完成；

所述改进LRU算法的工作步骤为：

首先，定义接收缓存区的存储空间容量，指针指向接收缓存区的第一位地址；

其次，将新的LoRa帧数据依次存入接收缓存区，指针依次自加；

然后，遍历接收缓存区，之后读取有效数据；所述有效数据是LoRa帧数据的多跳地址、源地址、N位数据；N为大为0且小于等于255的任意整数；

最后，当指针指向接收缓存区的最后一位地址时，将指针指向接收缓存区的第一位地址；当新的LoRa帧数据加入接收缓存区时，将会淘汰接收缓存区最底部数据，以此在周期内循环。

一种基于NB-IoT和LoRa的通信设备，所述通信设备包括子节点硬件系统，子节点硬件系统用于实现传感信息采集和LoRa通信；子节点硬件系统包括微控制器单元、通信单元、信息采集单元和供电单元四部分；

微控制器单元采用ST公司生产Cortex M3内核stm32f103系列单片机stm32f103ZET6，具有3个12位模数转换器；5个USART接口；最高72MHz工作频率；

通信单元包含LoRa通信模块；

信息采集单元包含模数转换器、RS232模块和RS485模块；

供电单元包括供电模块和电源控制器；

模数转换器、RS232模块和RS485模块用于与传感器通信用于采集传感器信息；电源控制器的输出端用于连接传感器；微控制器单元与LoRa通信模块通信。

进一步地，所述的子节点硬件系统还包括太阳能板、太阳能板控制器和蓄电池；太阳能板通过太阳能板控制器为蓄电池充电，太阳能板通过太阳能板控制器为子节点硬件系统的供电模块充电。

一种基于NB-IoT和LoRa的通信设备，所述通信设备包括主节点硬件系统，

主节点硬件系统用于实现LoRa通信、NB-IoT通信、传感器信息采集、液晶屏显示；

主节点硬件系统包括微控制器单元、通信单元、信息采集单元和供电单元、显示屏；

通信单元包含LoRa通信模块、NB-IoT通信模块；

信息采集单元包含模数转换器、RS232模块和RS485模块；

供电单元包括供电模块和电源控制器；

模数转换器、RS232模块和RS485模块用于与传感器通信用于采集传感器信息；电源控制器的输出端用于连接传感器；微控制器单元与LoRa通信模块、NB-IoT通信模块通信；显示屏用于实时显示。

进一步地，所述的主节点硬件系统还包括太阳能板、太阳能板控制器和蓄电池；太阳能板通过太阳能板控制器为蓄电池充电，太阳能板通过太阳能板控制器为子节点硬件系统的供电模块充电。

本发明的发明内容有NB-IoT和LoRa融合通信方法及设备、应用LRU算法于LoRa通信中和太阳能供电。

本发明的有益效果是：

本发明提供的一种LoRa和NB-IoT融合的通信方法，局域网通信采用LoRa，广域网通信采用NB-IoT。本方法的优点在于采用NB-IoT和LoRa结合的方式既提高了传输距离，又降低了广域信息监测系统的运行成本。本发明还包含通信算法的设计，该算法设计有效提高通信准确率，同时融合LoRa和NB-IoT通信协议。

本发明硬件设计了RS232 RS485 ADC三个接口采集传感器信息，同时设计了传感器电源控制，从而达到适应性强、设备能耗低的结果。硬件设计中，将LoRa、NB-IoT、微控制器微控制器传感器器信息采集集成为主板。硬件设计中，还集成了太阳能板和太阳能控制器、锂电池、主板、传感器采集等，方便携带安装使用。本发明的太阳能供电系统，能供电为整个系统提供充足的能源供应。

附图说明

图1是本发明方法的原理示意图。图2是本发明通信方法的流程框图(主节点主程序流程图)。图3是本发明算法工作步骤流程图(改进LRU算法图)；图4是本发明子节点系统框图，图5是主节点系统框图。

图6是单跳实验图，图7是多跳实验图。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1至3所示，本实施方式所述的一种基于NB-IoT和LoRa的通信方法的实现过程为：

主节点(NB-IoT and LoRa Device,路由)判断是否接收到子节点(LoRa receive)传来的LoRa帧数据，

如果主节点接收到子节点传来的LoRa帧数据，则存入接收缓存区，按照改进LRU算法对该帧数据进行有效数据读取，将读取之后的有效数据存入发送缓存区；

然后通过NB-IoT将发送缓存区的数据上报给服务器，上报数据过程是：判断NB-IoT是否链接；如果NB-IoT已链接，将发送缓存区的数据发送至服务器；如果未链接，回到接收起点，即主节点(NB-IoT and LoRa Device,路由)继续判断是否接收到子节点(LoRareceive)传来的LoRa帧数据，依此循环下去，直至主节点断电。

所述改进LRU算法为：

改进LRU算法用于实现：将新接收的LoRa帧数据置于顶部，把接收缓存区最底部的LoRa帧数据替换出去；并在最后一个LoRa帧数据被替换之前将最后一个LoRa帧数据处理完成；

所述改进LRU算法的工作步骤为：

首先，定义接收缓存区的存储空间容量，指针指向接收缓存区的第一位地址；

其次，将新的LoRa帧数据依次存入接收缓存区，指针依次自加；

然后，遍历接收缓存区，之后读取有效数据；所述有效数据是LoRa帧数据的多跳地址、源地址、N位数据；N为大为0且小于等于255的任意整数；

最后，当指针指向接收缓存区的最后一位地址时，将指针指向接收缓存区的第一位地址；当新的LoRa帧数据加入接收缓存区时，将会淘汰接收缓存区最底部数据，以此在周期内循环。

NB-IoT和LoRa通信方法有主节点具有LoRa通信、NB-IoT通信、传感器信息采集等功能。它起到区域子节点信息的汇集和上传服务器的LoRa-NB-IoT网关的作用，其程序流程图如图2所示。在程序初始化工作中，包含初始化系统时钟；初始化TFT_LCD显示屏；将LoRa模块置于工作模式；初始化串口；初始化缓存区等。初始化后，LoRa一直处于工作状态，NB-IoT模块自身具备自动休眠功能，CPU不控制NB-IoT模块的工作状态。然后，通过程序开启利用MOS管搭建的传感器电源控制电路，采集信息并存入NB-IoT发送缓存区。下一步判断是否接收到子节点数据：如果主节点中的LoRa模块接收到子节点数据，则按照改进LRU算法对数据进行处理。处理过程为：首先使用改进LRU算法读取有效数据帧，然后读取帧数据地址和提取有效数据。将处理之后的数据存入NB-IoT发送缓存区。以上完成之后进入NB-IoT数据上报服务器，上报数据过程是：判断NB-IoT在线；如果NB-IoT在线，将发送缓存区数据发送至服务器；如果不在线，回到起点。数据传送至服务器后，服务器分析数据和存储数据。

LRU算法有LRU算法又称为近期最少使用算法，其基本原理是：维护固定大小的缓存空间，将到达的元素依次存储到缓存中，并始终保持最新到达的元素置于缓存的顶端，最先到达的元素则保留在缓存的最底部。当有新元素加入但缓存已满时，本发明提出的方法能够将LRU算法进行改进，即把缓存最底部的元素替换出去，将新元素置于顶部。并在最后一个元素被替换之前将最后一个元素数据处理完成。

LRU算法工作步骤如图3所示：

初始化，定义存储空间大小，指针指向存储空间第一位；

第一步，先将加入数据帧至缓存区，指针自加；

第二步，访问帧数据，并处理保存帧数据；

第三步，当指针指向存储空间最后一位时，将指针指向存储空间第一位。当新的帧数据加入存储空间时，将会淘汰缓存区最后帧数据，以此在周期内循环。

主节点和多跳节点都能够同时接收几个模块的帧数据，所以都使用改进LRU算法进行数据处理，这样能有效避免帧传送错误率和节省大量的存储空间。

太阳能供电发明内容为：太阳能电池板设计的规格是12V/10W，蓄电池为两节标准3.7V锂电池。以上构建了一个具有充电、蓄电、和放电的电源组，以此达到在野外长时间连续为系统供电的要求。

具体实施方式二：如图4和图5，本实施方式给出了实现上述通信方法的子节点硬件系统和主节点硬件系统的具体结构：

1、子节点硬件系统设计

子节点硬件系统设计：子节点设计为作为LoRa单独通信节点子节点硬件系统主要实现传感信息采集、LoRa通信、低功耗特性以及太阳能和蓄电池供电等功能。子节点硬件设计主要包含微控制器单元、通信单元、信息采集单元和供电单元四部分设计。子节点硬件设计框图如图4所示。

微控制器单元采用ST公司生产Cortex M3内核stm32f103系列单片机stm32f103ZET6，具有3个12位模数转换器，多达21个输入通道；5个USART接口；最高72MHz工作频率；DC 3.3V供电，具有睡眠、停机和待机低功耗模式。通信单元硬件设计分为LoRa、NB-IoT、RS232和RS485通信设计。LoRa通信硬件设计有电源和电源指示灯，TTL串口通信，模式控制和通信指示灯，部分电路如图6所示。LoRa供电为3.3V，LED指示灯D4指示LoRa是否通电，通信方式为TTL串口通信，LoRa串口通信引脚为图中P1中引脚4和引脚5和微控制器串口2的TXD引脚和RXD引脚连接。图中LED指示灯D3指示LoRa发送和接收数据状态，每发送或者接受一次数据LED指示灯D3闪烁一次，D3与P1中3引脚链接。MD0和MD1引脚分别使用两个电阻上拉，并且与微控制器单元中两个GPIO引脚连接，根据GPIO电平来控制LoRa模式，LoRa模式如表，在本发明中只用到了一般模式和休眠模式。

供电单元有太阳能板、光电转化电路、DC-DC变换电路设计。太阳能电池板规格是12V/10W、蓄电池使用两节标准3.7V锂电池、光电转换电路使用目前市场的存在的模块，构建一个具有充电、蓄电、和放电的电源组。DC-DC转换主要有DC7.4V-DC5V，DC5V-DC3.3V。DC7.4V-DC5V采用具有低压特性LM7805芯片为系统提供DC5V电源。DC5V-DC3.3V采用1117-3.3芯片进行降压，为系统提供DC3.3V。在低功耗设计中，使用MOS管控制传感器电源，在需要采集信息时给传感器供电。通过本节设计，搭建一个具有充电、蓄电、放电、变压与低功耗的供电单元。

2、主节点节点硬件系统设计

主节点硬件设计：主节点硬件设计实现LoRa通信、NB-IoT通信、传感器信息采集、液晶屏显示、低功耗和太阳能和蓄电池供电。

主节点与子节点在硬件设计上，LoRa通信、NB-IoT通信、传感器信息采集、低功耗和太阳能和蓄电池供电设计上有很大的相似。主节点具有液晶显示屏，具有实时显示功能，主节点和子节点的最大的区别在软件设计上，后面章节会有详细介绍。

NB-IoT通信硬件设计有电源和电源指示灯，TTL串口通信，状态指示灯和状态反馈。NB-IoT采用DC-5V供电，LED指示灯D5指示NB-IoT是否工作，处于工作状态为闪烁，否则为灭。LED指示灯D6指示NB-IoT是否连接上网络，没连上网络为亮，连接网络为灭，并且将电平反馈给CPU。按键S6为NB-IoT恢复出厂设置按键，长按大于3s NB-IoT将会恢复出厂设置。RESET连接主板的RESET按键，与主板复位保持一致。RS232和RS485通信电路设计均为TTL串口通信设计，设计主要目的为了采集传感器信息。信息采集单元主要是采集传感器信息，硬件设计有AD采集和通信单元中的RS232和RS485，设计的目的是为了适应目前大部分传感器信息采集，让我们的硬件系统具有一定的通用特性。

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。

实验验证本发明技术方案的技术效果：

1、实验过程描述：

本系统测试地点为东北农业大学校园，由南向北大约3Km，其中有教学楼、宿舍楼和办公楼等，测试环境较为复杂。

1)点对点通信距离测试

在校园南向区域固定一个LoRa节点3，节点3包含pH、叶面温度、土壤温湿度传感器等。在距离节点3大约1Km处放置LoRa通信节点0。节点0包含土壤温湿度传感器、TFT_LCD显示屏、LoRa通信模块和NB-IoT通信模块。通过不断移动节点0，重复实验，在图6中所示的0号标注位置固定节点0。实验结果表明LoRa点对点通信在复杂环境下距离大约为1Km左右。

2)多跳通信距离测试

在上一节实验中可知，数据采集可靠与点对点通信距离大约为1Km。本次实验中，如图7所示，在校园南向区域固定节点3，节点3包含土壤温湿度传感器、LoRa通信模块。在图7中4号所指位置固定节点4，节点4包含LoRa通信模块，作为多跳节点。节点2作为移动节点，包含LoRa通信模块、NB-IoT通信模块、TFT_LCD液晶显示屏和土壤温湿度传感器。通过不断移动节点2，重复实验，在图7中所示的2号标注位置固定节点。

2、实验结果表明，在复杂环境下多跳实验通信距离大约为1.6Km。按照多跳通信实验方式将子节点1、子节点3、多跳节点4和主节点固定在测试杆上进行长时间测试。每个节点均由一块10W太阳板和一块10000mAh蓄电池供电，从2018年3月27日至2018年4月3号一共进行了8天的测试。实验测试数据表明本发明提出的LoRa-NB-IoT通信方法的丢包率为0.003。

Claims (3)

1.一种基于NB-IoT和LoRa的通信方法，其特征在于，实现所述通信方法的子节点硬件系统和主节点硬件系统为：

子节点硬件系统用于实现传感信息采集和LoRa通信；子节点硬件系统包括微控制器单元、通信单元、信息采集单元和供电单元四部分；微控制器单元采用ST公司生产Cortex M3内核stm32f103系列单片机stm32f103ZET6，具有3个12位模数转换器；5个USART接口；最高72MHz工作频率；通信单元包含LoRa通信模块；信息采集单元包含模数转换器、RS232模块和RS485模块；供电单元包括供电模块和电源控制器；模数转换器、RS232模块和RS485模块用于与传感器通信用于采集传感器信息；电源控制器的输出端用于连接传感器；微控制器单元与LoRa通信模块通信；

主节点硬件系统用于实现LoRa通信、NB-IoT通信、传感器信息采集、液晶屏显示；主节点硬件系统包括微控制器单元、通信单元、信息采集单元和供电单元、显示屏；通信单元包含LoRa通信模块、NB-IoT通信模块；信息采集单元包含模数转换器、RS232模块和RS485模块；供电单元包括供电模块和电源控制器；模数转换器、RS232模块和RS485模块用于与传感器通信用于采集传感器信息；电源控制器的输出端用于连接传感器；微控制器单元与LoRa通信模块、NB-IoT通信模块通信；显示屏用于实时显示；

所述方法的实现过程为：

主节点判断是否接收到子节点传来的LoRa帧数据，

所述主节点是指NB-IoT and LoRa Device,所述主节点为路由；

子节点是指LoRa receive；

如果主节点接收到子节点传来的LoRa帧数据，则存入接收缓存区，按照改进LRU算法对该帧数据进行有效数据读取，将读取之后的有效数据存入发送缓存区；

然后通过NB-IoT通信模块将发送缓存区的数据上报给服务器，上报数据过程是：判断NB-IoT是否链接；如果NB-IoT已链接，将发送缓存区的数据发送至服务器；如果未链接，回到接收起点，即主节点继续判断是否接收到子节点传来的LoRa帧数据，依此循环下去，直至主节点断电；

所述改进LRU算法为：

改进LRU算法用于实现：将新接收的LoRa帧数据置于顶部，把接收缓存区最底部的LoRa帧数据替换出去；并在最后一个LoRa帧数据被替换之前将最后一个LoRa帧数据处理完成；

所述改进LRU算法的工作步骤为：

首先，定义接收缓存区的存储空间容量，指针指向接收缓存区的第一位地址；

其次，将新的LoRa帧数据依次存入接收缓存区，指针依次自加；

然后，遍历接收缓存区，之后读取有效数据；所述有效数据是LoRa帧数据的多跳地址、源地址、N位数据；N为大为0且小于等于255的任意整数；

最后，当指针指向接收缓存区的最后一位地址时，将指针指向接收缓存区的第一位地址；当新的LoRa帧数据加入接收缓存区时，将会淘汰接收缓存区最底部数据，以此在周期内循环；

初始化后，LoRa通信模块一直处于工作状态，NB-IoT通信模块自身具备自动休眠功能，CPU不控制NB-IoT通信模块的工作状态；然后，通过程序开启利用MOS管搭建的传感器电源控制电路，采集信息并存入NB-IoT通信模块发送缓存区；下一步判断是否接收到子节点数据：如果主节点中的LoRa通信模块接收到子节点数据，则按照改进LRU算法对数据进行处理；处理过程为：首先使用改进LRU算法读取有效数据帧，然后读取帧数据地址和提取有效数据；将处理之后的数据存入NB-IoT通信模块发送缓存区；以上完成之后进入NB-IoT数据上报服务器，上报数据过程是：判断NB-IoT在线；如果NB-IoT在线，将发送缓存区数据发送至服务器；如果不在线，回到起点；数据传送至服务器后，服务器分析数据和存储数据。

2.根据权利要求1所述的一种基于NB-IoT和LoRa的通信方法，其特征在于，所述的子节点硬件系统还包括太阳能板、太阳能板控制器和蓄电池；太阳能板通过太阳能板控制器为蓄电池充电，太阳能板通过太阳能板控制器为子节点硬件系统的供电模块充电。

3.根据权利要求1所述的一种基于NB-IoT和LoRa的通信方法，其特征在于，所述的主节点硬件系统还包括太阳能板、太阳能板控制器和蓄电池；太阳能板通过太阳能板控制器为蓄电池充电，太阳能板通过太阳能板控制器为子节点硬件系统的供电模块充电。

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