CN108833245A - 一种基于CAN和LoRa的级联扩展采集系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于CAN和LoRa的级联扩展采集系统及方法，属于扩展传输技术，本发明要解决的技术问题为如何提高矿井巷道内无线传输的抗干扰性以及CAN总线带宽数据传输速度，采用的技术方案为：其结构包括传输分站和至少一个采集器，传输分站与采集器之间以及采集器与采集器之间通过CAN总线进行数据的连接通信；采集器包括主控制器、副控制器、CAN收发器一、CAN收发器二、Flash存储模块和至少一个LoRa模块；主控制器通过串口连接副控制器；主控制器通过CAN总线分别连接CAN收发器一和CAN收发器二；主控制器通过SPI连接Flash存储模块；副控制器通过串口分别连接LoRa模块。本发明还公开了一种基于CAN和LoRa的级联扩展采集方法。

Description

一种基于CAN和LoRa的级联扩展采集系统及方法

技术领域

本发明涉及扩展传输技术领域，具体地说是一种基于CAN和LoRa的级联扩展采集系统及方法。

背景技术

由于矿井巷道内情况十分复杂，巷道中有钢轨、支架、风门、照明线和动力电缆等，巷道壁凹凸不平、纵横交错、拐弯抹角，在这样一个复杂的有限空间中，无线电波的传播和自由空间与地面大不一样。在矿井巷道的无线电波传输距离一般情况下会衰减到地面的五分之一左右。因此矿井巷道的无线采集设备的部署密度要比地面部署多很多，故矿井巷道内无线采集设备部署成本较高。

为了将矿井中的数据通过工业以太网上传到地面服务器，需要具备IP功能的分站设备，但由于矿井中光纤布线施工的复杂和普通双绞线传输距离的限制，不可能大量的部署IP功能的分站设备，为了满足现场工业控制的需要，一般采用分站加上总线网络的方式进行现场布置。

在同等传输距离的情况下，总线数据传输速率是线上挂载的设备数成反比，若直接采用分站加上多个采集器挂载总线的方式，会影响数据的传输速率，大大降低系统的及时性。故现有技术中矿井巷道内无线传输存在如下问题：

(一)、如何提高矿井巷道内无线传输的抗干扰性以及CAN总线带宽数据传输速度；

(二)、如何扩展了无线数据采集的范围；

(三)、如何实现低带宽下高负载接入，进而有效避免人员定位、瓦斯等其他需频繁上报数据通信碰撞；

(四)、当前移动终端设备在现场必须通过网络访问地面服务器才能获取现场环境参数和设备信息，在没有以太网、wifi、4G、3G等基于IP的网络时，没有办法获取实时的监控信息，具有很强的局限性。

发明内容

本发明的技术任务是提供一种基于CAN和LoRa的级联扩展采集系统及方法，来解决如何提高矿井巷道内无线传输的抗干扰性以及CAN总线带宽数据传输速度、如何扩展了无线数据采集的范围、如何实现低带宽下高负载接入，进而有效避免人员定位、瓦斯等其他需频繁上报数据通信碰撞以及如何消除监控信息传输的局限性的问题。

本发明的技术任务是按以下方式实现的，基于CAN和LoRa的级联扩展采集系统，该采集系统包括传输分站和至少一个采集器，传输分站与采集器之间以及采集器与采集器之间通过CAN总线进行数据的连接通信；

采集器包括主控制器、副控制器、CAN收发器一、CAN收发器二、Flash存储模块和至少一个LoRa模块；主控制器通过串口连接副控制器；

主控制器通过CAN总线分别连接CAN收发器一和CAN收发器二；其中，主控制器内置有CAN控制器一和CAN控制器二；其中，CAN控制器一连接CAN收发器一，CAN控制器二连接CAN收发器二；

主控制器通过SPI连接Flash存储模块，Flash存储模块用于存储定位信息和系统命令；

副控制器通过串口分别连接LoRa模块，LoRa模块用于搭建LoRa无线传感网络，接收人员定位设备发送的区域定位信息和精确定位信息。

作为优选，所述CAN收发器一引出CAN总线接口一，CAN总线接口一接入CAN总线的监控网络中，接收CAN收发器一下的各种传感器信息。

作为优选，所述CAN收发器二引出CAN总线接口二，CAN总线接口二用于接入CAN总线，通过点对点连接的方式连接采集器，实现LoRa无线覆盖范围的增加。

更优地，所述LoRa模块设置有七个，七个LoRa模块分配信道0到信道6七个信道，通过七个信道并通过分频分时的方式增加LoRa无线网络的负载能力。

更优地，所述采集器还包括电源模块，电源模块分别电连接主控制器、副控制器、LoRa模块、CAN收发器一和CAN收发器二为其供电。

更优地，所述LoRa模块上设置有天线，电源模块采用LDO芯片和DC-DC芯片。

更优地，所述主控制器和副控制器均采用STM32F407芯片，LoRa模块采用成都忆佰特的E32-TTL-100LoRa芯片，CAN收发器一和CAN收发器二均采用金升阳的TD321DCANH芯片，Flash存储模块采用容量为128MB的W25Q128B芯片，LDO芯片采用AMS1117-3.3，DC-DC芯片采用LM2596T-5.0/NOPB；其中，电源模块将能满足5-36V宽电压输入，并采用分模块独立供电的电源供应策略，根据模块的功率情况选择恰当的供电芯片，DC-DC芯片采用LM2596T-5.0/NOPB(3A供电能力)，LDO芯片采用AMS1117-3.3(1A供电能力)。

基于CAN和LoRa的级联扩展采集方法，该方法包括如下步骤：

S1、采集器缓冲转发下级采集器上传以及上级采集器或传输分站下发的CAN通讯帧；

S2、CAN收发器一和CAN收发器二接收数据处理和缓冲转发，具体如下：

S201、定义CAN收发器一连接上级采集器或传输分站，CAN收发器二连接下级采集器，主控制器为CAN收发器一和CAN收发器二开辟两个数据缓冲空间，并采取同样的数据处理策略；

S202、对于发送给本机的数据通讯帧或广播通讯帧，由后台数据处理应用系统进行处理；

S203、接收到一个CAN通讯帧之后，会将CAN通讯帧按13个字节进行缓冲存储，主控制器在内存中分别开辟两个深度为1000的环形队列缓冲区，通过三个计数值来标识当前队列中的有效数据数、当前写入数据的地址、当前读取数据的地址，采用循环队列缓冲的方法，协调了写入数据和读取数据的速度差异，保证CAN缓冲转发的及时和有效；在环形队列缓冲区中有效数据数不为0时，主控制器会通过后台应用系统一条一条的转发出去；

S3、采集器动态管理LoRa无线终端设备(人员定位设备和LoRa监控设备)进行无线通信时采用的信道和时隙坐标(分频分时)的方法，具体步骤如下：

S301、采集器通过副控制器进行LoRa信道和时隙坐标的分配工作；7个LoRa模块预先设置好信道和空中速率，空中速率一致，信道分别设置为信道0、信道1、信道2、信道3、信道4、信道5、信道6；其中，信道0作为信道和时隙坐标动态分配专用信道，信道1到信道6作为数据传输专用信道进行数据传输使用；

S302、信道和时隙坐标动态分配过程；

S303、LoRa数据通信的分配；

从采集器来看，可以将整个LoRa通信过程分为两部分，发送时段和接收时段；

发送时段整个信道中只有采集器发送信息，信息间间隔100ms(为了使LoRa模块能够实现分条发送)；

接收时段通过数据通信用信道发送的时钟同步信息开始，之后1S内处理接收到的数据；

从LoRa终端设备来看，整个通信过程分为三部分，接收信息，准备发送时段，伺机发送时段；在接收到时钟同步信号后进入准备开始发送阶段(根据时隙坐标码确定延迟发送时间)。

S4、通过采集器LoRa无线传感网络获取的无线覆盖范围内的环境参数和各种传感器的信息，并接收来自于传输分站同步过来的整个分站辖区内所有的环境参数和各种传感器的信息，在采集器本地建立一个小型的区域监控信息存储单元，手持终端通过人员的定位设备中的蓝牙和LoRa模块与采集器建立连接，获取现场的监控信息，其中，传感器具体包括氧气传感器、一氧化碳传感器、甲烷传感器、风速风向传感器、烟雾传感器等其他传感器。

作为优选，所述步骤S201中数据处理策略的具体方法如下：

S2011、CAN收发器一和CAN收发器二在接收到CAN通讯帧之后，按照扩展标识符的位定义将报文类型、源地址、目的地址、报文总数、报文序号提取出来；

S2012、查看目的地址是否与本机地址一致：

①、若一致，则将本条CAN通讯帧存入本地待处理缓冲区中；

②、若不一致，则放入CAN收发器一或CAN收发器二的数据转发处理缓冲区中；

③、若目的地址为广播地址，既放入本地待处理缓冲区中，又放入CAN收发器一或CAN收发器二的数据转发处理缓冲区中。

更优地，所述步骤S302中信道和时隙坐标动态分配过程具体如下：

S3021、副控制器通过串口控制信道0的LoRa模块每隔周期为1S的时间发送一次握手信息，握手信息中包含12个字节16进制有效数据，2个字节显示一个信道的时隙坐标占用情况，恰好显示6个信道的时隙坐标情况；

S3022、副控制器中有一个信道时隙坐标设备列表，将记录信道1到信道6共60个时隙坐标的设备接入情况，并加入释放倒计时机制，在30个通信周期之内没有接收到新的报文信息之后会释放当前的时隙坐标，供其他设备接入；

S3023、传输分站的副控制器周期性根据信道时隙坐标设备列表生成握手信息，并通过通道0的LoRa模块发送，LoRa终端设备在收到握手信息后，会根据随机码发生器产生的随机码选择一个空闲的时隙坐标码，根据时隙坐标码调整LoRa模块的通道，并在收到数据通信用通道发送的时钟同步信号后延迟相应的时间后发送一条时隙坐标码确认报文；待传输分站中数据通信用信道接收到时隙坐标码确认报文后会发送给副控制器，副控制器会更新信道时隙坐标码列表，并同时通过通信用信道向LoRa终端设备发送一条时隙坐标码分配成功信息：

①、若LoRa终端设备接收到时隙坐标码分配成功报文，则锁定LoRa时隙坐标码；

②、若LoRa终端设备未接收到时隙坐标码分配成功报文，则副控制器会释放当前的信道时隙坐标，恢复到通道0等待状态，等待接收通道0发送的信道时隙坐标握手信息，重新选择时隙坐标码，一直到锁定时隙坐标码为止。

本发明的基于CAN和LoRa的级联扩展采集系统及方法具有以下优点：

(一)、本发明利用点对点的级联方式的CAN总线数据传输方式，实现CAN数据传输速率的最大化，即利用了CAN总线差分传输抗干扰的特性，又同时利用最大的CAN总线带宽进行数据传输，提高了数据传输的效率，增加了通信传输的距离；

(二)、本发明还集成LoRa数据采集功能，扩展了无线数据采集的范围；

(三)、LoRa数据采集通过动态分配信道时隙坐标码的方式，实现低带宽下高负载接入的问题，解决了人员定位、瓦斯等其他需频繁上报数据通信碰撞，导致通信成功率低的问题，大大增加了信道的利用率和网络的负载能力；

(四)、本发明通过采集器的LoRa无线覆盖，搭建了一个传输网络，借助于人员定位设备上的蓝牙和LoRa模块，成功与手持终端建立网络连接，现场直接获取环境参数和设备信息，有效解决了当前移动终端设备在现场必须通过网络访问地面服务器才能获取现场环境参数和设备信息，在没有以太网、wifi、4G、3G等基于IP的网络时，没有办法获取实时的监控信息的问题。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

附图1为基于CAN和LoRa的级联扩展采集系统及方法的结构框图；

附图2为附图1中采集器的结构框图。

图中：1、传输分站，2、采集器，3、主控制器，4、副控制器,5、CAN收发器一，6、CAN收发器二，7、Flash存储模块，8、CAN总线，9、LoRa模块，10、串口，11、CAN总线接口一，12、CAN总线接口二，13、SPI，14、电源模块，15、天线，16、LDO芯片，17、DC-DC芯片。

具体实施方式

参照说明书附图和具体实施例对本发明的基于CAN和LoRa的级联扩展采集系统及方法作以下详细地说明。

实施例1：

如附图1所示，本发明的基于CAN和LoRa的级联扩展采集系统,其结构包括传输分站1和三个采集器2，传输分站1与采集器2之间以及采集器2与采集器2之间通过CAN总线8进行数据的连接通信。

如附图2所示，采集器1包括主控制器3、副控制器4、电源模块14、CAN收发器一5、CAN收发器二6、Flash存储模块7和七个LoRa模块9，七个LoRa模块9分配信道0到信道6七个信道，通过七个信道并通过分频分时的方式增加LoRa无线网络的负载能力。电源模块14分别电连接主控制器3、副控制器4、LoRa模块9、CAN收发器一5和CAN收发器二6为其供电。主控制器3通过串口10连接副控制器4；主控制器3通过CAN总线8分别连接CAN收发器一5和CAN收发器二6；其中，主控制器3内置有CAN控制器一和CAN控制器二；CAN收发器一5引出CAN总线接口一11，CAN总线接口一11接入CAN总线8的监控网络中，接收CAN收发器一5下的各种传感器信息；CAN收发器二6引出CAN总线接口二12，CAN总线接口二12用于接入CAN总线8，通过点对点连接的方式连接采集器，实现LoRa无线覆盖范围的增加。其中，主控制器内置有CAN控制器一和CAN控制器二；CAN控制器一连接CAN收发器一5，CAN控制器二连接CAN收发器二6；主控制器3通过SPI 13连接Flash存储模块7，Flash存储模块7用于存储定位信息和系统命令；副控制器4通过串口10分别连接LoRa模块9，LoRa模块9用于搭建LoRa无线传感网络，接收人员定位设备发送的区域定位信息和精确定位信息。LoRa模块9上安装有天线15，电源模块14采用LDO芯片16和DC-DC芯片17。

主控制器3和副控制器4均采用STM32F407芯片，LoRa模块9采用成都忆佰特的E32-TTL-100LoRa芯片，CAN收发器一5和CAN收发器二6均采用金升阳的TD321DCANH芯片，Flash存储模块7采用容量为128MB的W25Q128BV芯片，LDO芯片16采用AMS1117-3.3，DC-DC芯片17采用LM2596T-5.0/NOPB；其中，电源模块14将能满足5-36V宽电压输入，并采用分模块独立供电的电源供应策略，根据模块的功率情况选择恰当的供电芯片，DC-DC芯片17采用LM2596T-5.0/NOPB(3A供电能力)，LDO芯片16采用AMS1117-3.3(1A供电能力)。

实施例2：

本发明的基于CAN和LoRa的级联扩展采集方法，该方法包括如下步骤：

S1、采集器2缓冲转发下级采集器2上传以及上级采集器2或传输分站1下发的CAN通讯帧；

CAN通讯应用层协议定义：

CAN数据帧定义：

CAN总线技术通过标识符进行数据传输仲裁操作的，根据CAN2.0协议，CAN标识符分为标准标识符和扩展标识符两种，其中标准标识符为11位，扩展标识符为29位，CAN采用扩展标识符，即采用29位扩展标识符。

29位标识符实现的规划功能包括优先级(3位)、报文类型(3位)、源地址(5位)、目的地址(5)、报文总数(7)以及报文序号(6)，详细定义如下：

(1)、优先级：在CAN总线中有多个设备同时发送数据时，通过3位优先级设置信息传输的优先级；

(2)、报文类型：CAN协议中定义了四种帧类型：数据帧、远程帧、错误帧、过载帧；步骤S3中的报文类型只定义数据帧的情况；在CAN帧类型为远程帧、错误帧、过载帧时，报文类型为000B；

除000B外，还有7个报文类型进行定义：

①、111B，命令报文，代表的是此报文指的是命令类报文；

②、110B，状态报文，代表的是此报文指的是状态类报文；

③、101B，数据报文，代表的是此报文指的是数据类报文；

④、100B、011B、010B、001B，保留类型；

(3)、源地址：5位最多代表32个地址，传输分站或承担网关类功能的设备默认地址为00000B，其他设备根据需求进行手动分配，因网络不是很复杂，不采用动态分配的方式；

(4)、目的地址：与源地址定义一样，5位最多代表32个地址；

注：发送地址和目的都是0时表明是传输分站向网络中发送的广播信息，所有采集器都要接收处理；

(5)、报文总数：6位实现最多传输64个报文数据的能力，满负荷运转，一批次可最多传输512字节数据量信息；

(6)、报文序号：5位实现0-63报文序号的标识功能；

引入内存池和内存管理表的概念，因本次CAN协议总共支持设备数位32位，因此内存块数为32个，通过两位来标识设备编号和状态，第一位表示是否有此编号设备写入数据，第二位表示是否接收完成，接收完成之后需要进行下一步处理。总共需要64位，8个字节数据，如下表所示：

传输分站接收到的CAN数据帧中扩展标识符的源设备作为设备ID的编号，并且每次收到一条数据之后，会将CAN数据帧数据放入内存缓冲区的相应位置，待接收到的扩展标识符中包总数和包序号相差为1时，则说明接收完成，之后将整条数据存放到数据缓冲区中，数据按照设备ID+数据长度+数据的格式进行存储。

S2、CAN收发器一和CAN收发器二接收数据处理和缓冲转发，具体如下：

S201、定义CAN收发器一5连接上级采集器2或传输分站1，CAN收发器二6连接下级采集器2，主控制器3为CAN收发器一5和CAN收发器二6开辟两个数据缓冲空间，并采取同样的数据处理策略，具体如下：

S2011、CAN收发器一5和CAN收发器二6在接收到CAN通讯帧之后，按照扩展标识符的位定义将报文类型、源地址、目的地址、报文总数、报文序号提取出来；

S2012、查看目的地址是否与本机地址一致：

①、若一致，则将本条CAN通讯帧存入本地待处理缓冲区中；

②、若不一致，则放入CAN收发器一5或CAN收发器二6的数据转发处理缓冲区中；

③、若目的地址为广播地址，既放入本地待处理缓冲区中，又放入CAN收发器一5或CAN收发器二6的数据转发处理缓冲区中。

S202、对于发送给本机的数据通讯帧或广播通讯帧，由后台数据处理应用系统进行处理；

S203、接收到一个CAN通讯帧之后，会将CAN通讯帧按13个字节进行缓冲存储，存储分配如下所示：

主控制器3在内存中分别开辟两个深度为1000的环形队列缓冲区，通过三个计数值来标识当前队列中的有效数据数、当前写入数据的地址、当前读取数据的地址，采用循环队列缓冲的方法，协调了写入数据和读取数据的速度差异，保证CAN缓冲转发的及时和有效；在环形队列缓冲区中有效数据数不为0时，主控制器3会通过后台应用系统一条一条的转发出去。

S3、采集器2动态管理LoRa无线终端设备(人员定位设备和LoRa监控设备)进行无线通信时采用的信道和时隙坐标(分频分时)的方法，具体步骤如下：

S301、采集器通过副控制器4进行LoRa信道和时隙坐标的分配工作；7个LoRa模块9预先设置好信道和空中速率，空中速率一致，信道分别设置为信道0、信道1、信道2、信道3、信道4、信道5、信道6；其中，信道0作为信道和时隙坐标动态分配专用信道，信道1到信道6作为数据传输专用信道进行数据传输使用；

S302、信道和时隙坐标动态分配过程；

S3021、副控制器4通过串口10控制信道0的LoRa模块每隔周期为1S的时间发送一次握手信息，握手信息中包含12个字节16进制有效数据，2个字节显示一个信道的时隙坐标占用情况，恰好显示6个信道的时隙坐标情况；

2个字节十六进制定义情况如下：

12字节16进制数据定义情况如下表所示：

S3022、副控制器4中有一个信道时隙坐标设备列表，将记录信道1到信道6共60个时隙坐标的设备接入情况，并加入释放倒计时机制，在30个通信周期之内没有接收到新的报文信息之后会释放当前的时隙坐标，供其他设备接入；

信道时隙坐标设备列表如下表所示：

LoRa终端设备中也会有一个类似的释放信道时隙坐标码的机制，这种机制是针对移动设备例如人员定位设备特别设置的，随着设备的移动，会逐渐移动出传输分站的覆盖范围，若在10个周期内没有搜到传输分站的数据通信信道(信道1-6)发送时钟同步信号，则LoRa终端设备将释放当前的信道时隙坐标，恢复到信道0等待状态，等待接收另一个传输分站通道0发送的信道时隙坐标握手信息，重新建立连接。对于传输分站和采集器信号重合覆盖的地方，LoRa终端在收到另一个设备的数据通信信道的时间同步信号后，会首先计数，收到一次计数一次，若计数达到5次，或当前连接设备的时间同步信号中断后，释放当前的信道时隙坐标，恢复到通道0等待状态，等待接收另一个传输分站通道0发送的通道时隙坐标握手信息，重新建立连接。

S3023、副控制器4周期性根据信道时隙坐标设备列表生成握手信息，并通过通道0的LoRa模块发送，LoRa终端设备在收到握手信息后，会根据随机码发生器产生的随机码选择某个空闲的时隙坐标码，根据时隙坐标码调整LoRa模块的通道，并在收到数据通信用通道发送的时钟同步信号后延迟相应的时间后发送一条时隙坐标码确认报文；待传输分站中数据通信用信道模块收到时隙坐标码确认报文后会发送给副控制器，副控制器会更新信道时隙坐标码列表，并同时通过通信用信道模块向LoRa终端设备发送一条时隙坐标码分配成功：

①、若LoRa终端设备接收到时隙坐标码分配成功报文，则锁定LoRa时隙坐标码；

②、若LoRa终端设备未接收到时隙坐标码分配成功报文，则副控制器会释放当前的信道时隙坐标，恢复到通道0等待状态，等待接收通道0发送的信道时隙坐标握手信息，重新选择时隙坐标码，一直到锁定时隙坐标码为止；

S303、LoRa数据通信的分配；

从采集器来看，可以将整个LoRa通信过程分为两部分，发送时段和接收时段；

发送时段整个信道中只有采集器发送信息，信息间间隔100ms(为了使LoRa模块能够实现分条发送)；

接收时段通过数据通信用信道发送的时钟同步信息开始，之后1S内处理接收到的数据；

从LoRa终端设备来看，整个通信过程分为三部分，接收信息，准备发送时段，伺机发送时段；在接收到时钟同步信号后进入准备开始发送阶段(根据时隙坐标码确定延迟发送时间)。

S4、通过采集器2LoRa无线传感网络获取的无线覆盖范围内的环境参数和各种传感器的信息，并接收来自于传输分站同步过来的整个分站辖区内所有的环境参数和各种传感器的信息，在采集器本地建立一个小型的区域监控信息存储单元，手持终端通过人员的定位设备中的蓝牙和LoRa模块与采集器建立连接，获取现场的监控信息。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽快参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.基于CAN和LoRa的级联扩展采集系统，其特征在于，该采集系统包括传输分站和至少一个采集器，传输分站与采集器之间以及采集器与采集器之间通过CAN总线进行数据的连接通信；

采集器包括主控制器、副控制器、CAN收发器一、CAN收发器二、Flash存储模块和至少一个LoRa模块；主控制器通过串口连接副控制器；

主控制器通过CAN总线分别连接CAN收发器一和CAN收发器二；

主控制器通过SPI连接Flash存储模块，Flash存储模块用于存储定位信息和系统命令；

副控制器通过串口分别连接LoRa模块，LoRa模块用于搭建LoRa无线传感网络，接收人员定位设备发送的区域定位信息和精确定位信息。

2.根据权利要求1所述的基于CAN和LoRa的级联扩展采集系统，其特征在于，所述CAN收发器一引出CAN总线接口一，CAN总线接口一接入CAN总线的监控网络中，接收CAN收发器一下的各种传感器信息。

3.根据权利要求1或2所述的基于CAN和LoRa的级联扩展采集系统，其特征在于，所述CAN收发器二引出CAN总线接口二，CAN总线接口二用于接入CAN总线，通过点对点连接的方式连接采集器，实现LoRa无线覆盖范围的增加。

4.根据权利要求3所述的基于CAN和LoRa的级联扩展采集系统，其特征在于，所述LoRa模块设置有七个，七个LoRa模块分配信道0到信道6七个信道，通过七个信道并通过分频分时的方式增加LoRa无线网络的负载能力。

5.根据权利要求4所述的基于CAN和LoRa的级联扩展采集系统，其特征在于，所述采集器还包括电源模块，电源模块分别电连接主控制器、副控制器、LoRa模块、CAN收发器一和CAN收发器二为其供电。

6.根据权利要求5所述的基于CAN和LoRa的级联扩展采集系统，其特征在于，所述LoRa模块上设置有天线，电源模块采用LDO芯片和DC-DC芯片。

7.根据权利要求6所述的基于CAN和LoRa的级联扩展采集系统，其特征在于，所述主控制器和副控制器均采用STM32F407芯片，LoRa模块采用的E32-TTL-100 LoRa芯片，CAN收发器一和CAN收发器二均采用TD321DCANH芯片，Flash存储模块采用容量为128MB的W25Q128B芯片， LDO芯片采用AMS1117-3.3，DC-DC芯片采用LM2596T-5.0/NOPB。

8.基于CAN和LoRa的级联扩展采集方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

S1、采集器缓冲转发下级采集器上传以及上级采集器或传输分站下发的CAN通讯帧；

S2、CAN收发器一和CAN收发器二接收数据处理和缓冲转发，具体如下：

S201、定义CAN收发器一连接上级采集器或传输分站，CAN收发器二连接下级采集器，主控制器为CAN收发器一和CAN收发器二开辟两个数据缓冲空间，并采取同样的数据处理策略；

S202、对于发送给本机的数据通讯帧或广播通讯帧，由后台数据处理应用系统进行处理；

S203、接收到一个CAN通讯帧之后，会将CAN通讯帧按13个字节进行缓冲存储，主控制器在内存中分别开辟两个深度为1000的环形队列缓冲区，通过三个计数值来标识当前队列中的有效数据数、当前写入数据的地址、当前读取数据的地址；在环形队列缓冲区中有效数据数不为0时，主控制器会通过后台应用系统一条一条的转发出去；

S3、采集器动态管理LoRa无线终端设备进行无线通信时采用的信道和时隙坐标的方法，具体步骤如下：

S301、采集器通过副控制器进行LoRa信道和时隙坐标的分配工作；7个LoRa模块预先设置好信道和空中速率，空中速率一致，信道分别设置为信道0、信道1、信道2、信道3、信道4、信道5、信道6；其中，信道0作为信道和时隙坐标动态分配专用信道，信道1到信道6作为数据传输专用信道进行数据传输使用；

S302、信道和时隙坐标动态分配过程；

S303、 LoRa数据通信的分配；

从采集器来看，可以将整个LoRa通信过程分为两部分，发送时段和接收时段；

发送时段整个信道中只有采集器发送信息，信息间间隔100ms；

接收时段通过数据通信用信道发送的时钟同步信息开始，之后1S内处理接收到的数据；

从LoRa终端设备来看，整个通信过程分为三部分，接收信息，准备发送时段，伺机发送时段；在接收到时钟同步信号后进入准备开始发送阶段；

S4、通过采集器LoRa无线传感网络获取的无线覆盖范围内的环境参数和各种传感器的信息，并接收来自于传输分站同步过来的整个分站辖区内所有的环境参数和各种传感器的信息，在采集器本地建立一个小型的区域监控信息存储单元，手持终端通过人员的定位设备中的蓝牙和LoRa模块与采集器建立连接，获取现场的监控信息。

9.根据权利要求8所述的基于CAN和LoRa的级联扩展采集方法，其特征在于，所述步骤S201中数据处理策略的具体方法如下：

S2011、CAN收发器一和CAN收发器二在接收到CAN通讯帧之后，按照扩展标识符的位定义将报文类型、源地址、目的地址、报文总数、报文序号提取出来；

S2012、查看目的地址是否与本机地址一致：

①、若一致，则将本条CAN通讯帧存入本地待处理缓冲区中；

②、若不一致，则放入CAN收发器一或CAN收发器二的数据转发处理缓冲区中；

③、若目的地址为广播地址，既放入本地待处理缓冲区中，又放入CAN收发器一或CAN收发器二的数据转发处理缓冲区中。

10.根据权利要求8或9所述的基于CAN和LoRa的级联扩展采集方法，其特征在于，所述步骤S302中信道和时隙坐标动态分配过程具体如下：

S3021、副控制器通过串口控制信道0的LoRa模块每隔周期为1S的时间发送一次握手信息，握手信息中包含12个字节16进制有效数据，2 个字节显示一个信道的时隙坐标占用情况，恰好显示6个信道的时隙坐标情况；

S3022、副控制器中有一个信道时隙坐标设备列表，将记录信道1到信道6共60个时隙坐标的设备接入情况，并加入释放倒计时机制，在30个通信周期之内没有接收到新的报文信息之后会释放当前的时隙坐标，供其他设备接入；

S3023、传输分站的副控制器周期性根据信道时隙坐标设备列表生成握手信息，并通过通道0的LoRa模块发送，LoRa终端设备在收到握手信息后，会根据随机码发生器产生的随机码选择一个空闲的时隙坐标码，根据时隙坐标码调整LoRa模块的通道，并在收到数据通信用通道发送的时钟同步信号后延迟相应的时间后发送一条时隙坐标码确认报文；待传输分站中数据通信用信道接收到时隙坐标码确认报文后会发送给副控制器，副控制器会更新信道时隙坐标码列表，并同时通过通信用信道向LoRa终端设备发送一条时隙坐标码分配成功信息：

①、若LoRa终端设备接收到时隙坐标码分配成功报文，则锁定LoRa时隙坐标码；

②、若LoRa终端设备未接收到时隙坐标码分配成功报文，则副控制器会释放当前的信道时隙坐标，恢复到通道0等待状态，等待接收通道0发送的信道时隙坐标握手信息，重新选择时隙坐标码，一直到锁定时隙坐标码为止。