CN109548111A - 一种LoRa组网系统以及网关自选举方法 - Google Patents

一种LoRa组网系统以及网关自选举方法 Download PDF

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Abstract

本发明实施例提供了一种LoRa组网系统以及网关自选举方法，LoRa组网系统包括：LoRa应用服务器、LoRa第一网关、LoRa第二网关以及LoRa终端；其中，所述LoRa第一网关部署在所述LoRa应用服务器端，所述LoRa第二网关由所述LoRa终端的节点动态自选举生成。本发明实施例提供的一种LoRa组网系统以及网关自选举方法，采用了两层星型的组网方式，并且与终端直接通信连接的网关采用动态选举的方式产生，使得网关负载明显减小，降低系统能耗。

Description

一种LoRa组网系统以及网关自选举方法
技术领域
本发明实施例涉及物联网通信技术领域，尤其涉及一种基于LoRa的智能水表网关自选举方法及系统。
背景技术
LoRa是近几年出现的一种代表性的低功耗广域网(LPWAN)技术，相比于之前的无线通信组网技术，如蓝牙、WIFI、Zigbee、2G/3G/4G等，LoRa具有传输距离远、终端功耗低、电池寿命长、组网容量大等突出优点，因而它特别适合于对传输数量不大的物联网应用。例如，在智能水表应用中，开始利用LoRa技术进行智能水表组网，以实现更长距离、更低功耗、更具性价比的无线水表抄表和水阀控制。
LoRa无线组网一般由LoRa应用服务器、LoRa网关和LoRa终端组成。LoRa应用服务器和LoRa网关之间一般采用有线的TCP/IP通信，LoRa网关和LoRa终端之间一般采用星型组网。LoRa智能水表组网时，LoRa智能水表应用服务器一般部署在各个城市的水业集团控制中心；LoRa智能水表网关部署在应用服务器附近，如所在大楼的楼顶；LoRa终端和水表一起部署在用水现场，且电池供电。
但这种基于传统LoRa组网方式的智能水表网络实际应用中存在下列弊端：采用单层的星型组网，每个LoRa网关需要负责大量的智能水表LoRa终端的接入，造成网关的负载较大；网关和终端之间的距离较长，造成传输需要的能耗增加。如果将网关部署在用水现场，又存在网关电池易耗尽等问题；不同LoRa终端与网关之间通信易干扰。
发明内容
为了解决上述问题，本发明实施例提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种LoRa组网系统以及网关自选举方法。
第一方面本发明实施例提供一种LoRa组网系统，包括：
LoRa应用服务器、LoRa第一网关、LoRa第二网关以及LoRa终端；
其中，所述LoRa第一网关部署在所述LoRa应用服务器端，所述LoRa第二网关由所述LoRa终端的节点动态自选举生成。
第二方面本发明实施例提供了一种网关自选举方法，包括：
周期性接收簇内所有LoRa终端上报的剩余电池能量，所述簇为处于同一预设区域的LoRa终端聚类形成；
对于每一周期，选择所述剩余能量最多的LoRa终端作为下一周期的所述LoRa第二网关。
其中，在进行所述LoRa第一网关和所述LoRa第二网关通信以及所述LoRa第一网关和所述LoRa终端通信时，分配一个下行时隙和多个上行时隙，其中，所述上行时隙的数量等于通信地址数量。
第三方面本发明实施例提供了一种网关，包括：
接收模块，用于周期性接收簇内所有LoRa终端上报的剩余电池能量，所述簇为处于同一预设区域的LoRa终端聚类形成；
选举模块，用于对于每一周期，选择所述剩余能量最多的LoRa终端作为下一周期的所述LoRa第二网关。
第四方面本发明实施例提供了一种电子设备，包括：
处理器、存储器、通信接口和总线；其中，所述处理器、存储器、通信接口通过所述总线完成相互间的通信；所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令能够执行上述网关自选举方法。
本发明实施例提供的一种LoRa组网系统以及网关自选举方法，采用了两层星型的组网方式，并且与终端直接通信连接的网关采用动态选举的方式产生，使得网关负载明显减小，降低系统能耗。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种LoRa组网系统结构示意示意图；
图2是本发明实施例提供的一种网关自选举方法流程示意图；
图3是发明实施例提供的时隙分配实施方式示意图；
图4是本发明实施例提供的一种网关结构示意图；
图5是本发明实施例提供的电子设备的结构框图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
现有技术中，LoRa无线组网一般由LoRa应用服务器、LoRa网关和LoRa终端组成。LoRa应用服务器和LoRa网关之间一般采用有线的TCP/IP通信，LoRa网关和LoRa终端之间一般采用星型组网。
但上述现有技术提供的组网方式由于采用的是单层的星型组网，从而每个LoRa网关需要负责大量的智能水表LoRa终端的接入，造成网关的负载较大。
针对现有技术存在的问题，图1是本发明实施例提供的一种LoRa组网系统结构示意示意图，如图1所示，包括：
LoRa组网系统，其特征在于，包括：
LoRa应用服务器1、LoRa第一网关2、LoRa第二网关3以及LoRa终端4；
其中，所述LoRa第一网关2部署在所述LoRa应用服务器1端，所述LoRa第二网关3由所述LoRa终端4的节点动态自选举生成。
可以理解的是，本发明实施例提供的LoRa组网系统采用的是两层星型组网方式。具体的，LoRa应用服务器1一般部署在水务中心的大楼里面的机房内，其上安装有智能水表业务应用。LoRa第一网关2一般部署在LoRa应用服务器1所在大楼的楼顶，可以视作LoRa第一网关2部署在LoRa应用服务器1同一端，LoRa第一网关2与LoRa应用服务器1之间通过有线或无线TCP/IP进行通信。LoRa第二网关3部署在用水现场，LoRa第二网关3与LoRa第一网关2之间通过LoRa技术进行通信。LoRa第一网关2是由LoRa终端4的多个节点动态自选举生成。LoRa第一网关2与LoRa终端4每个节点的通信也是采用LoRa技术进行通信。LoRa终端4也可称为LoRa智能水表终端，主要用于感知和传输水表数据，响应服务器请求等。
本发明实施例提供的LoRa组网系统采用了两层星型组网的方式，且组网系统中LoRa第二网关动态生成，显著减小了网关负载，同时降低系统能耗。
在上述实施例的基础上，所述LoRa终端聚类成多个簇，在每个簇内周期性动态自选举生成所述LoRa第二网关。
参照图1所示，可以理解的是，LoRa终端的数量可能非常多，并且安装的位置可能相差较远，如果仅采用一个LoRa第二网关，将会造成很大的通信损耗。
针对上述问题，本发明实施例将LoRa终端聚类成多个簇，在每个簇内周期性动态自选举出一个LoRa第二网关。一般的，本发明实施例会将安装在同一栋楼，或同一个小区的LoRa终端聚成一个簇。那么聚成同一个簇的LoRa终端需要满足：
||Pi-Zk||≤d i∈Ck，
不同簇的LoRa终端需要满足：
其中，Pi表示第i个LoRa终端的位置，Ck表示第k个簇，Zk表示第k个簇位置的质心，d为聚簇的距离；P和Z实质是位置的三维坐标，||·||代表求空间两个点之间的距离。每个LoRa终端仅属于唯一一个簇，且到其它簇的距离大于d。
具体的，在实际聚簇过程中，本发明实施例实质上可以分为步骤S1-S5。
S1、首先先从NE个LoRa智能水表终端中随机选择NC个作为簇中心；
S2、然后对没有选择成为簇中心的每一个LoRa终端，首先计算它与NC个簇中心的欧式距离，然后加入到距离最近的簇；
S3、在所有LoRa终端都加入簇后，计算每个簇的质心位置的坐标；
S4、重新对所有LoRa终端，首先计算它与NC个簇的质心位置的欧式距离，然后加入到距离最近的簇；
S5、重复步骤S3和S4，直到连续两轮计算出的NC个簇的质心位置不在发生改变。
在完成上述步骤S1-S5后，能够为每个LoRa终端找到仅属于它的唯一簇，且它到本簇的质心位置和其它簇的质心位置满足上述公式条件。
进一步的，为了避免簇之间通信不会产生干扰，本发明实施例在不同簇之间利用了频分、空分、或者码分的方法来避免。具体的，可以为每个簇内通信时配置不同的载频、扩频因子实现。需要说明的是，如果簇之间的距离足够远，那么使用相同的载频、扩频因子也不会发生干扰。
在上述实施例的基础上，所述LoRa第一网关与所述LoRa第二网关通信连接。
由上述实施例的内容可知，本发明实施例提供的LoRa组网系统中，LoRa第一网关仅与LoRa第二网关和LoRa应用服务器连接，与LoRa应用服务器连接采用的是TCP/IP通信，与LoRa第二网关连接采用的是LoRa技术。
可以理解的是，现有技术中采用的是LoRa第一网关与LoRa终端的节点直接进行通信，那么LoRa第一网关需要响应的节点数非常多，使得LoRa第一网关性能较差，而在本发明实施例中，LoRa第一网关仅与LoRa第二网关进行通信，从而大幅度减少LoRa第一网关需要响应的节点数，也可以降低LoRa第一网关的性能要求。
在上述实施例的基础上，所述LoRa第一网关与所述LoRa第二网关通信时采用第一LoRa调制模式，所述LoRa第二网关与所述LoRa终端的节点通信时采用第二LoRa调制模式。
可以理解的是，对于不同距离的通信会给系统带来不同的损耗，为了尽可能降低系统损耗，本发明实施例采用了两种调制模式进行通信过程中的调制。
那么，在LoRa第一网关与LoRa第二网关通信时，由于LoRa第一网关与LoRa第二网关之间的距离较远，那么相应的需要使用传输速度低、发送功率高的LoRa调制模式，即本发明实施例中的第一LoRa调制模式。而相应的LoRa第二网关与LoRa终端的节点通信时，由于LoRa第二网关与LoRa终端的节点距离较近，那么采用传输速率高、发送功率低的LoRa调制模式效果会更佳，即本发明实施例中的第二LoRa调制模式。
本发明实施例采用不同模式的调制方法来应用不同对象之间的通信过程，从而解决了传统单层LoRa网络终端与网关之间实际可用调制模式选择少的缺点。
在上述实施例的基础上，图2是本发明实施例提供的一种网关自选举方法流程示意图，如图2所示，包括：
201、周期性接收簇内所有LoRa终端上报的剩余电池能量，所述簇为处于同一预设区域的LoRa终端聚类形成；
202、对于每一周期，选择所述剩余能量最多的LoRa终端作为下一周期的所述LoRa第二网关。
需要说明的是，本发明实施例的执行主体是当前簇内的LoRa第二网关。由上述实施例的内容可知，本发明实施例会从LoRa终端的节点动态自选举生成LoRa第二网关。
具体的，在步骤201中，当前确定的LoRa第二网关会周期性的接收簇内所有LoRa终端发送的数据，数据中包括了LoRa终端此时剩余的电池能量值，可以理解的是，剩余电池能量越多证明该LoRa终端此时的负载能力越强，那么由其作为网关的效果将是这个簇内最优的。需要说明的是，周期和聚类的簇划分是根据实际情况预设的，一般的会将同一区域范围内的所有LoRa终端划分到同一个簇中。如未划分簇，也可以将所有LoRa终端的集合视为一个簇。进一步的，在第一次进行网关选举时，可随机将簇内任意一个LoRa终端作为LoRa第二网关。
那么在步骤202中，当前确定的LoRa第二网关选择剩余电池能量最多的LoRa终端作为下一周期的第二网关，以此类推，从而周期性的对LoRa第二网关进行自选举。其中，每次选举成功后，当前确定的LoRa第二网关会将下一周期确定的LoRa第二网关广播给簇内其他LoRa终端，从而在下一周期LoRa终端可以直接将数据信息发送给确定好的LoRa第二网关。
本发明实施例提供的网关自选举方法，能够在每个周期内动态选举出最适合的网关，保证簇内每个终端节点平等的耗能，避免终端节点因长时间充当第二网关而快速的把电池能量耗尽。
在上述实施例的基础上，所述簇内的LoRa终端需要满足：
||Pi-Zk||≤d i∈Ck；
其中，Pi表示第i个LoRa终端的位置，Ck表示第k个簇，Zk表示第k个簇位置的质心，d为聚簇的距离，||·||代表求空间两个点之间的距离。
本发明实施例将LoRa终端聚类成多个簇，在每个簇内周期性动态自选举出一个LoRa第二网关。一般的，本发明实施例会将安装在同一栋楼，或同一个小区的LoRa终端聚成一个簇。那么聚成同一个簇的LoRa终端需要满足：
||Pi-Zk||≤d i∈Ck，
不同簇的LoRa终端需要满足：
其中，Pi表示第i个LoRa终端的位置，Ck表示第k个簇，Zk表示第k个簇位置的质心，d为聚簇的距离；P和Z实质是位置的三维坐标，||·||代表求空间两个点之间的距离。每个LoRa终端仅属于唯一一个簇，且到其它簇的距离大于d。
具体的，在实际聚簇过程中，本发明实施例实质上可以分为步骤S1-S5。
S1、首先先从NE个LoRa智能水表终端中随机选择NC个作为簇中心；
S2、然后对没有选择成为簇中心的每一个LoRa终端，首先计算它与NC个簇中心的欧式距离，然后加入到距离最近的簇；
S3、在所有LoRa终端都加入簇后，计算每个簇的质心位置的坐标；
S4、重新对所有LoRa终端，首先计算它与NC个簇的质心位置的欧式距离，然后加入到距离最近的簇；
S5、重复步骤S3和S4，直到连续两轮计算出的NC个簇的质心位置不在发生改变。
在完成上述步骤S1-S5后，能够为每个LoRa终端找到仅属于它的唯一簇，且它到本簇的质心位置和其它簇的质心位置满足上述公式条件。
在上述实施例的基础上，所述方法还包括：
判断簇内LoRa终端上报的数据的数据类型；
若所述数据类型为周期性数据，则汇总簇内所有LoRa终端上报的数据后再进行相应数据处理。
由上述实施例的内容可知，对于LoRa第二网关而言，对上和LoRa第一网关通信，对下和簇内每个LoRa终端通信。具体的，通信方式都采用时分多址的LoRa无线通信技术，另外，本发明实施例提供的LoRa第二网关在中转终端节点的上传数据帧时，如果是周期性的数据，如水表水量数据，则将簇内所有终端节点的水表数据收齐后汇总转发；否则，对于其他非周期性数据，则单独转发。
在上述实施例的基础上，在进行所述LoRa第一网关和所述LoRa第二网关通信以及所述LoRa第一网关和所述LoRa终端通信时，分配一个下行时隙和多个上行时隙，其中，所述上行时隙的数量等于通信地址数量。
图3是发明实施例提供的时隙分配实施方式示意图，在所有LoRa通信都是通过时分多址的方法来避免干扰条件下，一个具体的时分多址的实施方式如图3所示。可以理解的是，因为智能水表应用中，下行只有少量的突发性下行业务，大部分是周期性的上行业务，所以图3中“LoRa第一网关与LoRa第二网关”和“LoRa第二网关与LoRa终端”之间都只配备了一个下行时隙，上行时隙是每个地址一个。具体来说，“LoRa第一网关与LoRa第二网关”之间，给每个LoRa第二网关预留一个上行时隙；“LoRa第二网关与LoRa终端”之间，给每个LoRa终端预留一个上行时隙。
为进一步节省LoRa第二网关的能耗，具体实施过程中，LoRa第二网关可以采用间断工作模式，即采用工作和睡眠结合的工作模式。具体来说，在工作期间，LoRa第二网关完成和LoRa终端、LoRa第一网关的通信，然后进入睡眠，从而节省LoRa第二网关的能耗。
图4是本发明实施例提供的一种网关结构示意图，如图4所示，包括：选举模块401以及预测模块402，其中：
接收模块401用于周期性接收簇内所有LoRa终端上报的剩余电池能量，所述簇为处于同一预设区域的LoRa终端聚类形成；
选举模块402用于对于每一周期，选择所述剩余能量最多的LoRa终端作为下一周期的所述LoRa第二网关。
具体的如何通过选举模块401以及预测模块402对网关自选举可用于执行图1所示的网关自选举方法实施例的技术方案，其实现原理和技术效果类似，此处不再赘述。
在上述实施例的基础上，所述网关还包括：
数据处理模块，用于判断簇内LoRa终端上报的数据的数据类型；
若所述数据类型为周期性数据，则汇总簇内所有LoRa终端上报的数据后再进行相应数据处理。
本发明实施例提供一种电子设备，包括：至少一个处理器；以及与所述处理器通信连接的至少一个存储器，其中：
图5是本发明实施例提供的电子设备的结构框图，参照图5，所述电子设备，包括：处理器(processor)501、通信接口(Communications Interface)502、存储器(memory)503和总线504，其中，处理器501，通信接口502，存储器503通过总线504完成相互间的通信。处理器501可以调用存储器503中的逻辑指令，以执行如下方法：周期性接收簇内所有LoRa终端上报的剩余电池能量，所述簇为处于同一预设区域的LoRa终端聚类形成；对于每一周期，选择所述剩余能量最多的LoRa终端作为下一周期的所述LoRa第二网关。
本发明实施例公开一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：周期性接收簇内所有LoRa终端上报的剩余电池能量，所述簇为处于同一预设区域的LoRa终端聚类形成；对于每一周期，选择所述剩余能量最多的LoRa终端作为下一周期的所述LoRa第二网关。
本发明实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：周期性接收簇内所有LoRa终端上报的剩余电池能量，所述簇为处于同一预设区域的LoRa终端聚类形成；对于每一周期，选择所述剩余能量最多的LoRa终端作为下一周期的所述LoRa第二网关。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行每个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述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精神和范围。

Claims (10)

1.一种LoRa组网系统，其特征在于，包括：
LoRa应用服务器、LoRa第一网关、LoRa第二网关以及LoRa终端；
其中，所述LoRa第一网关部署在所述LoRa应用服务器端，所述LoRa第二网关由所述LoRa终端的节点动态自选举生成。
2.根据权利要求1所述的LoRa组网系统，其特征在于，所述LoRa终端聚类成多个簇，在每个簇内周期性动态自选举生成所述LoRa第二网关。
3.根据权利要求1所述的LoRa组网系统，其特征在于，所述LoRa第一网关与所述LoRa第二网关通信连接。
4.根据权利要求3所述的LoRa组网系统，其特征在于，所述LoRa第一网关与所述LoRa第二网关通信时采用第一LoRa调制模式，所述LoRa第二网关与所述LoRa终端的节点通信时采用第二LoRa调制模式。
5.一种基于权利要求1-4任一所述的LoRa组网系统的网关自选举方法，其特征在于，包括：
周期性接收簇内所有LoRa终端上报的剩余电池能量，所述簇为处于同一预设区域的LoRa终端聚类形成；
对于每一周期，选择所述剩余能量最多的LoRa终端作为下一周期的所述LoRa第二网关。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述簇内的LoRa终端需要满足：
||Pi-Zk||≤d i∈Ck；
其中，Pi表示第i个LoRa终端的位置，Ck表示第k个簇，Zk表示第k个簇位置的质心，d为聚簇的距离，||·||代表求空间两个点之间的距离。
7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
判断簇内LoRa终端上报的数据的数据类型；
若所述数据类型为周期性数据，则汇总簇内所有LoRa终端上报的数据后再进行相应数据处理。
8.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在进行所述LoRa第一网关和所述LoRa第二网关通信以及所述LoRa第一网关和所述LoRa终端通信时，分配一个下行时隙和多个上行时隙，其中，所述上行时隙的数量等于通信地址数量。
9.一种网关，其特征在于，包括：
接收模块，用于周期性接收簇内所有LoRa终端上报的剩余电池能量，所述簇为处于同一预设区域的LoRa终端聚类形成；
选举模块，用于对于每一周期，选择所述剩余能量最多的LoRa终端作为下一周期的所述LoRa第二网关。
10.一种电子设备，其特征在于，包括存储器和处理器，所述处理器和所述存储器通过总线完成相互间的通信；所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令能够执行如权利要求5至7任一所述的方法。
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