CN110072247A - 一种低功耗和实时性的LoRa网络 - Google Patents

一种低功耗和实时性的LoRa网络 Download PDF

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曹春恒
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Abstract

本发明提出了一种低功耗和实时性的LoRa网络，包括至少一个单通道LoRa网关以及与LoRa网关连接的节点，所述节点至少包括一个低功耗Lora节点和一个实时控制Lora节点，且LoRa网关连接上位机终端。本发明既满足了低功耗又可以适应高实时性的场合。

Description

一种低功耗和实时性的LoRa网络
技术领域
本发明涉及一种低功耗和实时性的LoRa网络。
背景技术
物联网领域无线通信方式众多，而LORA因为其低功耗、远距离、抗干扰能力强的特点蓬勃发展。LORA通信中广泛采用的LoraWan协议，是面向运营商进行的设计，系统沉重无比，因为绝大多数人都用不到漫游和计费，只是作为无线数据的上传和下载使用。对于轻量型的应用，如传感器等数据的定时采集上报，需要更简单的系统。而且LoraWan还有一个缺点，就是无法实时控制。LoRaWAN中的Class A，通过主动上传数据后的两个时隙进行下行交互，一旦错过这两个时隙就需等待下一个上行时间窗口，阀门控制等需要实时进行的动作就无从谈起。综上，对于节点数量少，且同时需要满足低功耗和高实时性的场合，LoraWAN不适用。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种低功耗和实时性的LoRa网络，既满足了低功耗又可以适应高实时性的场合。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种低功耗和实时性的LoRa网络，包括至少一个单通道LoRa网关以及与LoRa网关连接的节点，所述节点至少包括一个低功耗Lora节点和一个实时控制Lora节点，且LoRa网关连接上位机终端。
优选地，网络运行时，需要进行节点配置和节点登录：
节点配置，通过上位机终端来配置系统中的低功耗Lora节点和实时控制Lora节点，每条配置包括节点ID、节点类型、传感器类型和附加参数；
节点登录，节点向网关发起登录请求，如果是未配置的节点，则认为是非法节点，网关不响应；如果是已配置的节点，网关响应该节点请求，并将该节点的配置下发给节点；
优选地，节点登录成功后，周期性的进行数据采集和上传，对于实时控制节点还需要执行上位机终端的控制指令。
优选地，节点登录时，网关为该节点分配时间窗，并下发时间戳和时间窗；节点根据时间戳来调整本地时间，实现时钟同步；根据时间窗来计算睡眠时间并睡眠，实现所有节点在同一时间唤醒进行数据采集，并在各自独立的时间窗开始时唤醒进行数据上传。
优选地，节点登录时以最大的功率来进行发射，网关记录节点发射的信号强度和信噪比，根据既定次数信号强度和信噪比，计算节点最适合的发射功率，并在节点下次数据上传时，通过配置指令下发新的发射功率给节点，节点调整发射功率；相应的，如果调整后检测到信号强度在网关接收的极限处或有偶尔通信失败的情况，则下发指令让节点增大发射功率。
优选地，低功耗Lora节点采用时分复用的方式进行消息通信，不同的时间窗时，网关分别与不同的低功耗Lora节点通信。
优选地，网关根据最大低功耗Lora节点的数量将每个传输周期划分成对应的若干个时间窗。
优选地，网关接收到上位机终端发送的指令时，不马上发送给节点，将其缓存起来，在低功耗Lora节点对应通信的时间窗，当低功耗Lora节点上传数据时，将此指令当作响应下发给对应的低功耗Lora节点；低功耗Lora节点收到指令后执行，并回复OK响应给网关；网关在收到响应后，认为指令执行成功，清除该缓存，否则等到该低功耗Lora节点的下一个时间窗上传数据时，继续下发该指令。
优选地，在每一个时间窗，低功耗Lora节点上传数据后，网关给低功耗Lora节点下发一个OK响应；
如果网关接收到的数据错误，则不响应，低功耗Lora节点没有收到响应，则重传；
如果网关经过两个传输周期均未收到节点的有效数据，则认为该低功耗Lora节点掉线，通知上位机终端。
优选地，实时控制Lora节点在时间窗的起始，将其频率切换为网关接收的频率即正常数据上传的频率，等到数据上传成功后，再切换回接收指令的频率，持续侦听网关的指令，即可就达到了定时数据上传和实时响应的要求。
本发明产生的有益效果为：采用单通的网关，与LoRaWAN相比更加轻量，硬件成本低，软件更简单，组网方便，兼容低功耗和高实时性。
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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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为本发明的框图。
图2为本发明运行时示意图。
图3为本发明时间窗的计算示意图。
图4为本发明节点上传数据的示意图。
图5为本发明实时控制Lora节点的工作示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。
如图1-4所示，一种低功耗和实时性的LoRa网络，其特征在于，包括至少一个单通道LoRa网关以及与LoRa网关连接的节点，所述节点至少包括一个低功耗Lora节点和一个实时控制Lora节点，且LoRa网关连接上位机终端。
所用LoRa网关不使用SX1301LoRa网关芯片，采用Sx1276/1278单通道LoRa芯片。网关具有4G/WIFI/网口等接口，具备接入互联网的能力。网关负责收集节点的数据并上传到云端或上位机，同时接收云端或上位机的指令并下发到指定节点。
低功耗LoRa节点采用电池供电，采用STM8低功耗芯片，带有I2C、RS485接口，用于环境数据如温度、压力、温湿度等传感数据的采集。其主要需求是各个节点采集的时间点同步，数据低频率(如3min每次)周期性的采集上传。
实时控制Lora节点采用外部电源功率，带有继电器、485、IIC等接口，外接传感器和各种设备。该节点有两个作用，既需要周期性采集传感器或者设备的数据并上传，也需要能立刻响应上位机或者云端的指令，做出开关设备、设备模式切换等动作。
网络运行时，需要进行节点配置和节点登录：
节点配置，通过上位机终端来配置系统中的低功耗Lora节点和实时控制Lora节点，每条配置包括节点ID(系统中唯一)、节点类型(低功耗节点或实时控制节点)、传感器类型(温度、压力、设备)和附加参数；
节点登录，节点向网关发起登录请求，如果是未配置的节点，则认为是非法节点，网关不响应；如果是已配置的节点，网关响应该节点请求，并将该节点的配置下发给节点；节点登录成功后，就周期性的进行数据采集和上传，对于实时控制节点还需要执行上位机或者云端的控制指令。
节点登录成功后，周期性的进行数据采集和上传，对于实时控制节点还需要执行上位机终端的控制指令。
节点登录时，网关为该节点分配时间窗，并下发时间戳和时间窗；节点根据时间戳来调整本地时间，实现时钟同步；根据时间窗来计算睡眠时间并睡眠，实现所有节点在同一时间唤醒进行数据采集，并在各自独立的时间窗开始时唤醒进行数据上传。
通过调整LoRa的发射功率也可以减少每次节点发送时的功耗，节点登录时以最大的功率来进行发射，网关记录节点发射的信号强度和信噪比，根据既定次数信号强度和信噪比，计算节点最适合的发射功率，并在节点下次数据上传时，通过配置指令下发新的发射功率给节点，节点调整发射功率；相应的，如果调整后检测到信号强度在网关接收的极限处或有偶尔通信失败的情况，则下发指令让节点增大发射功率。
所有节点和网关的通信参数相同，为了防止节点间的通信冲突，采用时分复用的方式进行消息通信。低功耗Lora节点采用时分复用的方式进行消息通信，不同的时间窗时，网关分别与不同的低功耗Lora节点通信；网关根据最大低功耗Lora节点的数量将每个传输周期划分成对应的若干个时间窗。
其中，低功耗Lora节点采用电池供电，为了延长电池的时间，需要尽量降低功耗。节点的功耗主要包含MCU功耗、LoRa芯片功耗和其他外设的功耗。为了降低功耗，MCU、LoRa长时间处于睡眠模式，定时唤醒工作。低功耗节点外接低功耗的传感器，用MCU的IO给传感器供电，在MCU睡眠时关闭传感器的电源，进一步节省电量。
对于低功耗Lora节点，不用实时响应云端的指令。网关接收到上位机终端发送的指令时，不马上发送给节点，将其缓存起来，在低功耗Lora节点对应通信的时间窗，当低功耗Lora节点上传数据时，将此指令当作响应下发给对应的低功耗Lora节点；低功耗Lora节点收到指令后执行，并回复OK响应给网关；网关在收到响应后，认为指令执行成功，清除该缓存，否则等到该低功耗Lora节点的下一个时间窗上传数据时，继续下发该指令。
在每一个时间窗，低功耗Lora节点上传数据后，网关给低功耗Lora节点下发一个OK响应；如果网关接收到的数据错误，则不响应，低功耗Lora节点没有收到响应，则重传；如果网关经过两个传输周期均未收到节点的有效数据，则认为该低功耗Lora节点掉线，通知上位机终端。
为了减小低功耗Lora节点的功耗，一是要减少LoRa的发送时间和接收时间，而是调整LoRa的参数降低功耗。为减少LoRa的发送时间和接收时间，网关和节点之间通信精简。网关和节点的通信报文如下
NodeId(1) Cmd(1) Payload(n) Crc(1)
NodeId：节点ID，在网络中唯一表示一个节点，1个字节。
Cmd：数据的类型。
0 OK，正常响应
1 Data，数据上传
2 Config,配置下发
3 Sync，时间同步
4 Reboot，节点重启
5 Disable,节点禁用
6 Action,数据指令
PayLoad：有效负载，传感器采集的数据。
Crc:循环冗余校验，保证数据的准确性。
为了提交数据的安全性，为每个节点分配了不同的秘钥，进行了简单的加密。
在本文所述网络中，时间同步尤为重要。在节点登录获取时间戳后，节点与网关时间同步。由于存在晶振温度漂移的问题，随着时间的推移，节点和网关，节点与节点间的时间必定会产生偏差。网关记录每次与节点的时间同步时间，当前一次时间同步超过一次时间后，节点数据上传时向它下发时钟同步的指令，重新同步时间。
如图5所示，对于需要实时响应的实时控制Lora节点，由于采用的外部电源供电，所以无需考虑功耗而让其长时间休眠。实时响应节点在获取到配置后，先进行时间同步，然后实时控制Lora节点切换到接收模式，侦听网关下发的指令。为了避免接收到网关和其他节点的通信消息让系统长时间繁忙，所以在侦听时，实时控制Lora节点采用的是和正常数据上传下发不同的频率。对网关而言，当接收到上位机或云端发送的指令时，先切换实时控制Lora节点的频率，然后直接下发指令給对应节点。实时控制Lora节点收到指令并成功执行动作后，向网关回复OK。若网关未收到回复，则一直重传，直到实时控制Lora节点回复或达到最大重传次数。
和低功耗Lora节点类似，实时控制Lora节点也在整点进行数据采集，在时间窗口进行数据上传。不同的是，在时间窗的起始，实时节点需要将其频率切换为网关接收的频率即正常数据上传的频率，等到数据上传成功后，再切换回接收指令的频率，持续侦听网关的指令。这样就达到了定时数据上传和实时响应的要求。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种低功耗和实时性的LoRa网络，其特征在于，包括至少一个单通道LoRa网关以及与LoRa网关连接的节点，所述节点至少包括一个低功耗Lora节点和一个实时控制Lora节点，且LoRa网关连接上位机终端。
2.如权利要求1所述的一种低功耗和实时性的LoRa网络，其特征在于，网络运行时，需要进行节点配置和节点登录：
节点配置，通过上位机终端来配置系统中的低功耗Lora节点和实时控制Lora节点，每条配置包括节点ID、节点类型、传感器类型和附加参数；
节点登录，节点向网关发起登录请求，如果是未配置的节点，则认为是非法节点，网关不响应；如果是已配置的节点，网关响应该节点请求，并将该节点的配置下发给节点。
3.如权利要求2所述的一种低功耗和实时性的LoRa网络，其特征在于，节点登录成功后，周期性的进行数据采集和上传，对于实时控制节点还需要执行上位机终端的控制指令。
4.如权利要求2所述的一种低功耗和实时性的LoRa网络，其特征在于，节点登录时，网关为该节点分配时间窗，并下发时间戳和时间窗；节点根据时间戳来调整本地时间，实现时钟同步；根据时间窗来计算睡眠时间并睡眠，实现所有节点在同一时间唤醒进行数据采集，并在各自独立的时间窗开始时唤醒进行数据上传。
5.如权利要求2所述的一种低功耗和实时性的LoRa网络，其特征在于，节点登录时以最大的功率来进行发射，网关记录节点发射的信号强度和信噪比，根据既定次数信号强度和信噪比，计算节点最适合的发射功率，并在节点下次数据上传时，通过配置指令下发新的发射功率给节点，节点调整发射功率；相应的，如果调整后检测到信号强度在网关接收的极限处或有偶尔通信失败的情况，则下发指令让节点增大发射功率。
6.如权利要求1所述的一种低功耗和实时性的LoRa网络，其特征在于，低功耗Lora节点采用时分复用的方式进行消息通信，不同的时间窗时，网关分别与不同的低功耗Lora节点通信。
7.如权利要求6所述的一种低功耗和实时性的LoRa网络，其特征在于，网关根据最大低功耗Lora节点的数量将每个传输周期划分成对应的若干个时间窗。
8.如权利要求6所述的一种低功耗和实时性的LoRa网络，其特征在于，网关接收到上位机终端发送的指令时，不马上发送给节点，将其缓存起来，在低功耗Lora节点对应通信的时间窗，当低功耗Lora节点上传数据时，将此指令当作响应下发给对应的低功耗Lora节点；低功耗Lora节点收到指令后执行，并回复OK响应给网关；网关在收到响应后，认为指令执行成功，清除该缓存，否则等到该低功耗Lora节点的下一个时间窗上传数据时，继续下发该指令。
9.如权利要求6所述的一种低功耗和实时性的LoRa网络，其特征在于，在每一个时间窗，低功耗Lora节点上传数据后，网关给低功耗Lora节点下发一个OK响应；
如果网关接收到的数据错误，则不响应，低功耗Lora节点没有收到响应，则重传；
如果网关经过两个传输周期均未收到节点的有效数据，则认为该低功耗Lora节点掉线，通知上位机终端。
10.如权利要求6所述的一种低功耗和实时性的LoRa网络，其特征在于，实时控制Lora节点在时间窗的起始，将其频率切换为网关接收的频率即正常数据上传的频率，等到数据上传成功后，再切换回接收指令的频率，持续侦听网关的指令，即可就达到了定时数据上传和实时响应的要求。
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