CN110111551B - 多信道智能防溜系统、数据通信方法和通讯数据帧格式 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多信道智能防溜系统，其特征是它包括若干智能铁鞋、由若干中继器和一个协调器构成的无线传输单元和一个智能铁鞋状态监测上位机，所述的智能铁鞋包括传统铁鞋及其内部的智能盒，所述的无线传输单元以一个协调器为网络中心，一个协调器与若干中继器构建多级树状网络；若干智能铁鞋与由若干中继器和一个网络协调器构成的无线传输单元进行多信道通信，将数据及时可靠地发送给智能铁鞋状态监测上位机。本发明将智能铁鞋数据被分为业务数据及心跳数据并以多种信道方式传输，协调器可以以最快速度获得智能铁鞋业务数据；方便防溜系统的智能铁鞋或中继器数量的扩充与升级，大大提高了站场的安全性，减轻了站场人员的管理压力。

Description

多信道智能防溜系统、数据通信方法和通讯数据帧格式

技术领域

本发明涉及铁路安全领域，尤其是是适用于实现对铁路智能铁鞋防溜状态的实时监测及组网通信，具体地说是一种多信道智能防溜系统、数据通信方法和通讯数据帧格式。

背景技术

随着铁路线路的增多、覆盖区域变广，防溜铁鞋应用日益广泛，防溜铁鞋已成为保护人员和车辆安全的重要设备。

传统防溜装置存在以下问题：防溜装置是否放置到位难以监控；发车时防溜装置是否已经取出同样难以监控；防溜装置发生被盗无法及时报警；防溜装置的领取、放置、取出和还回，均由人工操作完成，值班员无法及时判明防溜装置是否处于规范的安全状态。

智能防溜系统多由智能铁鞋、数据通信网络及监控计算机构成。智能防溜系统中常常出现多个智能铁鞋同时请求发送数据、多次发送重复数据、某个中继器无信号等情况，导致信号冲突、数据包丢失现象，重要数据无法及时传输，数据传输可靠性和快速性极差。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题，提出一种多信道智能防溜系统及其数据通信方法。本发明是一套基于LoRa通信的多信道、高可靠性的智能防溜系统，业务数据及心跳数据以多种信道方式传输，数据有序上传，对不同来源、优先级数据打包发送，优先发送溜逸数据帧；，提高智能铁鞋数据传输的实时性、可靠性。

本发明的技术方案是：

本发明首先公开了一种多信道智能防溜系统，它包括若干智能铁鞋、由若干中继器和一个协调器构成的无线传输单元和一个智能铁鞋状态监测上位机，

-所述的智能铁鞋包括传统铁鞋及其内部的智能盒，其中智能盒包括盒体及其内部的信号处理单元，信号处理单元包括距离传感器、加速度传感器、温度传感器、直流电源、中央处理器和LORA无线收发模块，距离传感器、加速度传感器、温度传感器的信号输出端均与中央处理器的对应信号输入端相连，中央处理器的通信信号通过LORA无线收发模块传输智能铁鞋业务数据和心跳数据；

-所述的无线传输单元以一个协调器为网络中心，一个协调器与若干中继器构建多级树状网络，若干中继器及一个协调器均包含自身处理器单元及4个独立半双工的LORA模块，LORA1、LORA2频段相同，LORA3、LORA4模块与LORA1和LORA2频段独立、互不干涉；

-若干智能铁鞋与由若干中继器和一个网络协调器构成的无线传输单元进行多信道通信，将数据及时可靠地发送给智能铁鞋状态监测上位机。

本发明还公开了一种多信道智能防溜系统数据通信方法，基于本发明公开的多信道智能防溜系统，所述的智能铁鞋的数据被分为业务数据及心跳数据，并以多种信道方式传输：所述智能铁鞋业务数据包括所有传感器变化数据、异常处理标志位等信号通过广播的方式以 10秒为周期发送至中继器或协调器的LORA3模块,多个中继器节点或协调器可以直接接收到相关业务数据，通过距协调器路由距离最近的中继器中转，或协调器直接接收，协调器以最快速度获得智能铁鞋业务数据；所述智能铁鞋心跳数据包括距离、防溜状态等主要业务数据，也包括用于表征铁鞋工作是否正常的帧计数数据，在长时间无数据、状态变化、无报警信息发生条件下，每5分钟智能铁鞋寻求信号最强的中继器节点作为其直接上级，以最小的数据负载量将心跳数据发送至上级中继的LORA4模块；

LORA1模块接收下级中继通过LORA2模块发送的打包数据；协调器及中继器通过各自 LORA1模块寻求信号最强的中继器节点作为其下级中继，通过下级中继LORA2模块通信对其进行轮询握手、收发打包数据；下级中继器会对所收取的全部数据进去比对，首先按优先级然后按时间将获得的数据进行比对、打包，然后上传给上级协调器或中继器；上级中继器或协调器作为主机，下级中继器作为从机进行通信，具体包括主机轮询握手、接收数据过程及从机数据比对、数据打包、及数据上传过程。

优选的，所述主机轮询握手、接收数据过程是：

1)、智能铁鞋以广播的形式将业务数据发送至协调器及中继器的LORA3模块，并将心跳数据以单播的形式发送至上一级中继器的LORA4模块，通过将协调器及各中继器中对从机的轮询次数初始化为0；

2)、中继器或协调器作为主机通过LORA1模块向作为从机的下一级中继器的LORA2模块发送轮询命令，将对该从机的轮询次数加1，并记录该从机被轮询的次数，等待接收从机回复帧；

3)、查询是否接到从机回复帧；

若收到从机的回复帧，则将对该从机的轮询次数置零，并解析回复帧，并进行步骤4；若没有接收到该从机的回复帧，则进行步骤7；

4)、查询该从机是否有新打包数据需要上传；

若有新打包数据需要上传，则主机接收数据，并计时，进行步骤5；若无新打包数据需要上传，则轮询下一从机，返回步骤2；

5)、查询打包数据是否接收完毕；

若打包数据接收完毕，则主机向从机发送回复数据帧，轮询下一从机，返回步骤2；若打包数据没有接收完毕，则进行步骤6；

6)、查询接收数据的时间是否超过单次最长持续时间；

若超过单次最长持续时间，则返回步骤2，重新对该从机进行轮询；若没有超过单次最长持续时间，则继续接收数据并计时，返回步骤5；

7)、查询该从机被轮询的次数；

若该从机被轮询超过50次，则将对该从机的轮询次数置零，并轮询下一从机，返回步骤2；若该从机被轮询未超过50次，则返回步骤2，重新向该从机发送轮询命令。

所述步骤2中主机轮询命令为：0X01，从机无数据上传则向主机回复0X0A，或直接上传打包完成的数据；

所述从机数据比对、数据打包、及数据上传过程是：

1)、中继器作为从机查询是否收到作为主机的上一级中继器或协调器的轮询帧；

若接收到主机的轮询帧，则进行步骤2；若未接收到轮询帧，则返回步骤1，重新进行判断；

2)、从机将通过自身LORA1获得的下级打包数据、LORA3获得的广播数据及LORA4获得的单播数据进行解析分类，分别存放于三个缓存区对应作为业务数据帧、心跳数据帧及中继器心跳帧；

3)、基于不同智能铁鞋的MAC地址将业务数据按帧序号顺序存放于有溜逸业务数据区和非溜逸业务数据区；

4)、查询是否有溜逸数据需要上传，若无溜逸数据需要上传，则进行步骤5；

若有溜逸数据需要上传，则将同一铁鞋MAC条件下基于自身的帧序号与历史数据帧作比对，帧序号越大，认为数据越新，判断该数据是否为最新数据：若该数据是最新数据，则判断剩余发送空间是否足够，若剩余发送空间足够，则打包该数据，并返回步骤4，重新进行判断，若剩余发送空间不够，则进行步骤5，判断是否有非溜逸数据需要上传；若不是最新数据，则将该数据丢弃，并返回步骤4，重新进行判断；

5)、查询是否有非溜逸数据需要上传，若无非溜逸数据需要上传，则进行步骤6；

若有非溜逸数据需要上传，则将同一铁鞋MAC条件下基于自身的帧序号与历史数据帧作比对，判断该数据是否为最新数据：若该数据是最新数据，则判断剩余发送空间是否足够，若剩余发送空间足够，则打包该数据，并返回步骤5，重新进行判断，若剩余发送空间不够，则进行步骤6，判断是否有铁鞋心跳数据需要上传；若不是最新数据，则将该数据丢弃，并返回步骤5，重新进行判断；

6)、查询是否有铁鞋心跳数据需要上传，若无铁鞋心跳数据需要上传，则进行步骤7；

若有铁鞋心跳数据需要上传，则将同一铁鞋MAC条件下基于自身的帧序号与历史数据帧作比对，判断该数据是否为最新数据：若该数据是最新数据，则判断剩余发送空间是否足够，若剩余发送空间足够，则打包该数据，并返回步骤6，重新进行判断，若剩余发送空间不够，则进行步骤7，判断是否有中继器心跳数据需要上传；若不是最新数据，则将该数据丢弃，并返回步骤6，重新进行判断；

7)、查询是否有中继器心跳数据需要上传，若无中继器心跳数据需要上传，则进行步骤 8；

若有中继器心跳数据需要上传，则将同一铁鞋MAC条件下基于自身的帧序号与历史数据帧作比对，判断该数据是否为最新数据：若该数据是最新数据，则判断剩余发送空间是否足够，若剩余发送空间足够，则打包该数据，并返回步骤7，重新进行判断，若剩余发送空间不够，则进行步骤8，判断发送空间是否有数据；若不是最新数据，则将该数据丢弃，并返回步骤7，重新进行判断；

8)、查询发送空间是否有数据；

若有数据，则根据打包数据长度更新等待回复帧时间，并设置打包数据重发次数，进行步骤9；若无数据上传，则返回步骤1；

9)、向主机重新发送打包数据，并将重发次数减1；

10)、查询是否接收到主机回复帧；

若接收到主机回复帧，则该从机打包上传数据流程结束；若没有接收到主机回复帧，则判断重发次数是否为零，若重发次数为零，则该从机打包上传数据流程结束，若重发次数不为零，则返回步骤9；

本发明还公开了一种多信道智能防溜系统数据通信方法的通讯数据帧格式，应用于本发明公开的多信道智能防溜系统，协调器、中继器及智能盒相关通讯数据帧具体格式如下：

1个帧起始字节+1个长度字符+2个命令字符+数据域+异或校验字符；其中长度字符用于表示数据域的长度；命令字符指明数据发送方式是广播、单播、打包上传、或轮询；

数据域包括智能盒或中继器发送的数据，即为智能盒业务数据帧、智能盒心跳数据帧、中继器转发心跳数据帧、中继器回复数据帧、中继器打包上传数据帧或中继器心跳数据帧；

其中智能盒业务数据帧包括智能盒MAC地址+1个版本字符+1个状态字符+9个模拟量字符+1个校验字符；智能盒心跳数据帧包括2个模拟量字符+1个计数字符+1个校验字符；中继器转发心跳数据帧包括2个终端地址字符+3个模拟量字符+1个计数字符+1个校验字符；中继器回复数据帧包括4个计数字符；中继器打包上传数据帧包括3个计数字符+数据域；中继器心跳数据帧包括中继器MAC地址+1个前导标识字符+1个模拟字符+4个计数字符+1个校验字符；

异或校验字符是对命令域的命令字和数据域的数据进行异或操作，将16进制的命令字和数据域组合起来，分别转换成8位的二进制数据进行异或操作，若接收方经过异或校验计算出的数据与校验字是相同的，那么此次传送的数据就是有效，反之，则本次传送无效。

优选的，智能盒业务数据帧包括智能盒MAC地址+1个版本字符+1个状态字符+9个模拟量字符+1个校验字符，状态字符表征铁鞋处于何种防溜状态，0AAH表示处于“真防溜”状态，055H表示处于“假防溜”状态，所述9个模拟量字符格式如下：

其中，M1表示信号强度，单位是dBm；M2表示铁鞋与车轮之间的距离，单位是mm；M3表示X轴加速度，单位是重力加速度g；M4表示Y轴加速度，单位是重力加速度g；M5表示 Z轴加速度，单位是重力加速度g；M6是电压，单位是伏；M7是温度，单位是℃；M8是电量计数，单位是W*H；M9是帧序号计数。

优选的，智能盒心跳数据帧包括2个模拟量字符+1个计数字符+1个校验字符，

铁鞋智能盒直接发送的心跳数据格式如下：

X1	X2	X3	X4	X5
					距离	帧序号计数	累加和校验	温度	防溜状态

其中，X1表示距离，指智能铁鞋到车轮之间的距离，单位是mm，占1个字节；X2表示帧序号计数，指该铁鞋智能盒对中继器发送数据的数据帧序号，占1个字节；X3表示累加和校验，指对检验位之前的两组数据进行累加和计算，产生一个校验数，占1个字节；X4表示温度，指铁鞋智能盒所处的环境温度，单位是℃，占1个字节。X5为重要的铁鞋状态字符，表征铁鞋处于何种防溜状态，0AAH表示处于“真防溜”状态，055H表示处于“假防溜”状态。

优选的，中继器转发心跳数据帧包括2个终端地址字符+3个模拟量字符+1个计数字符+1个校验字符，

中继器转发的铁鞋智能盒心跳数据表征其设备健康情况，格式如下：

T1

T2

T3

T4

T5

T6

T7

自身地址

距离

帧序号计数

累加和校验

信号强度

温度

铁鞋状态

其中，T1表示自身地址，指转发该数据的中继器地址，占2个字节；T2表示距离，指智能铁鞋到车轮之间的距离，单位是mm，占1个字节；T3表示发送计数，指铁鞋智能盒对中继器发送数据的数据帧序号，占1个字节；T4表示累加和校验，指对校验位前的数据进行累加和计算，将产生的校验值存入该位，占1个字节；T5表示信号强度，指转发数据的中继器到接收数据的中继器之间的无线信号强度，单位是dBm，占1个字节；T6表示温度，指铁鞋智能盒所处的环境温度，单位是℃，占1个字节。T7为重要的铁鞋状态字符，表征铁鞋处于何种防溜状态，0AAH表示处于“真防溜”状态，055H表示处于“假防溜”状态。

优选的，中继器回复数据帧包括4个计数字符，

上级向下级中继器回复数据帧格式如下：

H1	H2	H3	H4
				打包计数	智能盒数据个数	终端数据个数	心跳数据个数

其中，H1表示打包计数,指该中继器打包的数据个数，该位占1个字节；H2表示智能盒数据个数，指该中继器收到的由智能盒直接发送的数据个数，该位占1个字节；H3表示终端数据个数，指由其他中继器转发到该中继器的数据个数，该位占1个字节；H4表示心跳数据个数，指未发生变化的铁鞋智能盒数据个数，该位占1个字节。

优选的，中继器打包上传数据帧包括3个计数字符+数据域，

中继器打包的数据格式如下：

D1	D2	D3	D4
				计数	是否有数据	保留	打包内容，不超过234字节

打包数据的长度最长不超过237字节，其中，D1表示计数，指该数据包中有效数据个数，占1个字节；D2表示是否有数据，占1个字节；D3表示保留字节，占1个字节；D4表示打包内容，用于保存数据打包后存储的智能铁鞋有效信息，打包内容最长不超过234字节。

优选的，中继器心跳数据帧包括中继器MAC地址+1个前导标识字符+1个模拟字符+4个计数字符+1个校验字符，

中继器的心跳数据帧表征该中继器的设备健康情况，其数据格式如下：

B1

B2

B3

B4

B5

B6

B7

B8

前导标识

保留

信号强度

保留

帧序号计数

MAC

预留

校验

其中B1表示前导标识，分别为0x87和0x64；B2表示保留字符，该位占3个字节；B3表示信号强度，指发送心跳数据的中继器到接收数据的中继器之间的无线信号强度，单位是 dBm，占1个字节；B4表示保留字符，该位占3个字节；B5表示帧序号计数字符，该位占1 个字节；B6表示中继器MAC地址，占8个字节；B7表示预留字符，占10个字节；B8表示校验字符，指对校验位前的数据进行累加和计算，产生一个校验数，占1个字节。

本发明的有益效果

本发明的一种多信道智能防溜系统及其数据通信方法，适用于布置大量铁鞋、中继器的中大型铁路站场。

将智能铁鞋数据被分为业务数据及心跳数据并以多种信道方式传输，业务数据以10秒为周期发送至中继器甚至协调器的LORA3模块，协调器可以以最快速度获得智能铁鞋业务数据；心跳数据每5分钟智能铁鞋寻求信号最强的中继器节点作为其直接上级，以最小的数据负载量将心跳数据发送至上级中继器。上、下级中继轮询握手，数据有序上传，降低网络高并发，解决信号冲突及数据包丢失现象；对多种来源数据汇总、比对，对重复或陈旧数据加以摒弃，以最快速度上传最新有效智能铁鞋数据；不同来源、优先级数据打包发送，提高数据传输效率；优先发送溜逸数据帧，提高系统防溜逸检测报警能力；方便防溜系统的智能铁鞋或中继器数量的扩充与升级，大大提高了站场的安全性，减轻了站场人员的管理压力。

附图说明

图1是本发明的一种多信道智能防溜系统总体结构图。

图2是本发明的主机轮询握手、接收数据流程图。

图3是本发明的从机数据比对、数据打包、及数据上传流程图。

具体实施方式

如图1所示，一种多信道智能防溜系统，包括若干智能铁鞋、由若干中继器和一个协调器构成的无线传输单元和一个智能铁鞋状态监测上位机，

智能铁鞋由传统铁鞋及其内部的智能盒构成，其中智能盒由盒体及其内部的信号处理单元构成，信号处理单元包括距离传感器、加速度传感器、温度传感器、直流电源、中央处理器和LORA无线收发模块。距离传感器、加速度传感器、温度传感器的信号输出端均与中央处理器的对应信号输入端相连，中央处理器的通信信号通过LORA无线收发模块传输智能铁鞋业务数据和心跳数据；

无线传输单元以一个协调器为网络中心，一个协调器与若干中继器构建多级树状网络。若干中继器及协调器均包含自身处理器单元(CPU)及4个独立半双工的LORA模块，LORA1、LORA2频段相同，LORA3、LORA4模块与LORA1和LORA2频段独立、互不干涉；

若干智能铁鞋与由若干中继器和一个网络协调器构成的无线传输单元进行多信道通信，将数据及时可靠地发送给智能铁鞋状态监测上位机；

在本发明公开的一种多信道智能防溜系统数据通信方法中，智能铁鞋的数据被分为业务数据及心跳数据，并以多种信道方式传输。所述智能铁鞋业务数据包括所有传感器变化数据、异常处理标志位等信号通过广播的方式以10秒为周期发送至中继器甚至协调器的 LORA3模块,多个中继器节点甚至协调器可以直接接收到相关业务数据，通过距协调器路由距离最近的中继器中转，或协调器直接接收，协调器可以以最快速度获得智能铁鞋业务数据；所属智能铁鞋心跳数据包括距离、防溜状态等主要业务数据，也包括用于表征铁鞋工作是否正常的帧计数数据，在长时间无数据、状态变化、无报警信息发生条件下，每5分钟智能铁鞋寻求信号最强的中继器节点作为其直接上级，以最小的数据负载量将心跳数据发送至上级中继的LORA4模块。

协调器或中继器分别通过LORA3模块、LORA4模块接收智能铁鞋业务数据和心跳数据， LORA1模块接收下级中继通过LORA2模块发送的打包数据；协调器及中继器通过各自LORA1 模块寻求信号最强的中继器节点作为其下级中继，通过下级中继LORA2模块通信对其进行轮询握手、收发打包数据。下级中继器会对所收取的全部数据进去比对，首先按优先级然后按时间将获得的数据进行比对、打包，然后上传给上级协调器或中继器。上级中继器(或协调器)作为主机，下级中继器作为从机进行通信，具体包括主机轮询握手、接收数据过程及从机数据比对、数据打包、及数据上传过程。

如图2所示，所述主机轮询握手、接收数据过程是：

1)、智能铁鞋以广播的形式将业务数据发送至协调器及所有(或大部分)中继器的LORA3模块，并将心跳数据以单播的形式发送至上一级中继器的LORA4模块，通过将协调器及各中继器中对从机的轮询次数初始化为0；

2)、中继器或协调器(主机)通过LORA1模块向下一级中继器(从机)的LORA2模块发送轮询命令，将对该从机的轮询次数加1，并记录该从机被轮询的次数，等待接收从机回复帧；所述主机轮询命令为：0X01，从机无数据上传则向主机回复0X0A，或直接上传打包完成的数据；

3)、查询是否接到从机回复帧；

若收到从机的回复帧，则将对该从机的轮询次数置零，并解析回复帧，判断该从机是否有新打包数据需要上传，进行步骤4；若没有接收到该从机的回复帧，则进行步骤7；

6)、查询该从机是否有新打包数据需要上传；

若有新打包数据需要上传，则主机接收数据，并计时，进行步骤5；若无新打包数据需要上传，则轮询下一从机，返回步骤2；

7)、查询打包数据是否接收完毕；

若打包数据接收完毕，则主机向从机发送回复数据帧，轮询下一从机，返回步骤2；若打包数据没有接收完毕，则进行步骤6；

6)、查询接收数据的时间是否超过单次最长持续时间；

若超过单次最长持续时间，则返回步骤2，重新对该从机进行轮询；若没有超过单次最长持续时间，则继续接收数据并计时，返回步骤5；

7)、查询该从机被轮询的次数；

若该从机被轮询超过50次，则将对该从机的轮询次数置零，并轮询下一从机，返回步骤2；若该从机被轮询未超过50次，则返回步骤2，重新向该从机发送轮询命令。

如图3所示，从机数据比对、数据打包、及数据上传过程是：

1)、中继器(从机)查询是否收到上一级中继器或协调器(主机)的轮询帧；

若接收到主机的轮询帧，则进行步骤2；若接收到轮询帧，则返回步骤1，重新进行判断；

2)、从机将通过自身LORA1获得的下级打包数据、LORA3获得的广播数据及LORA4获得的单播数据进行解析分类，分别存放于三个缓存区作为业务数据帧、心跳数据帧及中继器心跳帧；

3)、基于不同智能铁鞋的MAC地址将业务数据按帧序号顺序存放于有溜逸业务数据区和非溜逸业务数据区；

4)、查询是否有溜逸数据需要上传，若无溜逸数据需要上传，则进行步骤5；

若有溜逸数据需要上传，则将同一铁鞋MAC条件下基于自身的帧序号与历史数据帧作比对，帧序号越大，认为数据越新，判断该数据是否为最新数据：若该数据是最新数据，则判断剩余发送空间是否足够，若剩余发送空间足够，则打包该数据，并返回步骤4，重新进行判断，若剩余发送空间不够，则进行步骤5，判断是否有非溜逸数据需要上传；若不是最新数据，则将该数据丢弃，并返回步骤4，重新进行判断；

5)、查询是否有非溜逸数据需要上传，若无非溜逸数据需要上传，则进行步骤6；

若有非溜逸数据需要上传，则将同一铁鞋MAC条件下基于自身的帧序号与历史数据帧作比对，判断该数据是否为最新数据。若该数据是最新数据，则判断剩余发送空间是否足够，若剩余发送空间足够，则打包该数据，并返回步骤5，重新进行判断，若剩余发送空间不够，则进行步骤6，判断是否有铁鞋心跳数据需要上传；若不是最新数据，则将该数据丢弃，并返回步骤5，重新进行判断；

6)、查询是否有铁鞋心跳数据需要上传，若无铁鞋心跳数据需要上传，则进行步骤7；

若有铁鞋心跳数据需要上传，则将同一铁鞋MAC条件下基于自身的帧序号与历史数据帧作比对，判断该数据是否为最新数据：若该数据是最新数据，则判断剩余发送空间是否足够，若剩余发送空间足够，则打包该数据，并返回步骤6，重新进行判断，若剩余发送空间不够，则进行步骤7，判断是否有中继器心跳数据需要上传；若不是最新数据，则将该数据丢弃，并返回步骤6，重新进行判断；

7)、查询是否有中继器心跳数据需要上传，若无中继器心跳数据需要上传，则进行步骤 8；

若有中继器心跳数据需要上传，则将同一铁鞋MAC条件下基于自身的帧序号与历史数据帧作比对，判断该数据是否为最新数据。若该数据是最新数据，则判断剩余发送空间是否足够，若剩余发送空间足够，则打包该数据，并返回步骤7，重新进行判断，若剩余发送空间不够，则进行步骤8，判断发送空间是否有数据；若不是最新数据，则将该数据丢弃，并返回步骤7，重新进行判断；

8)、查询发送空间是否有数据；

若有数据，则根据打包数据长度更新等待回复帧时间，并设置打包数据重发次数，进行步骤9；若无数据上传，则返回步骤1；

9)、向主机重新发送打包数据，并将重发次数减1；

10)、查询是否接收到主机回复帧；

若接收到主机回复帧，则该从机打包上传数据流程结束；若没有接收到主机回复帧，则判断重发次数是否为零，若重发次数为零，则该从机打包上传数据流程结束，若重发次数不为零，则返回步骤9。

多信道智能防溜系统数据通信方法中协调器、中继器及智能盒相关通讯数据帧具体格式如下：

1个帧起始字节+1个长度字符+2个命令字符+数据域+异或校验字符；其中长度字符用于表示数据域的长度；命令字符指明数据发送方式是广播、单播、打包上传、或轮询；

数据域包括智能盒或中继器发送的数据，即为智能盒业务数据帧、智能盒心跳数据帧、中继器转发心跳数据帧、中继器回复数据帧、中继器打包上传数据帧或中继器转发心跳数据帧。

其中智能盒业务数据帧包括智能盒MAC地址+1个版本字符+1个状态字符+9个模拟量字符+1个校验字符；智能盒心跳数据帧包括2个模拟量字符+1个计数字符+1个校验字符；中继器转发心跳数据帧包括2个终端地址字符+3个模拟量字符+1个计数字符+1个校验字符；中继器回复数据帧包括4个计数字符；中继器打包上传数据帧包括3个计数字符+数据域；中继器心跳数据帧包括中继器MAC地址+1个前导标识字符+1个模拟字符+4个计数字符+1个校验字符；

异或校验字符是对命令域的命令字和数据域的数据进行异或操作，将16进制的命令字和数据域组合起来，分别转换成8位的二进制数据进行异或操作，若接收方经过异或校验计算出的数据与校验字是相同的，那么此次传送的数据就是有效，反之，则本次传送无效。

是实例中，智能盒业务数据帧包括智能盒MAC地址+1个版本字符+1个状态字符+9个模拟量字符+1个校验字符，状态字符表征铁鞋处于何种防溜状态，0AAH表示处于“真防溜”状态，055H表示处于“假防溜”状态，所述9个模拟量字符格式如下：

其中，M1表示信号强度，单位是dBm；M2表示铁鞋与车轮之间的距离，单位是mm；M3表示X轴加速度，单位是重力加速度g；M4表示Y轴加速度，单位是重力加速度g；M5表示 Z轴加速度，单位是重力加速度g；M6是电压，单位是伏；M7是温度，单位是℃；M8是电量计数，单位是W*H；M9是帧序号计数。

智能盒心跳数据帧包括2个模拟量字符+1个计数字符+1个校验字符，

铁鞋智能盒直接发送的心跳数据格式如下：

X1	X2	X3	X4	X5
					距离	帧序号计数	累加和校验	温度	防溜状态

其中，X1表示距离，指智能铁鞋到车轮之间的距离，单位是mm，占1个字节；X2表示帧序号计数，指该铁鞋智能盒对中继器发送数据的数据帧序号，占1个字节；X3表示累加和校验，指对检验位之前的两组数据进行累加和计算，产生一个校验数，占1个字节；X4表示温度，指铁鞋智能盒所处的环境温度，单位是℃，占1个字节。X5为重要的铁鞋状态字符，表征铁鞋处于何种防溜状态，0AAH表示处于“真防溜”状态，055H表示处于“假防溜”状态。

中继器转发心跳数据帧包括2个终端地址字符+3个模拟量字符+1个计数字符+1个校验字符，

中继器转发的铁鞋智能盒心跳数据表征其设备健康情况，格式如下：

T1

T2

T3

T4

T5

T6

T7

自身地址

距离

帧序号计数

累加和校验

信号强度

温度

铁鞋状态

其中，T1表示自身地址，指转发该数据的中继器地址，占2个字节；T2表示距离，指智能铁鞋到车轮之间的距离，单位是mm，占1个字节；T3表示发送计数，指铁鞋智能盒对中继器发送数据的数据帧序号，占1个字节；T4表示累加和校验，指对校验位前的数据进行累加和计算，将产生的校验值存入该位，占1个字节；T5表示信号强度，指转发数据的中继器到接收数据的中继器之间的无线信号强度，单位是dBm，占1个字节；T6表示温度，指铁鞋智能盒所处的环境温度，单位是℃，占1个字节。T7为重要的铁鞋状态字符，表征铁鞋处于何种防溜状态，0AAH表示处于“真防溜”状态，055H表示处于“假防溜”状态。

中继器回复数据帧包括4个计数字符，

上级向下级中继器回复数据帧格式如下：

H1	H2	H3	H4
				打包计数	智能盒数据个数	终端数据个数	心跳数据个数

其中，H1表示打包计数,指该中继器打包的数据个数，该位占1个字节；H2表示智能盒数据个数，指该中继器收到的由智能盒直接发送的数据个数，该位占1个字节；H3表示终端数据个数，指由其他中继器转发到该中继器的数据个数，该位占1个字节；H4表示心跳数据个数，指未发生变化的铁鞋智能盒数据个数，该位占1个字节。

中继器打包上传数据帧包括3个计数字符+数据域，

中继器打包的数据格式如下：

D1	D2	D3	D4
				计数	是否有数据	保留	打包内容，不超过234字节

打包数据的长度最长不超过237字节，其中，D1表示计数，指该数据包中有效数据个数，占1个字节；D2表示是否有数据，占1个字节；D3表示保留字节，占1个字节；D4表示打包内容，用于保存数据打包后存储的智能铁鞋有效信息，打包内容最长不超过234字节。

中继器心跳数据帧包括中继器MAC地址+1个前导标识字符+1个模拟字符+4个计数字符+1个校验字符，

中继器的心跳数据帧表征该中继器的设备健康情况，其数据格式如下：

B1

B2

B3

B4

B5

B6

B7

B8

前导标识

保留

信号强度

保留

帧序号计数

MAC

预留

校验

其中B1表示前导标识，分别为0x87和0x64；B2表示保留字符，该位占3个字节；B3表示信号强度，指发送心跳数据的中继器到接收数据的中继器之间的无线信号强度，单位是dBm，占1个字节；B4表示保留字符，该位占3个字节；B5表示帧序号计数字符，该位占1 个字节；B6表示中继器MAC地址，占8个字节；B7表示预留字符，占10个字节；B8表示校验字符，指对校验位前的数据进行累加和计算，产生一个校验数，占1个字节。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神做举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (1)

1.一种多信道智能防溜系统数据通信方法，基于多信道智能防溜系统，系统包括若干智能铁鞋、由若干中继器和一个协调器构成的无线传输单元和一个智能铁鞋状态监测上位机，

-所述的智能铁鞋包括传统铁鞋及其内部的智能盒，其中智能盒包括盒体及其内部的信号处理单元，信号处理单元包括距离传感器、加速度传感器、温度传感器、直流电源、中央处理器和LORA无线收发模块，距离传感器、加速度传感器、温度传感器的信号输出端均与中央处理器的对应信号输入端相连，中央处理器的通信信号通过LORA无线收发模块传输智能铁鞋业务数据和心跳数据；

-所述的无线传输单元以一个协调器为网络中心，一个协调器与若干中继器构建多级树状网络，若干中继器及一个协调器均包含自身处理器单元及4个独立半双工的LORA模块，LORA1、LORA2频段相同，LORA3、LORA4模块与LORA1和LORA2频段独立、互不干涉；

-若干智能铁鞋与由若干中继器和一个网络协调器构成的无线传输单元进行多信道通信，将数据及时可靠地发送给智能铁鞋状态监测上位机；

其特征是所述的智能铁鞋的数据被分为业务数据及心跳数据，并以多种信道方式传输：所述智能铁鞋业务数据通过广播的方式以10秒为周期发送至中继器或协调器的LORA3模块,多个中继器节点或协调器可以直接接收到相关业务数据，通过距协调器路由距离最近的中继器中转，或协调器直接接收，协调器以最快速度获得智能铁鞋业务数据；所述智能铁鞋心跳数据在长时间无数据、状态变化、无报警信息发生条件下，每5分钟智能铁鞋寻求信号最强的中继器节点作为其直接上级，以最小的数据负载量将心跳数据发送至上级中继的LORA4模块；

LORA1模块接收下级中继通过LORA2模块发送的打包数据；协调器及中继器通过各自LORA1模块寻求信号最强的中继器节点作为其下级中继，通过下级中继LORA2模块通信对其进行轮询握手、收发打包数据；下级中继器会对所收取的全部数据进去比对，首先按优先级然后按时间将获得的数据进行比对、打包，然后上传给上级协调器或中继器；上级中继器或协调器作为主机，下级中继器作为从机进行通信，具体包括主机轮询握手、接收数据过程及从机数据比对、数据打包、及数据上传过程

所述主机轮询握手、接收数据过程是：

1)、智能铁鞋以广播的形式将业务数据发送至协调器及中继器的LORA3模块，并将心跳数据以单播的形式发送至上一级中继器的LORA4模块，通过将协调器及各中继器中对从机的轮询次数初始化为0；

2)、中继器或协调器作为主机通过LORA1模块向作为从机的下一级中继器的LORA2模块发送轮询命令，将对该从机的轮询次数加1，并记录该从机被轮询的次数，等待接收从机回复帧；

3)、查询是否接到从机回复帧；

若收到从机的回复帧，则将对该从机的轮询次数置零，并解析回复帧，并进行步骤4；若没有接收到该从机的回复帧，则进行步骤7；

4)、查询该从机是否有新打包数据需要上传；

若有新打包数据需要上传，则主机接收数据，并计时，进行步骤5；若无新打包数据需要上传，则轮询下一从机，返回步骤2；

5)、查询打包数据是否接收完毕；

若打包数据接收完毕，则主机向从机发送回复数据帧，轮询下一从机，返回步骤2；若打包数据没有接收完毕，则进行步骤6；

6)、查询接收数据的时间是否超过单次最长持续时间；

若超过单次最长持续时间，则返回步骤2，重新对该从机进行轮询；若没有超过单次最长持续时间，则继续接收数据并计时，返回步骤5；

7)、查询该从机被轮询的次数；

若该从机被轮询超过50次，则将对该从机的轮询次数置零，并轮询下一从机，返回步骤2；若该从机被轮询未超过50次，则返回步骤2，重新向该从机发送轮询命令；

所述从机数据比对、数据打包、及数据上传过程是：

1)、中继器作为从机查询是否收到作为主机的上一级中继器或协调器的轮询帧；

若接收到主机的轮询帧，则进行步骤2；若未接收到轮询帧，则返回步骤1，重新进行判断；

2)、从机将通过自身LORA1获得的下级打包数据、LORA3获得的广播数据及LORA4获得的单播数据进行解析分类，分别存放于三个缓存区对应作为业务数据帧、心跳数据帧及中继器心跳帧；

3)、基于不同智能铁鞋的MAC地址将业务数据按帧序号顺序存放于有溜逸业务数据区和非溜逸业务数据区；

4)、查询是否有溜逸数据需要上传，若无溜逸数据需要上传，则进行步骤5；

若有溜逸数据需要上传，则将同一铁鞋MAC条件下基于自身的帧序号与历史数据帧作比对，判断该数据是否为最新数据：若该数据是最新数据，则判断剩余发送空间是否足够，若剩余发送空间足够，则打包该数据，并返回步骤4，重新进行判断，若剩余发送空间不够，则进行步骤5，判断是否有非溜逸数据需要上传；若不是最新数据，则将该数据丢弃，并返回步骤4，重新进行判断；

5)、查询是否有非溜逸数据需要上传，若无非溜逸数据需要上传，则进行步骤6；

若有非溜逸数据需要上传，则将同一铁鞋MAC条件下基于自身的帧序号与历史数据帧作比对，判断该数据是否为最新数据：若该数据是最新数据，则判断剩余发送空间是否足够，若剩余发送空间足够，则打包该数据，并返回步骤5，重新进行判断，若剩余发送空间不够，则进行步骤6，判断是否有铁鞋心跳数据需要上传；若不是最新数据，则将该数据丢弃，并返回步骤5，重新进行判断；

6)、查询是否有铁鞋心跳数据需要上传，若无铁鞋心跳数据需要上传，则进行步骤7；

若有铁鞋心跳数据需要上传，则将同一铁鞋MAC条件下基于自身的帧序号与历史数据帧作比对，判断该数据是否为最新数据：若该数据是最新数据，则判断剩余发送空间是否足够，若剩余发送空间足够，则打包该数据，并返回步骤6，重新进行判断，若剩余发送空间不够，则进行步骤7，判断是否有中继器心跳数据需要上传；若不是最新数据，则将该数据丢弃，并返回步骤6，重新进行判断；

7)、查询是否有中继器心跳数据需要上传，若无中继器心跳数据需要上传，则进行步骤8；

若有中继器心跳数据需要上传，则将同一铁鞋MAC条件下基于自身的帧序号与历史数据帧作比对，判断该数据是否为最新数据：若该数据是最新数据，则判断剩余发送空间是否足够，若剩余发送空间足够，则打包该数据，并返回步骤7，重新进行判断，若剩余发送空间不够，则进行步骤8，判断发送空间是否有数据；若不是最新数据，则将该数据丢弃，并返回步骤7，重新进行判断；

8)、查询发送空间是否有数据；

若有数据，则根据打包数据长度更新等待回复帧时间，并设置打包数据重发次数，进行步骤9；若无数据上传，则返回步骤1；

9)、向主机重新发送打包数据，并将重发次数减1；

10)、查询是否接收到主机回复帧；

若接收到主机回复帧，则该从机打包上传数据流程结束；若没有接收到主机回复帧，则判断重发次数是否为零，若重发次数为零，则该从机打包上传数据流程结束，若重发次数不为零，则返回步骤9。

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