CN110363980A - 基于TDMA和Contiki的LoRa采集装置及其采集方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于TDMA和Contiki的LoRa采集装置，包括管理控制模块和外围功能模块，所述管理控制模块包括Contiki OS平台和与所述Contiki OS平台连接的时间管理单元、配置管理单元、数据管理单元以及通信管理单元，所述外围功能模块包括与所述配置管理单元连接的调试/配置模组、与所述数据管理单元连接的RS485模组以及与所述通信管理单元连接的LoRa模组；本发明还公开了一种基于TDMA和Contiki的LoRa采集装置的采集方法，本发明具有时间控制精确，通信冲突避让能力优秀的特点。

Description

基于TDMA和Contiki的LoRa采集装置及其采集方法

技术领域

本发明涉及物联网数据采集技术领域，特别是一种基于TDMA和Contiki的LoRa采集装置及其采集方法。

背景技术

目前物联网采集设备常用的传输方式主要有GPRS、CDMA、LTE、NB-IoT、LoRa等，而GPRS、CDMA、LTE、NB-IoT方式通常每个采集终端需要配备一个网络连接模组和一张物联网卡，增大了成本，而选择LoRa通信可以采用另一种方案：多个节点先将数据传至网关，再由网关通过网络将数据传至后台，这大大减少了网络通信模组数量，缩减应用成本，非常适合通信数据量不大、传输距离较远的应用场景，而物联网采集很多都属于上述场景，非常适合将TDMA技术经常与LoRa技术配合使用。

现有的LoRa采集设备主要是用LoRa进行最简单的数据传输，存在以下问题：

(1)对多个终端节点的时隙控制较为粗糙或没有，容易出现通信冲突，限制了传输周期内有效通信终端的数量，对时间周期的利用率较低；

(2)通信冲突处理较简单，终端节点数目较多时冲突问题较为明显；

(3)通常采集终端都是数量较多的低功耗设备，主控芯片性能和资源十分有限，故采用裸机程序开发，但是处理复杂逻辑问题时裸机开发难度急剧增加。

问题(1)(2)两个限制了单个网关连接终端的数量，问题(3)限制了终端的业务能力。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种基于TDMA和Contiki的LoRa采集装置及其采集方法，本发明具有时间控制精确，通信冲突避让能力优秀的特点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于TDMA和Contiki的LoRa采集装置，包括管理控制模块和外围功能模块，所述管理控制模块包括Contiki OS平台和与所述Contiki OS平台连接的时间管理单元、配置管理单元、数据管理单元以及通信管理单元，所述外围功能模块包括与所述配置管理单元连接的调试/配置模组、与所述数据管理单元连接的RS485模组以及与所述通信管理单元连接的LoRa模组；其中：

调试/配置模组用于提供配置LoRa采集装置基本工作参数的接口；

RS485通信模组用于提供采集仪器、仪表、传感器数据的通道；

LoRa模组用于提供LoRa采集装置与网关通信的通道；

Contiki OS平台用于为各软件逻辑和机制提供运行平台，简化开发逻辑；

时间管理单元用于控制LoRa采集装置的工作时隙，管理采集时间、上传时间及唤醒时间；

配置管理单元用于根据来自系统配置接口的命令配置系统参数、根据基本工作参数确定运行时参数以及网关下发新配置后同步刷新系统参数；

数据管理单元用于根据对采集到的原始数据进行预处理，并将预处理后的数据存储到上传数据缓冲区，当上传进程执行上传数据操作时，会从上传数据缓冲区取走预处理后的数据，并将其上传到网关；

通信管理单元用于在指定的时间完成与网关的通信任务。

作为一种优选的实施方式，所述管理控制模块还包括看门狗单元，所述看门狗单元用于提供看门狗复位功能，防止意外情况导致不可自动恢复的异常。

作为另一种优选的实施方式，所述外围功能模块还包括供电模块，所述供电模块用于为LoRa采集装置供电。

本发明还提供一种如上所述的基于TDMA和Contiki的LoRa采集装置的采集方法，包括以下步骤：

(1)初始化：根据硬件厂商提供的信息，设置相关寄存器让主控芯片和外围功能模块进入工作状态；

(2)设置、计算工作参数：根据对应网关工作参数及实际应用场景设置射频频率、重传次数、数据长度、上传周期、唤醒间隔、射频功率、速率档位基本参数；根据预设前导码参数、带宽、频率和扩频因子计算CAD时长和前导码长度；

(3)装置入网：利用LoRa信道活动检测检查当前信道是否被占用，若信道忙，则延迟一段时间再重复检测信道占用情况，直至检测到信道空闲；若信道空闲，则向网关发送入网请求完成入网；

(4)时间管理：为每个工作节点分配独占的通信时隙，并实现本地RTC时间与网关的高度同步，利用状态机模型确定定时类型，配合RTC闹钟功能确保系统在确定的时间正确执行预定的操作，实现定时采集数据、上报数据和唤醒对时操作。

作为一种优选的实施方式，在步骤(1)中，初始化具体包括初始化MCU的时钟、串口内部外设及GPIO口；初始化LoRa模组引脚和工作状态；初始化RS485模组、电源模组、启动Contiki操作系统。

作为另一种优选的实施方式，在步骤(3)中向网关发送入网请求完成入网具体包括：将设备信息发送到网关，完成登记；接收入网回应数据包，将网关下发的参数及RTC时间同步到本地。

作为另一种优选的实施方式，步骤(4)中的时间管理包括时间分配和与网关的时间同步，其中，时间分配根据时间分配算法计算通信时间点和采集装置时隙；与网关的时间同步利用通信时间算法实现与网关时间的精确同步。

作为另一种优选的实施方式，所述的时间分配具体包括：

分时独占：将每个系统上报周期分割为时隙区间和自由区间，时隙区间供节点完成固定周期性的工作，在时隙区间为每个节点分配独占的通信时隙，降低通信冲突几率；自由区间作为网络系统的辅助性操作区间；

时隙划分：通信时隙被划分为预设工作区间和唤醒区间，上行区间分为若干个重试区间，通信时隙划分为网络节点数、payload参数、频率、带宽、扩频因子及上报周期的函数；采集时间、上传时间、唤醒时间为系统时间的函数。

作为另一种优选的实施方式，与网关的时间同步具体包括：

时间校正：在节点与网关同步时间过程中，根据payload参数、带宽、扩频因子及编码率计算数据包空中传输时间，结合设备特性系数对数据包中的时间进行校正，提高同步准确度；

定时同步：每次上报和唤醒操作都会进行一次时间同步操作；系统会定时进行同步对时。

本发明的有益效果是：本发明提供的基于LoRa、TDMA和Contiki的物联网采集装置及其采集方法具有以下明显特点：(1)采集装置(节点)时间控制精确，提供优秀的低功耗性能，时间利用率高；(2)优良的通信冲突避让机制，几代的减小通信冲突概率，提高通信质量。

附图说明

图1为本发明实施例LoRa采集装置的系统框图；

图2为本发明实施例的采集方法的流程框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

实施例

如图1所示，一种基于TDMA和Contiki的LoRa采集装置，包括管理控制模块和外围功能模块，所述管理控制模块包括Contiki OS平台和与所述Contiki OS平台连接的时间管理单元、配置管理单元、数据管理单元以及通信管理单元，所述外围功能模块包括与所述配置管理单元连接的调试/配置模组、与所述数据管理单元连接的RS485模组以及与所述通信管理单元连接的LoRa模组；其中：

(1)供电模块：为LoRa采集装置供电；

(2)调试/配置模组：提供配置LoRa采集装置基本工作参数的接口；

(3)RS485模组：提供采集仪器、仪表、传感器数据的通道；

(4)LoRa模组：LoRa采集装置与网关通信的通道；

(5)Contiki OS平台：为各软件逻辑和机制提供运行平台，简化开发逻辑；

(6)时间管理单元：控制采集装置的工作时隙，管理采集时间、上传时间及唤醒时间；

(7)配置管理单元：

a、根据来自系统配置接口的命令配置系统参数；

b、根据基本工作参数确定运行时参数；

c、网关下发新配置后同步刷新系统参数；

(8)数据管理单元：根据实际应用对采集到的原始数据进行预处理，并将处理后的数据存储到上传数据缓冲区，当上传进程执行上传数据操作时，会从上传数据缓冲区取走预处理后的的数据，并将其上传到网关；

(9)通信管理单元：负责在指定的时间完成与网关的通信任务；

(10)看门狗单元：负责提供看门狗复位功能，防止意外情况导致不可自动恢复的异常。

本实施例还提供一种如上所述的基于TDMA和Contiki的LoRa采集装置的采集方法，包括以下步骤：

(1)初始化：根据硬件厂商提供的信息，设置相关寄存器让主控芯片和外围设备进入工作状态，主要涉及：初始化MCU的时钟、串口等内部外设及GPIO口；初始化LoRa模块引脚和工作状态；初始化RS485模块、电源模块、启动Contiki操作系统；

(2)设置、计算工作参数：根据对应网关工作参数及实际应用场景设置射频频率、重传次数、数据长度、上传周期、唤醒间隔、射频功率、速率档位等基本参数；独有的时间分配算法根据预设前导码参数、带宽、频率、和扩频因子计算CAD时长和前导码长度；

(3)装置入网：装置系统准备工作完成后，利用LoRa信道活动检测(CAD)检查当前信道是否被占用：

若信道忙，则延迟一段时间再重复检测信道占用情况，直至检测到信道空闲。每次延时时长为系统时间配合随机数的函数，不仅防止周期性重复，还极大的降低多节点同时入网冲突几率；

若信道空闲，向网关发送入网请求完成入网：将设备信息发送到网关，完成登记；接收入网回应数据包，将网关下发的参数及RTC时间同步到本地；

(4)时间管理：

为每个工作节点分配独占的通信时隙，并实现本地RTC时间与网关的高度同步，利用状态机模型确定定时类型，配合RTC闹钟功能确保系统在确定的时间正确执行预定的操作，实现定时采集数据、上报数据和唤醒对时操作。

主要包含两方面：

A、时间分配：根据时间分配算法计算通信时间点和采集装置时隙。体现在两方面：

1)分时独占：将每个系统上报周期分割为时隙区间和自由区间，时隙区间供节点完成固定周期性的工作，在时隙区间为每个节点分配独占的通信时隙(时隙：时间轴上的一小段时间)，降低通信冲突几率；自由区间作为网络系统的辅助性操作区间；

2)时隙划分：通信时隙被进一步划分为预设工作区间和唤醒区间，上行区间分为若干个重试区间，通信时隙的划分为网络节点数、payload参数、频率、带宽、扩频因子及上报周期的函数；采集时间、上传时间、唤醒时间为系统时间的函数；

B、时间同步(与网关)：利用通信时间算法实现与网关时间的精确同步。体现在两方面：

1)时间校正：在节点与网关同步时间过程中，根据payload参数、带宽、扩频因子及编码率计算数据包空中传输时间，结合设备特性系数(由实际硬件方案确定)对数据包中的时间进行校正，提高同步准确度；

2)定时同步：每次上报和唤醒操作都会进行一次时间同步操作；系统会定时进行同步对时；

定时同步机制极大地降低了累积时间误差导致节点时钟失步的几率；

由于采集装置与相应的网关时间同步误差极小，而不同的节点工作在不同的时隙，正常工作情况下通信冲突几率极低。

以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于TDMA和Contiki的LoRa采集装置，其特征在于，包括管理控制模块和外围功能模块，所述管理控制模块包括Contiki OS平台和与所述Contiki OS平台连接的时间管理单元、配置管理单元、数据管理单元以及通信管理单元，所述外围功能模块包括与所述配置管理单元连接的调试/配置模组、与所述数据管理单元连接的RS485模组以及与所述通信管理单元连接的LoRa模组；其中：

调试/配置模组用于提供配置LoRa采集装置基本工作参数的接口；

RS485模组用于提供采集仪器、仪表、传感器数据的通道；

LoRa模组用于提供LoRa采集装置与网关通信的通道；

Contiki OS平台用于为各软件逻辑和机制提供运行平台，简化开发逻辑；

时间管理单元用于控制LoRa采集装置的工作时隙，管理采集时间、上传时间及唤醒时间；

配置管理单元用于根据来自系统配置接口的命令配置系统参数、根据基本工作参数确定运行时参数以及网关下发新配置后同步刷新系统参数；

数据管理单元用于根据对采集到的原始数据进行预处理，并将预处理后的数据存储到上传数据缓冲区，当上传进程执行上传数据操作时，会从上传数据缓冲区取走预处理后的数据，并将其上传到网关；

通信管理单元用于在指定的时间完成与网关的通信任务。

2.根据权利要求1所述的基于TDMA和Contiki的LoRa采集装置，其特征在于，所述管理控制模块还包括看门狗单元，所述看门狗单元用于提供看门狗复位功能，防止意外情况导致不可自动恢复的异常。

3.根据权利要求2所述的基于TDMA和Contiki的LoRa采集装置，其特征在于，所述外围功能模块还包括供电模块，所述供电模块用于为LoRa采集装置供电。

4.一种如权利要求1-3任一项所述的基于TDMA和Contiki的LoRa采集装置的采集方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)初始化：根据硬件厂商提供的信息，设置相关寄存器让主控芯片和外围功能模块进入工作状态；

(2)设置、计算工作参数：根据对应网关工作参数及实际应用场景设置射频频率、重传次数、数据长度、上传周期、唤醒间隔、射频功率、速率档位基本参数；根据预设前导码参数、带宽、频率和扩频因子计算CAD时长和前导码长度；

(3)装置入网：利用LoRa信道活动检测检查当前信道是否被占用，若信道忙，则延迟一段时间再重复检测信道占用情况，直至检测到信道空闲；若信道空闲，则向网关发送入网请求完成入网；

(4)时间管理：为每个工作节点分配独占的通信时隙，并实现本地RTC时间与网关的高度同步，利用状态机模型确定定时类型，配合RTC闹钟功能确保系统在确定的时间正确执行预定的操作，实现定时采集数据、上报数据和唤醒对时操作。

5.根据权利要求4所述的基于TDMA和Contiki的LoRa采集装置的采集方法，其特征在于，在步骤(1)中，初始化具体包括初始化MCU的时钟、串口内部外设及GPIO口；初始化LoRa模组引脚和工作状态；初始化RS485模组、电源模组、启动Contiki操作系统。

6.根据权利要求4所述的基于TDMA和Contiki的LoRa采集装置的采集方法，其特征在于，在步骤(3)中向网关发送入网请求完成入网具体包括：将设备信息发送到网关，完成登记；接收入网回应数据包，将网关下发的参数及RTC时间同步到本地。

7.根据权利要求4所述的基于TDMA和Contiki的LoRa采集装置的采集方法，其特征在于，步骤(4)中的时间管理包括时间分配和与网关的时间同步，其中，时间分配根据时间分配算法计算通信时间点和采集装置时隙；与网关的时间同步利用通信时间算法实现与网关时间的精确同步。

8.根据权利要求7所述的基于TDMA和Contiki的LoRa采集装置的采集方法，其特征在于，所述的时间分配具体包括：

分时独占：将每个系统上报周期分割为时隙区间和自由区间，时隙区间供节点完成固定周期性的工作，在时隙区间为每个节点分配独占的通信时隙，降低通信冲突几率；自由区间作为网络系统的辅助性操作区间；

时隙划分：通信时隙被划分为预设工作区间和唤醒区间，上行区间分为若干个重试区间，通信时隙划分为网络节点数、payload参数、频率、带宽、扩频因子及上报周期的函数；采集时间、上传时间、唤醒时间为系统时间的函数。

9.根据权利要求8所述的基于TDMA和Contiki的LoRa采集装置的采集方法，其特征在于，与网关的时间同步具体包括：

时间校正：在节点与网关同步时间过程中，根据payload参数、带宽、扩频因子及编码率计算数据包空中传输时间，结合设备特性系数对数据包中的时间进行校正，提高同步准确度；

定时同步：每次上报和唤醒操作都会进行一次时间同步操作；系统会定时进行同步对时。