CN110572481A - 基于LoRa通信的智能化机电设备数据交互方法与系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于LoRa通信的智能化机电设备数据交互方法与系统，所述系统包括LoRa终端、LoRa网关和云服务平台三个部分，所述方法自定义了LoRa网关与LoRa终端之间通信的私有协议，包括LoRa终端与LoRa网关的连接，LoRa终端根据LoRa网关下发的命令执行对应的操作，LoRa网关接收并处理LoRa终端上传的数据，并在LoRa通信的私有协议之上设计了一种新颖的速率自适应的算法，充分利用LoRa通信技术多扩频因子多数据速率的特点，对LoRa网关不同距离范围内的LoRa终端自动分配不同的扩频因子以确保网络连通性，分析LoRa终端无线接收信号的质量和传输信道情况，对LoRa终端数据传输速率进行自适应调整。降低了LoRa无线信道碰撞的概率，提高了数据上传的吞吐量与实时性。

Description

基于LoRa通信的智能化机电设备数据交互方法与系统
技术领域
本发明涉及电气工程和通信技术领域，尤其涉及一种基于LoRa通信的智能化机电设备数据交互方法与系统。
背景技术
随着现代工业技术的发展和设备制造水平的提高，高速公路的机电设备数量不断增加。机电设备的部署对保证高速公路的正常运行与道路的安全意义十分重大，其故障不仅会造成巨大的经济损失，还会带来恶劣的社会影响。目前，高速公路的机电设备一部分已通过有线的光电缆接入收费、监控、通信网络，但仍有一部分设备不具备联网条件。如果需要监控这部分没有联网的机电设备，必须开发一种数据交互系统，在设备前端采集设备状态特征量并传回监控数据中心，LoRa是LPWAN(Low power wide areanetwork)通信技术的一种基于扩频技术的超远距离无线传输标准，为用户提供一种简单的能实现远距离、长电池寿命、低成本、大容量的系统，但数据上传的吞吐量和实时性比较低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于LoRa通信的智能化机电设备数据交互方法与系统，提高数据上传的吞吐量和实时性。
为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种基于LoRa通信的智能化机电设备数据交互方法，包括：
建立LoRa终端与LoRa网关和LoRa网关与云服务平台的连接；
利用私有协议分配设备编号，并进行时间同步处理；
判断是否有LoRa私有协议的数据报文；
利用机电设备数据交互速率自适应算法，对LoRa终端的数据传输速率进行适应性调整；
收集所述LoRa终端采集的数据，并上传至云服务平台进行保存。
其中，所述建立LoRa终端与LoRa网关和LoRa网关与云服务平台的连接，包括：
LoRa网关初始化后，将一个LoRa网关与多个LoRa终端连接，构成星型拓扑架构，并且将初始化后的LoRa网关与云服务平台建立连接，并更新会话密钥。
其中，所述利用私有协议分配设备编号，并进行时间同步处理，包括：
LoRa私有协议为每个LoRa网关和LoRa终端设定设备编号，根据设备编号区分LoRa网关和LoRa终端及其从属关系，并进行LoRa网关和LoRa终端的时间同步处理。
其中，所述判断是否有LoRa私有协议的数据报文，包括：
若无数据报文，则LoRa终端和LoRa网关进行休眠；
若有数据报文，则解析LoRa私有协议的数据报文，判断命令类型，LoRa网关和LoRa终端执行对应的命令操作。
其中，所述利用机电设备数据交互速率自适应算法，对LoRa终端的数据传输速率进行适应性调整，包括：
在LoRa终端接入网络阶段，LoRa网关根据相互交互过程中的多条上行数据和下行数据对接收到的信息进行解析，得到每条通信信息的信噪比和接收信号强度，然后计算其平均值，根据得到的平均信噪比和平均信号接收强度的权重、预先设定的信噪比门限和接受信号强度门限设置LoRa通信子信道的扩频因子和LoRa终端期望的数据传输速率，使LoRa终端以期望的数据传输速率通过扩频因子子信道向LoRa网关上传数据。
其中，所述利用机电设备数据交互速率自适应算法，对LoRa终端的数据传输速率进行适应性调整，还包括：
若LoRa终端根据命令类型判断数据为紧急数据，则直接通过绿色子通道传输；
若LoRa终端根据命令类型判断数据不是紧急数据，则LoRa终端开启丢包统计机制，LoRa网关实时监督扩频因子子信道的负荷。
其中，所述利用机电设备数据交互速率自适应算法，对LoRa终端的数据传输速率进行适应性调整，还包括：
LoRa终端根据丢包率和信道负荷判断扩频因子子信道拥塞情况，根据拥塞情况选择速率正常调节模式或速率紧急调节模式，其中：
若LoRa终端判断丢包数达到设定的丢包阈值，则选择速率紧急调节模式，LoRa终端通过绿色通信子通道进行数据传输；
若LoRa终端判断丢包数未达到设定的丢包阈值，则判断是否发生丢包现象。
其中，所述判断是否发生丢包现象，包括：
若无丢包现象发生，则LoRa终端以期望的数据传输速率向LoRa网关上传数据；
若发生丢包现象，则选择正常速率调节模式。
其中，所述选择正常速率调节模式后，包括：
若扩频因子子信道负荷小于或等于终端期望数据速率对应的信道负荷阈值时，选择各扩频因子信道中数据传输速率最大值作为终端期望的数据传输速率；
若扩频因子子信道负荷大于终端期望数据速率对应的信道负荷阈值，则终端期望数据速率自动降低一个速率。
第二方面，本发明提供一种基于LoRa通信的智能化机电设备数据交互系统，所述基于LoRa通信的智能化机电设备数据交互系统包括LoRa终端、LoRa网关和云服务平台，所述LoRa终端、所述LoRa网关和所述云服务平台依次电性连接，
所述LoRa终端，用于与所述LoRa网关建立连接，执行所述LoRa网关下达的命令，并采集和上传机电设备数据；
所述LoRa网关，用于初始化LoRa通信网络，并与所述LoRa终端建立连接，配置LoRa私有协议参数，收集和保存机电设备数据，上传机电设备数据至所述云服务平台，同时下发所述云服务平台数据至LoRa终端；
所述云服务平台，用于存储所述LoRa网关上传的机电设备数据，并对采集回来的历史数据、实时数据进行分析。
本发明提供的一种基于LoRa通信的智能化机电设备数据交互方法与系统，所述系统包括LoRa终端、LoRa网关和云服务平台三个部分，所述LoRa终端、所述LoRa网关和所述云服务平台依次电性连接，所述方法自定义了LoRa网关与LoRa终端之间通信的私有协议，此协议包括LoRa终端建立与LoRa网关的连接；LoRa终端根据LoRa网关下发的数据执行对应的操作；LoRa网关接收并处理LoRa终端上传的数据。并在LoRa通信的私有协议之上设计了一种新颖的机电设备数据交互速率自适应算法。此算法充分利用LoRa通信技术多扩频因子多数据速率的特点，对LoRa网关不同距离范围内的LoRa终端自动分配不同的扩频因子以确保网络连通性；分析LoRa终端无线接收信号的质量和传输信道情况；对LoRa终端数据传输速率进行自适应调整。本发明降低了LoRa无线信道碰撞的概率，提高了数据上传的吞吐量与实时性。
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是本发明提供的一种基于LoRa通信的智能化机电设备数据交互方法的步骤图。
图2是本发明提供的LoRa终端通信流程图。
图3是本发明提供的LoRa网关通信流程图。
图4是本发明提供的一种机电设备数据交互速率自适应算法流程图。
图5是本发明提供的一种基于LoRa通信的智能化机电设备数据交互系统的组成示意图。
3-云服务平台、2-LoRa网关、1-LoRa终端、11-第一LoRa无线通信单元、12-第一电压电流互感模块、13-第一温湿度传感器模块、14-第一北斗定位模块、15-第一继电器模块、16-第一射频模块单元、17-第一微处理器模块、21-以太网通信单元、22-NB-IOT通信单元、23-第二北斗定位模块、24-第二电压电流互感模块、25-第二射频模块单元、26-第二温湿度传感器模块、27-第二微处理器模块、28-第二LoRa无线通信单元。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
请参阅图1至图4，本发明提供一种基于LoRa通信的智能化机电设备数据交互方法，包括：
S101、建立LoRa终端与LoRa网关和LoRa网关与云服务平台的连接。
具体的，LoRa网关2上电开启，对LoRa网关2进行初始化，然后LoRa终端1发送建立连接的请求，LoRa网关2收到LoRa终端1的连接请求，则发送连接响应。如果LoRa终端1收到LoRa网关2响应，则注册连接上LoRa网关2，一个LoRa网关2可以连接多个LoRa终端1，LoRa网关2与LoRa终端1构成星型拓扑架构，形成一个简单、灵活的私有网络。如果没有收到连接响应，LoRa终端1周期性地进入信道活动检测(CAD)模式，当检测到信道忙时，LoRa终端1进入短暂休眠状态，当连续两次检测到信道空闲时，LoRa终端1再向LoRa网关2发送入网请求。而LoRa网关2初始化后，将与云服务平台3建立连接并更新会话密钥，会话密钥更新由LoRa网关2发起，云服务平台3产生确认，LoRa网关2接受确认后启用新会话密钥。若LoRa网关2发送新会话密钥后，未收到云服务平台3的确认，则重复发送会话密钥更新指令，直到收到确认为止。云服务平台3在收到会话密钥更新命令时，仍然保留旧会话密钥，对收到的数据同时使用旧密钥和新密钥解密，当后续的数据上报使用了新会话密钥后，则表示新会话密钥已经工作正常，此时删除旧会话密钥。
S102、利用私有协议分配设备编号，并进行时间同步处理。
具体的，由于一个LoRa网关2连接了多个LoRa终端1，当LoRa网关2已初始化后，LoRa网关2获得唯一的设备编号，当LoRa终端1注册入网时，需要为LoRa网关2所属下的不同的LoRa终端1分配唯一的设备编号，与此同时LoRa网关2根据LoRa终端1设备编号还为每个LoRa终端1下发对应映射关系的终端地址，并且LoRa网关2和LoRa终端1都需进行时间同步处理，LoRa网关2的时间同步方式为：LoRa网关2安装NTP(Network Time Protocol)客户端与NTP服务器进行世界标准时钟进行同步，LoRa网关2发送时间同步请求时，先在包中记录设备站的发送时间T1，NTP服务器接收后记录接收时间T2，在发送回应时将NTP服务器的接收时间T2和发送时间T3加入包中，LoRa网关2收到时的时间为T4，则报文的往返时延Delay＝(T4-T1)-(T3-T2)，设备站与服务器的时间差为((T2-T1)+(T3-T4))/2。根据该时间差，LoRa网关2进行时钟校准。LoRa网关2时间同步后通过广播的形式向所属的LoRa终端1下发时间同步报文。
S103、判断是否有LoRa私有协议的数据报文。
具体的，可分别对LoRa终端1和LoRa网关2的数据报文进行判断。其中，LoRa私有协议的数据格式分为三个类别：
①、LoRa网关2下发数据报文包括LoRa终端1编号报文、LoRa终端1时间同步报文、数据请求报文、远程重启报文，LoRa网关2下发数据报文格式包含：
报文命令类型：对报文中的命令进行编号区别；
命令序号：对报文中命令类型进行排序，终端保存命令序号，对于已经执行过的命令不再重复执行；
应答速率：终端应答网关的数据传输速率；
地址类别：对终端的地址进行分类处理；
终端地址：对终端进行地址编号；
数据内容：此内容为网关下发给终端的数据，此内容可为空。
②、LoRa终端1上传数据报文包括紧急数据上传报文、周期数据上传报文，LoRa终端1上传数据报文格式包含：
报文命令类型：数据上传的命令编号；
终端地址：终端所对应的地址编号；
数据内容：此内容为终端需要上传的机电设备状态信息，包括电压、电流、温度、湿度、充电状态、经纬度。
③、LoRa终端1上传命令执行结果报文包括紧急数据上传结果报文、周期数据上传结果报文、远程重启结果报文，LoRa终端1上传命令执行结果报文格式包含：
报文命令类型：终端所执行命令的编号；
终端地址：终端所对应的地址编号；
命令执行结果：终端对网关下发的命令执行结果的状态。
参见图3，针对LoRa网关2判断是否有命令指令。若LoRa网关2未监听到来自云服务平台3的报文，则LoRa网关2进行休眠，若LoRa网关2监听到来自云服务平台3的报文，则对报文进行解析，截取报文命令类型，报文命令类型包括数据收集和远程重启；则LoRa网关2根据命令类型，执行相应的操作。
若报文命令类型为数据收集，步骤为：数据收集：当命令类型为周期数据采集时，LoRa网关2收集所属的所有LoRa终端1的上传数据，当命令类型为紧急数据采集时，LoRa网关2对特定某个LoRa终端1采集的数据进行收集；数据解密：数据报文通过LoRa通信传输需要加密处理，LoRa网关2对加密的报文进行解密处理，获取机电设备的工作状态数据及LoRa终端1的设备编号；数据存储：LoRa网关2需对机电设备数据进行一定时间的存储，LoRa网关2内置的SQLite 3是一种小型数据库，能够满足15天内机电设备的数据存储量。
若报文命令类型为远程重启，则步骤如下：下发MD5值：LoRa网关2透传来自云服务平台3下发远程重启命令；获取重启结果：LoRa终端1执行远程重启命令后会上传执行结果，LoRa网关2根据执行结果的状态值判断是否重启成功。
数据处理：LoRa网关2负责数据传输、协议转换、报文加解密的作用。LoRa网关2与云服务器3之间的通信协议、LoRa网关2与LoRa终端1之间的通信协议，两者不同，LoRa网关2转换协议后，将机电设备的工作状态信息或LoRa终端1上传的命令执行结果封装成报文并经加密处理。
上传数据：LoRa网关2将加密的报文上传至云服务平台3。LoRa网关2通常通过以太网向云服务平台3传输数据，当以太网网络出现异常时，其备用通信方式可以选择NB-IOT网络，此设计保证了机电设备数据交互系统的数据畅通。
参见图2，针对LoRa终端1判断是否有命令指令。若LoRa终端1未监听到来自LoRa网关2的报文，则进入休眠模式；若LoRa终端1监听到来自LoRa网关2的报文，则对报文进行解析，截取报文命令类型，包括数据上传和远程重启，并进行相应的操作。
若报文命令类型为数据上传，则步骤如下：数据采集：LoRa终端1的第一电压电流互感模块12采集机电设备电压电流数据，第一温湿度传感器模块13采集机电设备工作环境中的温度与湿度，第一北斗定位模块14获取机电设备的经纬度信息，所采集的机电设备数据经第一微处理器模块17进行格式化处理；数据加密：为了保证LoRa通信数据的安全问题，需要对LoRa报文进行加密处理。用会话密码来加密LoRa报文，用公钥密码来加密对称密码中所使用的会话密钥。通过使用混合密码系统，就能够将在通信中对称密码与公有密码的优势结合起来。LoRa终端1与LoRa网关2的通信协议数据报文以RC4的对称加密方式对数据字节进行加密，会话密钥通过RSA的公钥进行加密，防止会话密钥出现明文；数据传输：对加密后的LoRa报文通过LoRa无线通信单元11进行传输，直到数据传输完毕；上传执行结果：数据上传完毕，则向LoRa网关2上传数据上传结果报文，其中数据上传命令执行结果的状态为1。
若报文命令类型为远程重启，则步骤如下：LoRa终端1存储系统约定重启密钥的MD5值。根据LoRa网关2下发的远程重启报文并对其进行解析获取数据内容的MD5值，LoRa终端1比对MD5值后若匹配则控制第一继电器模块15对机电设备进行断电重启；上传执行结果：向LoRa网关2上传远程重启结果报文，若MD5值匹配，远程重启则成功，其中远程重启命令执行结果的状态为1；若MD5值不匹配远程重启则失败，其中远程重启命令执行结果的状态为0。
S104、利用机电设备数据交互速率自适应算法，对LoRa终端的数据传输速率进行适应性调整。
具体的，当LoRa终端1监听到来自LoRa网关2的数据上传的报文命令时，LoRa终端1将采集相应的数据，并加密上传至LoRa网关2，通过机电设备数据交互速率自适应算法，利用LoRa技术多扩频因子(SF)多数据率的特点，对网关不同距离范围内的终端节点自动分配不同的扩频因子(SF)和数据传输速率，同时根据丢包率和信道负荷的实时情况对通信信道进行选择，对数据传输速率调整，确保了网络连通性，降低了网络无线信道碰撞概率，保证数据传输的实时性与可靠性。
参见图4，机电设备数据交互速率自适应算法的流程如下：
⑴、LoRa终端1接入网络阶段，LoRa网关2根据相互交互过程中的N条上行数据和N条下行数据对接收到的每条信息进行解析，得到每条通信信息的信噪比(SNR)和接收信号强度(RSSI)；
⑵、分别计算上行和下行数据RSSI和SNR的均值
⑶、WU、WD分别表示的权重，LoRa网关2根权重与均值计算期望接收信号强度(RSSIC)、期望信噪比(SNRC)；
WU+WD＝1。
⑷、RSSIthi、SNRthi分别为在某距离范围内数据能可靠上传RSSI、SNR的预定门限，根据SNRC与SNRthi关系，SNRC与SNRthi关系设定扩频因子(SF)，Ai的取值范围6-11，根据SF取值分配对应的扩频因子子信道(SF子信道)；
⑸、根据公式DR＝SF×(BW/2ΛSF)×CR计算LoRa终端1期望的数据传输速率(DRC)，DRC也对应的SF子信道的数据传输速率(BW为信号带宽，CR为编码率)；
⑹、所述算法根据机电设备数据交互的实际情况为紧急数据传输设计一条绿色通道，绿色通道设置SF为12。绿色通道作为特殊通道，其数据传输量不多，信道拥挤概率较低，数据传输速率较快，避免紧急数据上传出现信道拥塞的问题。LoRa终端1根据报文命令类型判断需要上传的数据是否为紧急数据，若是则直接通过绿色通道进行紧急数据传输。
⑺、若为非紧急数据，LoRa终端1以DRC通过SF子信道向LoRa网关2上传数据。与此同时LoRa终端1开启丢包统计机制，数据发送后，在规定时间内未收到LoRa网关2返回的ACK，则视为丢包现象。
⑻、系统预先设定一个丢包阈值，LoRa终端1判断丢包数是否达到设定的丢包阈值。
若是，LoRa终端1则选择紧急速率调节模式。为了保证网络的连通性和数据传输的实时性，LoRa终端1通过绿色通信子通道(SF＝12)进行数据传输。
若不是，所述算法再次判断有无丢包现象发生，当通信子信道无丢包，LoRa终端1继续以DRC进行数据传输；当通信子信道有丢包，LoRa终端1选择正常速率调节模式。
正常速率调节模式：LoRa网关2开启一个周期性任务统计，定时对SF子信道的占用时间及负荷进行统计，并记录存储。根据编码率、采用的SF子信道，得出每帧数据对子信道的占用时间，并统计周期内累计总的占用时间，得出SF子信道的负荷。当SF子信道负荷小于或等于终端期望数据速率对应的信道负荷阈值时，选择各SF子信道中数据传输速率最大值作为DRC；若SF子信道负荷大于终端期望数据速率对应的信道负荷阈值，DRC自动降低一个速率。
⑼、LoRa终端1当前传输速率不等于LoRa网关2所确定的DRC，将接受LoRa网关2下发的速率调节命令，终端收到后根据自己的策略调整数据传输速率并进行反馈，若LoRa网关2未收到反馈信息则认为下发失败，重复下发直到收到回应为止。
S105、收集所述LoRa终端采集的数据，并上传至云服务平台进行保存。
具体的，LoRa终端1通过机电设备数据交互速率自适应算法对速率进行适应性调整后，LoRa网关2将收集LoRa终端1采集并上传的数据，并进行数据处理，将机电设备的工作状态信息或LoRa上传的命令执行结果封装成报文，并进行加密处理，通过以太网或者NB-IOT网络上传至云服务平台3进行保存。
参见图5，本发明提供一种基于LoRa通信的智能化机电设备数据交互系统，所述基于LoRa通信的智能化机电设备数据交互系统包括LoRa终端1、LoRa网关2和云服务平台3，所述LoRa终端1、所述LoRa网关2和所述云服务平台3依次电性连接，
所述LoRa终端1，用于与所述LoRa网关2建立连接，执行所述LoRa网关2下达的命令，并采集和上传机电设备数据至所述LoRa网关2；
所述LoRa网关2，用于初始化LoRa通信网络，并与所述LoRa终端1建立连接，配置LoRa私有协议参数，收集和保存机电设备数据，上传机电设备数据至所述云服务平台3，同时下发所述云服务平台3数据至LoRa终端1；
所述云服务平台3，用于存储所述LoRa网关2上传的机电设备数据，并对采集回来的历史数据、实时数据进行分析。
在本实施方式中，LoRa终端1建立与LoRa网关2的连接，执行LoRa网关2下传的命令操作，如上传紧急数据操作、周期数据操作，并采集和上传机电设备数据至所述LoRa网关2。LoRa终端1包含第一电压电流互感模块12、第一温湿度传感器模块13、第一北斗定位模块14、第一继电器模块15、第一LoRa无线通信单元11、第一射频模块单元16和第一微处理器模块17，并且依次电性连接；第一电压电流互感模块12、第一温湿度传感器模块13、第一北斗定位模块14分别采集机电设备工作的电压电流数据、温度湿度数据以及经纬度数据。数据经第一微处理器模块17对数据进行格式处理后经第一LoRa无线通信单元11进行传输，当执行机电设备远程重启命令时，第一继电器模块15控制机电设备电路对其进行重启。
LoRa网关2包含第二电压电流互感模块24、第二温湿度传感器模块26、第二北斗定位模块23、第二LoRa无线通信单元28、以太网通信单元21、NB-IOT通信单元22、第二射频模块单元25和第二微处理器模块27，依次电性连接；LoRa网关2确定与LoRa终端1的连接，收集和保存机电设备数据，上传机电设备数据至云服务平台3，下发云服务平台3数据至终端。LoRa网关2通过以太网通信单元21与云服务平台3通信，当以太网网络出现异常时，其备用通信方式可以选择通过NB-IOT通信单元22与云服务平台3通信，保证了机电设备数据交互系统的数据畅通。
云服务平台3主要组件包括Mysql数据库集群，MongoDB集群，Kafka集群和Spark集群。LoRa网关上传的数据到Kafka集群，使用流式数据处理框架Spark Streaming从消息队列Kafka中读出消息，经过数据清洗后写入非关系型数据库MongoDB；随后使用大数据处理框架Spark读取MongoDB中的数据进行实时分析处理，同时对采集回来的历史数据进行故障预警建模，实现智能预判和自动预警，提高机电设备的维修效率。
本发明提供的一种基于LoRa通信的智能化机电设备数据交互方法与系统，所述系统包括LoRa终端1、LoRa网关2和云服务平台3三个部分，所述LoRa终端1、所述LoRa网关2和所述云服务平台3依次电性连接，所述方法自定义了LoRa网关2与LoRa终端1之间通信的私有协议，此协议包括LoRa终端1建立与LoRa网关2的连接；LoRa终端1根据LoRa网关2下发的数据执行对应的操作；LoRa网关2接收并处理LoRa终端1上传的数据。并在LoRa通信的私有协议之上设计了一种新颖的机电设备数据交互速率自适应算法。此算法充分利用LoRa通信技术多扩频因子多数据速率的特点，对LoRa网关2不同距离范围内的LoRa终端1自动分配不同的扩频因子以确保网络连通性；分析LoRa终端1无线接收信号的质量和传输信道情况；对LoRa终端1数据传输速率进行自适应调整。本发明降低了LoRa无线信道碰撞的概率，提高了数据上传的吞吐量与实时性。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种基于LoRa通信的智能化机电设备数据交互方法，其特征在于，包括：
建立LoRa终端与LoRa网关和LoRa网关与云服务平台的连接；
利用私有协议分配设备编号，并进行时间同步处理；
判断是否有LoRa私有协议的数据报文；
利用机电设备数据交互速率自适应算法，对LoRa终端的数据传输速率进行适应性调整；
收集所述LoRa终端采集的数据，并上传至云服务平台进行保存。
2.如权利要求1所述的一种基于LoRa通信的智能化机电设备数据交互方法，其特征在于，所述建立LoRa终端与LoRa网关和LoRa网关与云服务平台的连接，包括：
LoRa网关初始化后，将一个LoRa网关与多个LoRa终端连接，构成星型拓扑架构，并且将初始化后的LoRa网关与云服务平台建立连接，并更新会话密钥。
3.如权利要求1所述的一种基于LoRa通信的智能化机电设备数据交互方法，其特征在于，所述利用私有协议分配设备编号，并进行时间同步处理，包括：
LoRa私有协议为每个LoRa网关和LoRa终端设定设备编号，根据设备编号区分LoRa网关和LoRa终端及其从属关系，并进行LoRa网关和LoRa终端的时间同步处理。
4.如权利要求1所述的一种基于LoRa通信的智能化机电设备数据交互方法，其特征在于，所述判断是否有LoRa私有协议的数据报文，包括：
若无数据报文，则LoRa终端和LoRa网关进行休眠；
若有数据报文，则解析LoRa私有协议的数据报文，判断命令类型，LoRa网关和LoRa终端执行对应的命令操作。
5.如权利要求4所述的一种基于LoRa通信的智能化机电设备数据交互方法，其特征在于，所述利用机电设备数据交互速率自适应算法，对LoRa终端的数据传输速率进行适应性调整，包括：
在LoRa终端接入网络阶段，LoRa网关根据相互交互过程中的多条上行数据和下行数据对接收到的信息进行解析，得到每条通信信息的信噪比和接收信号强度，然后计算其平均值，根据得到的平均信噪比和平均信号接收强度的权重、预先设定的信噪比门限和接受信号强度门限设置LoRa通信子信道的扩频因子和LoRa终端期望的数据传输速率，使LoRa终端以期望的数据传输速率通过扩频因子子信道向LoRa网关上传数据。
6.如权利要求5所述的一种基于LoRa通信的智能化机电设备数据交互方法，其特征在于，所述利用机电设备数据交互速率自适应算法，对LoRa终端的数据传输速率进行适应性调整，还包括：
若LoRa终端根据命令类型判断数据为紧急数据，则直接通过绿色子通道传输；
若LoRa终端根据命令类型判断数据不是紧急数据，则LoRa终端开启丢包统计机制，LoRa网关实时监督扩频因子子信道的负荷。
7.如权利要求6所述的一种基于LoRa通信的智能化机电设备数据交互方法，其特征在于，所述利用机电设备数据交互速率自适应算法，对LoRa终端的数据传输速率进行适应性调整，还包括：
LoRa终端根据丢包率和信道负荷判断扩频因子子信道拥塞情况，根据拥塞情况选择速率正常调节模式或速率紧急调节模式，其中：
若LoRa终端判断丢包数达到设定的丢包阈值，则选择速率紧急调节模式，LoRa终端通过绿色通信子通道进行数据传输；
若LoRa终端判断丢包数未达到设定的丢包阈值，则判断是否发生丢包现象。
8.如权利要求7所述的一种基于LoRa通信的智能化机电设备数据交互方法，其特征在于，所述判断是否发生丢包现象，包括：
若无丢包现象发生，则LoRa终端以期望的数据传输速率向LoRa网关上传数据；
若发生丢包现象，则选择正常速率调节模式。
9.如权利要求8所述的一种基于LoRa通信的智能化机电设备数据交互方法，其特征在于，所述选择正常速率调节模式，包括：
若扩频因子子信道负荷小于或等于终端期望数据速率对应的信道负荷阈值时，选择各扩频因子信道中数据传输速率最大值作为终端期望的数据传输速率；
若扩频因子子信道负荷大于终端期望数据速率对应的信道负荷阈值，则终端期望数据速率自动降低一个速率。
10.一种基于LoRa通信的智能化机电设备数据交互系统，其特征在于，所述基于LoRa通信的智能化机电设备数据交互系统包括LoRa终端、LoRa网关和云服务平台，所述LoRa终端、所述LoRa网关和所述云服务平台依次电性连接，
所述LoRa终端，用于与所述LoRa网关建立连接，执行所述LoRa网关下达的命令，并采集和上传机电设备数据至所述LoRa网关；
所述LoRa网关，用于初始化LoRa通信网络，并与所述LoRa终端建立连接，配置LoRa私有协议参数，收集和保存机电设备数据，上传机电设备数据至所述云服务平台，同时下发所述云服务平台数据至LoRa终端；
所述云服务平台，用于存储所述LoRa网关上传的机电设备数据，并对采集回来的历史数据、实时数据进行分析。
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