CN110753328A - 基于LoRa技术的链式组网传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于LoRa技术的链式组网传输方法，包括：对链式网络中的节点进行LoRa功能初始化；设置各节点初始LoRa模块网络参数；从机配合主机完成节点排序和链式网络的组网优化；组建完成链式网络后，进入正常通信阶段。本发明提出了基于LoRa技术的链式组网方法，充分借助了LoRa的技术优势，能够取得很好的可靠性、稳定性、低功耗等传输特性；结合LoRa技术特点和组网方式的特点，采用了链式网络拓扑结构，设计了适用于应用场景、可以提高传输效率的传输机制，可以满足不同的传输应用需求，可以在实际应用中获得好的传输速率、传输时延等传输性能。

Description

基于LoRa技术的链式组网传输方法

技术领域：

本发明涉及矿山信息技术等领域，尤其涉及一种基于LoRa技术的链式组网传输方法。

背景技术：

当前许多特殊的工业、市政、道路交通等应用场景下，存在许多呈线性分布特征的应用场景，例如煤矿、管廊、隧道、铁路等。当前该类环境中应用的监测控制系统的远距离数据通信，还是以有线传输方式为主，缺少有效方便的无线传输方案。

当前常用的无线数据通信方式有基于2.4GHz的蓝牙、Zigbee、WiFi等，基于蜂窝网的GPRS、eMTC、NB-IoT技术。

现有的LoRa无线通信组网的拓扑结构有点对多点的星形网络拓扑、多跳接的MESH网状拓扑，两种拓扑结构主要适用于地面环境平面区域内无线网络的覆盖。

线性空间的设备分布特征不同于传统的无线覆盖的网状特征结构，尤其在地下空间的场景中，通常还存在环境狭长、空间密闭、障碍设备较多、地形多变、电磁环境复杂等特点，对无线传输的距离、抗干扰、抗多径等性能要求较高。许多应用场景下需要电池供电，对技术的功耗控制也有很高的要求，同时还要兼具某些应用场合下对传输速率和传输时延的要求。现有的无线通信技术和方法，很难同时满足以上诸多要求。

应用场景环境复杂，传统的有线传输方式存在一定的局限性和施工难度。部分应用场景下还存在移动或转动部件或设备，传统的有线方式连接无法适用。

蓝牙、WiFi技术主要应用于小范围的无线数据传输，Zigbee技术主要适用于自组网的无线传输场景。基于蜂窝网技术的GPRS、eMTC、NB-IoT技术需要给运营商缴纳服务费用，且不适用矿井巷道、管廊等其它无信号覆盖的应用场景。

LoRa作为一种近几年发展起来的低功耗广域网(Low-Power Wide-Area Network，LPWAN)技术，具备远距离、低功耗、抗干扰、抗多径、低成本等特点无线通信技术，适用于许多复杂的应用场景。LoRa现有的应用组网方式有星形网络拓扑和MESH网状拓扑，在线性空间场景中应用没有技术优势，不能获得很好的网络传输效果。星形网络拓扑在线性延伸较长时，场景沿线分布的节点与中心网关之间通信性能存在较大的离散性，通信机制很难做到通信距离、通信速率、传输时延、功耗控制等多项参数同时达到较高的标准。MESH网状拓扑的自组网机制增加了处理时间的开销，不能根据线性空间分布特征，很好得进行组网传输机制的优化。因此需要结合LoRa技术的特性设计一种适用于线性空间分布的场景的链式组网传输方法。

发明内容：

当前的无线组网传输方法在线性分布的应用场景下，不能实现高效、可靠的监测数据采集、控制命令下发等功能。需要解决两方面问题，第一是无线组网传输方法需要依托一种适用的网络传输技术，第二是需要针对应用场景的特征和需求，选取一种适用的网络拓扑结构，设计有针对性的传输机制。

线性空间特征的应用场景下，传输节点通常在空间上也呈线性分布，通常设备节点间距统一，节点设备一致性高。该拓扑结构下，链式组网结构简单稳定，可以保证较高的传输效率。

本发明是实现满足线性空间分布应用场景的无线组网传输技术，可以替代传统的有线数据传输方式，用以实现许多系统的数据传输功能。本发明在设计过程中研究对比了不同的无线通信方式，选定了LoRa技术作为传输基础，以提高组网传输方法的抗干扰能力、传输距离、功耗控制等方面的综合性能，深入探究了组网方法，结合应用需求和网络结构设计了通信传输机制，实现了组网通信传输机制与应用场景、网络拓扑结构的高度适配。

本发明提供一种基于LoRa技术的链式组网传输方法，包括如下步骤：

一、首先对链式网络中的节点进行LoRa功能初始化；

二、之后设置各节点初始LoRa模块网络参数；

三、然后从机配合主机完成节点排序和链式网络的组网优化；

四、组建完成链式网络后，进入正常通信阶段，本阶段主要包含以下3大块工作：

(1)通过设计的传输机制进行正常的数据信息交互；

(2)需要检测网络状态异常，按照处理机制修改网络通信参数或网络结构进行异常处理；

(3)还要对网络通信参数修改的请求进行处理。

其中，所述基于LoRa技术的链式组网传输方法的链式组网传输的网络节点由主节点和子节点组成，主节点设计在传输网络的一端，子节点依次排布向另外一端延伸，直至到达末端子节点，传输网络的主节点和子节点相互配合通过无线跳接实现数据的组网传输，同时每个网络节点具备组网状态识别和组网管理调整的功能。

根据不同的数据传输要求，我们设计了三种符合链式网络结构的传输机制，主从巡检方式、主从轮询方式、事件触发方式。

所述主从巡检方式，要求主节点发送巡检帧，子节点从末端返回应答帧，每个子节点在传递应答帧数据的同时，按照协议添加上本节点的数据内容；

所述主从轮询方式，要求主节点向指定子节点发送巡检帧，该子节点接收到巡检帧后回复应答帧，传输路径上的子节点起到数据中转的作用，应答帧最终传递给主节点；

所述事件触发方式，要求正常状态下，间隔一定时间进行命令帧的心跳巡检，各节点需要上报数据前检测当前节点的信道，当前节点的信道空闲则直接发起数据传输。

本发明的链式网络中的节点在网络内具有独立的ID信息，链式网络的节点设备按照线性空间顺序分布，链式网络的节点ID号码顺序从主节点向后依次递增加一。链式网络内的节点ID可以通过预设的方式进行指定，也可以在组网建立之前，通过主节点控制启动网络内子节点的路径自动规划，节点可根据测定到的相互间的接收信号强度进行排序和ID分配。

具体地，节点接收到相邻前向节点的信息帧后，向相邻后向节点发信息帧，前向节点侦听该信息帧作为当前节点的应答，来判定两节点间的数据是否成功。相邻两个节点间信息帧跳接传输，信息流可以沿特定方向传递；传输节点在检测到信息帧向下一级跳接传输异常即应答超时后，会尝试重发，连续重发不成功，则尝试进行网络修复，如增加发射功率、跨节点跳接等方法。重发不成功则标识故障，如果是主机下行信息帧传输异常，则直接启动应答帧的回复。

本发明具有以下积极的效果：

本发明提出了基于LoRa技术的链式组网方法，其效果是充分借助了LoRa的技术优势，能够取得很好的可靠性、稳定性、低功耗等传输特性，LoRa的链式网络结构简单，稳定可靠；结合LoRa技术特点和组网方式的特点，设计了适用于应用场景、可以提高传输效率的传输机制，其效果是所设计的几种传输机制可以满足不同的传输应用需求，可以在实际应用中获得好的传输速率、传输时延等传输性能；如巡检应答式的无线传输机制限定了规则的通信时序，通过时分将信道进行了充分有序利用，相较传统MESH网络的数据传输方法，不需要进行复杂的空口冲突检测，适合对监测控制节点的访问；报文合并的方法，可以从整体上提高巡检信息传输效率，减少分帧导致的前导码和数据帧头的时间开销。

附图说明：

图1为本发明的基于LoRa技术的链式组网方法的分析图；

图2为本发明的链式组网的网络节点的空间分布图；

图3为本发明的基于LoRa技术的链式组网传输方法的处理流程图；

图4为本发明的组网传输机制的帧信息格式流程图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易被本领域人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

本发明的组网传输的方法的设计实现可划分为两块，链式网络拓扑结构的实现和数据传输机制的设计。

线性空间特征的应用场景下，传输节点通常在空间上也呈线性分布，通常设备节点间距统一，节点设备一致性高。该拓扑结构下，链式组网结构简单稳定，可以保证较高的传输效率。

如图1所示，本发明提供一种基于LoRa技术的链式组网传输方法，依托LoRa技术，根据应用需求形成链式跳接组网，遵循设计的传输机制进行数据传输，包括如下步骤：

一、首先对链式网络中的节点的LoRa功能初始化；

二、对LoRa模块网络参数的初始化；

三、然后开始从机配合主机完成排序和链式组网；

四、组件完成链式网络，按照传输机制进行数据交互：通过设计的传输机制进行正常的数据信息交互；需要检测网络状态异常，按照处理机制修改网络通信参数或网络结构进行异常处理；还要对网络通信参数修改的请求进行处理。

链式组网传输的网络由主节点和子节点组成，主节点通常设计在传输网络的一端，子节点依次排布向另外一端延伸，直至到达末端子节点，如图2所示。传输网络的主节点和子节点需要相互配合实现组网数据传输，同时每个网络节点具备组网状态识别和组网管理调整的功能。

按照要求，设计的链式网络需要具备以下的组网传输功能：

(1)实现对规划网络内所有节点的间接通信覆盖，获取各节点的数据，借助合适的数据通信传输机制。

(2)链式网络中的节点具有独立的ID信息，链式组网节点按照线性空间顺序分布，网络节点ID号码顺序从主节点向后依次递增加1，网络具备自动排序或手动排序的路径规划能力。

(3)节点接收到相邻前向节点的信息后，向相邻后向节点发信息，相邻两个节点间通过数据跳接传输，数据流可以从一端开始方向性传递。

(4)节点发送信息帧后，前向节点侦听该信息作为当前节点的应答，来判定两节点间的数据是否成功。

(5)传输节点在检测到信息向后向节点跳接传输失败后，启动节点相应的异常处理机制。

按照要求，设计的链式组网需要具备以下的节点管理功能：

(1)主节点可以控制完成对整个网络的ID排序。主机通过发送排序控制命令开启排序操作，排序控制命令从主机节点向后级传输，节点间通过对比信号接收强度来判定节点间的距离关系，通过距离关系完成相邻节点的排序。

(2)可以控制配置和修改整个网络的通信参数配置，修改网络内的各项传输参数，以适应不同的网络环境和传输需要。可以通过发送控制命令，调整网络的传输参数，调整命令的发送类似巡检机制，子节点接收到控制命令后，先将控制命令转发出去，接收到下一节点的转发数据后再更改本节点的网络参数。节点发送控制命令时，均采取连续两次发送的方法，以提高传输可靠性。若某一节点出现网络参数调整失败，尝试重复多次发送，多次尝试失败后触发延时保护机制，各网络节点将自发回退到原来的网络配置。

(3)主节点对整个网络内的节点分布情况和节点间跳接传输的信号质量进行查询汇总。统计整个网络内的节点情况，记录下每个节点对前后节点无线信号传输的质量。

根据不同的传输要求，链式网络基础上设计的传输机制具备以下三种形式：

(1)主从巡检方式的传输机制，要求主节点发送针对全部子节点的巡检帧，子节点从末端回传应答帧，每个子节点在向下一节点传递应答帧时，需要先按照协议添在应答帧中添加本节点的数据内容。应答帧最终传递给主节点。

(2)主从轮询方式的传输机制，主节点向指定节点发送巡检帧，对应子节点接收到巡检帧后回复应答帧，传输路径上的子节点起到数据中转的作用，应答帧最终传递给主节点。具体的传输机制与主从巡检方式类似，只是巡检命令每次只对指定节点有效，向主节点传递的数据只包含该指定节点的信息内容。

(3)事件触发的传输机制，要求正常状态下，间隔一定时间适用巡检帧进行心跳查询网络节点的在线情况。各节点在需要上报数据信息时，首先进行冲突检测，检测到传输通道未被占用后，可以直接发送数据。通道被占用后，需要等待空闲时候后，再尝试重发。

根据上述功能要求，LoRa链式网络可手动配置节点ID进行传输路径规划，也可根据接收信号强度确定相邻关系，进行传输路径规划，组成链式网络。LoRa链式网络内，通过指定的路由转发规则，实现网络中数据的顺序流通和前向应答。根据组网的功能要求，每个节点需要执行组网传输相关的数据传输和网络管理业务。节点首先完成LoRa功能的初始化，配置LoRa模块的初始化参数；然后从机配合主机完成网络组建；网络组建完成后，进行网络状态检查和优化，确认网络建立是否正常；网络需要不断执行组网管理机制，及时对网络传输调整的请求进行响应；根据业务需求选择执行不同的信息交互业务，信息交互时要不断收集分析传输状态，并对异常状态进行网络恢复处理。流程详见图3所示。

为保证更高的传输效率，对通信协议的信息内容进行删减压缩，并减少报文条目，每个中继节在转发报文时，需要根据协议在应答帧数据区域加载本节点信息。具体的帧格式如图4所示。

下面结合具体实施对本发明的组网传输方法进一步介绍和说明，但不局限于此。

系统在矿井巷道沿线的设备正常上电启动后，对LoRa传输模组的软硬件接口进行初始化，然后配置模块的相关参数，设置模块工作在低速监测模式。

主机设备向子节点发送排序命令，排序命令中包含有发送节点的MAC地址，子节点接收并分析排序命令来源的MAC地址和接收信号强度，然后顺序向后续节点转发排序消息。

各节点将相互间通信时的接收信号强度上传到主机，主机根据接收信号强度的列表进行节点排序和ID分配。

主机LoRa节点发起网络访问，查询网络内节点数量和信号情况，判断网络内节点在线的数量和质量，如果网络连接不良则通过约定的协议进行网络优化，再次监测节点数量和信号质量，达到最优传输效果。

主节点对网络内的子节点具备管理功能，可控制网络切换到高速应急通信状态，该模式一旦触发，主机按照应急通信的要求控制修改网络内节点的参数配置，进行组网重构。

网络处于正常通信状态时，可以控制网络使用某种传输机制，完成需要的数据传输业务。根据不同的数据传输要求，我们设计了三种符合链式网络结构的传输机制，主从巡检方式、主从轮询方式、事件触发方式。

主从巡检方式的传输机制下，由主机LoRa节点开始发起无线巡检命令，沿线LoRa子节点依次接收到巡检命令并向终端传递，网络终端接收到巡检命令后发起应答，沿线LoRa节点依次传递应答，并在报文中加载自己的上报信息。

LoRa节点间的信息传递，也具备异常监测和处理机制。LoRa节点会按照自己所处网络拓扑位置进行异常侦测，下级节点发送的续传数据也是对本节点的应答，本节点应答数据接收超时后，触发数据重传，多次重传失败后，判定下一节点掉线，并尝试连接更下一级的节点，进行网络修复。

若无线网络出现丢包等传输异常，网络修复失败后，当前LoRa节点转换为终端节点。主机LoRa节点接收到异常后启动检查流程，尝试对网络进行诊断和重构。

主机上报异常，同时维持对当前可用节点的管理。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，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 (6)

1.一种基于LoRa技术的链式组网传输方法，其特征在于，依托LoRa技术，根据应用需求形成链式跳接组网，遵循设计的传输机制进行数据传输，包括如下步骤：

一、首先对链式网络中的节点进行LoRa功能初始化；

二、之后设置各节点初始LoRa模块网络参数；

三、然后从机配合主机完成节点排序和链式网络的组网优化；

四、组建完成链式网络后，进入正常通信阶段，本阶段主要包含以下3大块工作：

(1)通过设计的传输机制进行正常的数据信息交互；

(2)需要检测网络状态异常，按照处理机制修改网络通信参数或网络结构进行异常处理；

(3)还要对网络通信参数修改的请求进行处理。

2.根据权利要求1所述的基于LoRa技术的链式组网传输方法，其特征在于，所述基于LoRa技术的链式组网传输方法的链式组网传输的网络节点由主节点和子节点组成，主节点设计在传输网络的一端，子节点依次排布向另外一端延伸，直至到达末端子节点，传输网络的主节点和子节点通过跳接配合实现组网数据传输，同时每个网络节点具备组网状态识别和组网管理调整的功能。

3.根据权利要求2所述的基于LoRa技术的链式组网传输方法，其特征在于，所述链式组网传输的传输机制采用主从巡检方式或主从轮询方式或事件触发方式；

所述主从巡检方式，要求主节点发送巡检帧，子节点从末端返回应答帧，每个子节点在传递应答帧数据的同时，按照协议添加上本节点的数据内容；

所述主从轮询方式，要求主节点向指定子节点发送巡检帧，该子节点接收到巡检帧后回复应答帧，传输路径上的子节点起到数据中转的作用，应答帧最终传递给主节点；

所述事件触发方式，要求正常状态下，间隔一定时间进行命令帧的心跳巡检，各节点需要上报数据时，直接发起数据传输。

4.根据权利要求1或2所述的基于LoRa技术的链式组网传输方法，其特征在于，所述链式网络中的节点在网络内具有独立的ID信息，链式网络的节点设备按照线性空间顺序分布，链式网络的节点ID号码顺序从主节点向后依次递增加一，链式网络内的节点ID可以通过预设的方式进行指定，也可以在组网建立之前，通过主节点控制启动网络内子节点的路径自动规划，节点可根据测定到的相互间的接收信号强度进行排序和ID分配。

5.根据权利要求4所述的基于LoRa技术的链式组网传输方法，其特征在于，节点接收到数据后，向下一节点发包，相邻两个节点间数据跳接传输，数据流从一端开始方向性传递，前向节点侦听该数据包作为当前节点的应答，来判定两节点间的数据是否成功。

6.根据权利要求5所述的基于LoRa技术的链式组网传输方法，其特征在于，传输节点在检测到信息向下一级跳接传输异常即应答超时后，会尝试重发，连续重发不成功，则尝试进行网络修复，重发不成功则标识故障，如果是主机下行命令传输异常，则直接启动应答数据回复。

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