CN111510471A - 一种居民用电抄表网络的lora自组网方法 - Google Patents
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Abstract
本提供了一种居民用电抄表网络的LORA自组网方法,基于MESH组网原理,采用居民电表本身自带的LORA模块形成中继节点,形成一种新型的MESH多络,即提高了覆盖范围,又降低了成本,且不会出现普通MESH网络丢失数据包的情况,可靠性高;通过扇区、子扇区、子区域的划分,配合临界点的确认,进行临界区域内的中继节点确认,形成复杂的通信网络,可形成16级中继中转,达到LORA基站可覆盖的最大区域。
Description
技术领域
本发明属于通信技术领域,进一步涉及到一种居民用电抄表网络的LORA自组网方法。
背景技术
随着科技的发展和进步,电力行业从最早人工抄表发展到现在智能抄表,智能抄表的通讯手段包括有线通讯和无线通讯:有线通讯包括PLC(电力线载波)和RS485线,有线通讯信号传输稳定,通讯质量高,但不易于安装,需要布线;无线通讯包括RF,Zigbee,易于安装,不需要布线,但是通讯信号易受环境的影响,通讯距离不远。以上这些通信及组网方式已经满足不了现在的通讯需求,所以近些年出现了LoRa无线通讯技术,主要应用于物联网行业,也包括电力行业。其特点是一种低功耗、远距离的局域网无线标准。组网主要有两种形式:点对点,通过网关和各个通讯节点组成星形网络,或Mesh网络,通过网关与网关Mesh形成网络。但是这两种方式还是无法满足电力行业中的场景,点对点的方式覆盖的范围有限,Mesh的方式用网关作为中继,成本太高。
用新型内容
本发明主要目的在于解决上述问题,提供一种居民用电抄表网络的LORA自组网方法,采用居民电表本身自带的LORA模块形成中继节点,提高覆盖范围的同时,降低成本。
为实现上述目的,本发明提供的一种居民用电抄表网络的LORA自组网方法,其技术方案是:
一种居民用电抄表网络的LORA自组网方法,包括如下步骤:
S1,LORA基站选址:根据LORA基站需采集的居民电表分布情况,选中心点作为LORA基站的选址;
S2,以LORA基站为中心,将信号范围内的区域平均进行区域划分;
S3,根据LORA基站与居民电表之间的距离,由近及远对居民电表逐一进行扫描和注册;
S4,达到LORA基站的最大传输距离时,在每个划分出的区域内的信号临界点处,寻找信号好、位置佳的居民电表作为中继节点,然后通过中继节点继续扫描和注册下一级更远的居民电表;
S5,以步骤S4中确定的各中继节点作为一级中继来继续扫描后面区域的居民电表直至再次达到临界点,再寻找一级中继节点,以此类推,达到LORA基站可覆盖的最大区域,形成多级中继的居民用电抄表网络。
进一步的,步骤S2中进行子区域划分时,以LORA基站为中心,旋转一周,并平均划分出N个扇区,确定中继节点时,确保每个扇区内均有一个中继节点。
进一步的,在每个扇区内,每隔m米,划分为一个子区域,在子区域n后的连续两个子区域中都无居民电表响应,则子区域n及其后的子区域n+1的区域交界处当作临界点。
进一步的,在子区域n内寻找中继节点时,计算各居民电表的最终比较系数L并对计算结果进行比较,最大者作为本扇区内的中继节点,作为下一级路由的中转,其中,
L=H*+V*a2+S*a3,
L:居民电表的比较系数;
a1,a2,a3,占比系数,a1+a2+a3=1;
H,居民电表的水平位置值;
V,居民电表的垂直位置值;
S:居民电表LORA模块的信号强度。
进一步的,H=s/(n*m),
V=h/(π*(n*m)2*N),
S=P/p,其中,
S,子区域n内居民电表距离LORA基站的距离;
h,子区域n内居民电表距离扇区下底边的距离;
P,子区域n内居民电表的LORA模块的信号强度;
p,信号轻度基准值。
进一步的,当某一扇区内可拟作为中继节点的居民电表的L值均低于设定值时,可加入专有的中继设备作为中继节点作为中转扫描周围的居民电表。
进一步的,步骤S3中,以基站为中心,用同心圆的方式由的及远的对居民电表逐一进行扫描和注册。
进一步的,步骤S3、S4、S5中,扫描到电表后,LORA基站会发送注册请求帧给居民电表,如居民电表应答,标记居民电表的状态为“注册成功”,记录路由信息;如居民电表未应答,则会马上重发,多次重发后,仍无应答,则标记居民电表的状态为“注册失败”,继续扫描其他电表,至扫描完所有电表。
进一步的,扫描完所有电表后,重新进行下一轮扫描,扫描“注册失败”的居民电表和新增的居民电表。
进一步的,步骤S3、S4、S5中,扫描电表时,第一次,如居民电表未应答LORA发出的注册请求帧,则以原路由再扫描一次,居民电表如仍无应答,进行第三轮扫描时,依次找离其周围多个方位信号最好,离其最近的居民电表伏笔中转扫描,成功注册,扫描结束,如多个方位均扫描不到则标记为真正注册不上此居民电表,上报给主站,进行其他手段处理。
综上所述,本发明提供的一种居民用电抄表网络的LORA自组网方法,与现有技术相比,采用居民电表本身自带的LORA模块作为中继节点,形成一种新型的MESH多络,即提高了覆盖范围,又降低了成本,且不会出现普通MESH网络丢失数据包的情况,可靠性高;通过扇区、子扇区、子区域的划分,配合临界点的确认,进行临界区域内的中继节点确认,形成复杂的通信网络,可形成16级中继中转,达到LORA基站可覆盖的最大区域。
附图说明:
图1:本发明的居民电表分布区域扇形划分示意图;
图2:本发明的扇区、子扇区、子区域划分示意图;
图3:本发明的居民电表注册示意图;
图4:本发明的临界点判断示意图;
图5:本发明的以居民电表为中继节点的中继示意图;
图6:本发明的以专用中继设备做为中继节点的中继示意图;
图7:本发明的注册失败居民电表的多点重复扫描示意图。
具体实施方式
下面附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。
本发明提供的一种居用电抄表网各的LORA自组网方法,主要用于居民区内居民电表的组网抄表,如图1至7所示,在进行自组网时,包括如下步骤:
S1,Lora基站选址:
在安装居民电表时,会记录其GPS经度和纬度的信息,可在地图中可以标记和计算出居民电表的分布情况,作为Lora基站的选址的基础信息。
根据Lora基站需要采集的居民电表分布情况,尽量选择中心点作为Lora基站的安装位置。利于Lora基站信号在360度范围内全方位、更加均匀地覆盖此区域内的居民电表。
S2,区域划分:
以Lora基站为中心点,以逆时针的方向旋转一周(即360度),并在圆周范围内平均划分出N个扇形区域,在本发明中,如图1所示,程序默认每45°划分一个扇区,在实际应用中,可根据角度进行扇区的划分:
扇区数量N=360°÷扇区角度。
默认一个扇区为45°,那么扇区的数量是就是8个。
如图2所示,再将每个扇区按角度再平均划分为分为多个子扇区。每个子扇区中,再以底边的水平方向延伸,每隔m米划分一个子区域,这样又把每个扇区分为若干区域。扇区度数和子扇区中子区域的大小是初始化参数,大小是可以根据现场的实际情况设置,在本发明提供的实施例中,每个子扇区沿底边延伸,每隔100米划分为一个子区域。
完成步骤S2的区域划分后,可进行各居民电表的MESH组网操作,进行如下步骤操作:
S3,居民电表的扫描和注册:
如图3所示,根据LoRa基站与居民电表之间的距离,以LoRa基站为中心,用同心圆的方式,由近及远的一个接一个的扫描居民电表,居民电表包括未注册、注册成功、注册失败三种状态,所有居民电表的初始化状态为“未注册”,LORA基站进行初次扫扫描时,面对的是全部“未注册”状态的电表,LoRa基站会发送注册请求帧给居民电表,如果居民电表应答,则标记居民电表的状态为“注册成功”,记录路由信息,如果居民电表没有应答,则会马上重发,重发多次,如三次,若仍未应答,则标记居民电表的状态为“注册失败”。继续扫描其他的居民电表,直到扫描完所有的居民电表,会重新回来进行下一轮扫描,重点扫描“注册失败”居民电表和新增的居民电表。基站会定期进行扫描,以确定信号范围内的新增居民电表能及时被注册,进行后期的抄表。
S4,Mesh组网算法:
LoRa基站点对点信号传输距离是有极值的。到达最大传输距离时,寻找信号好,位置佳的居民电表作为中继节点,然后通过中继节点继续扫描和注册下一级更远的居民电表。
扫描和注册时,当子区域n后连续两个区域无任何电表响应,则子区域n与子区域n+1之间的界线为临界点,在临界线或是子区域n内寻找合适的电表作为中继节点,进行信号中转,通过中继节点继续扫描和注册一下级更远的居民电表。以一个扇区为例,介绍如何进行临界点的确认,如图4所示,LoRa基站点对点由近及远扫描居民电表,在子区域3后的连续的两个子区域中都无居民电表响应。如子区域4,5都没有任何电表响应,则把子区域3和子区域4两个区域的交界处当作“临界点”。然后在子区域3中的三个子扇区中寻找中继节点,作为下一级路由的中转。如果临界点上也有居民电表,且此居民电表可响应注册信号,则此电表也参与中继节点的确认操作,
S5,以步骤S4中确定的各中继节点作为一级中继来继续扫描后面区域的居民电表直至再次达到临界点,再寻找一级中继节点,以此类推,达到LORA基站可覆盖的最大区域,形成多级中继的居民用电抄表网络,在本发明中,可一直寻找到16级中继节点后,结束扫描和注册更远的居民电表,达到LORA基站可覆盖的最大区域。
在子区域n内选择可作为中继节点的电表时,可通过居民电表的水平位置值H和垂直位置值V以及居民电表自带的LORA模块的信号值S,三者分别乘以各自所占比例,然后相加的值为最终的比较系数L,比较各待选居民电表的最终比较系数L,L值最大的居民电表作为中继节点,作为一级路由的中转。比较系数L值的计算采用如下公式:
比较系数L=H*a1+V*a2+S*a3,
其中:a1,a2,a3为各数值对应的占比系数,a1+a2+a3=1,在本实施例中,三个条件的占比分别是20%,20%和60%,即在本实施例中,a1=a2=20%,a3=60%。
水平位置值H=s/(n*m),
s:居民电表距离LoRa基站的距离;
n*m:子区域n距离LoRa基站的距离;
在本实施例中,H=s/(n*100)。
垂直位置值V=h/(π*(n*100)2*N),
h,居民电表距离扇区下底边的距离;
π*(n*100)2*N:子区域n边界所在扇区底边到顶边的距离(即扇区中子区域n的周长)。
居民电表的LoRa模块信号值S=P/p,
P:居民电表的LoRa模块的信号强度;
p,信号轻度基准值,在本实施例中,p为150。
如图4,在子区域3中寻找中继节点,即把子区域3中每个居民电表根据上边的公式计算的比较系数L,再将各居民电表的计算结果进行比较,最大者则作为中继节点。作为下一级路由的中转。
通过前述计算公式,找出子区域3中如图5所示的中继节点,然后通过此节点来作为一级中继来继续扫描后面区域的剧名电表,直到再次到达临界点。再寻找下一级中继节点。以此类推,一直寻找到16级中继节点,结束扫描和注册更远的中继和居民电表。即到达LoRa基站可覆盖的最大区域。
在实际应用中,也可采用专用中继设备进行信号中转,专用中继设备发射功率比普通的居民电表的LoRa模块更高,传输距离更远,即覆盖的区域更大,但成本较高,不推荐全部采用,只有当某个扇区的信号实在不好,均低于可采用的预定值时,可以加入专用的中继设备作为中继节点作为中转扫描周围的居民电表。形成如图6所示的组网,此扇区的子区域3中一旦加入了专用中继设备,首先LoRa基站或中继节点会与中继设备建立路由,然后立即会以中继设备作为此级别的中继节点扫描周围的居民电表,建立路由,直到专用中继设备信号无法到达的后续子区域,又会继续按照上面的方法寻找临界点和下一级的中继节点。另外,专用中继设备也可能跨扇区扫描别的扇区中的居民电表,并建立路由。
在进行居民电表的扫描和注册时,多次(三次)扫描均未应答注册请求帧的居民电表,可确认为“注册失败”,在实际应用中,LoRa基站会点对点或通过中继节点扫描其能覆盖区域的所有居民电表,此为第一轮扫描,第一轮扫描结束,可能会有注册失败的居民电表,再对注册失败的居民电表进行第二轮扫描,第二轮扫描时,会以原来的路由再扫描一次,如果还失败,进行第三轮扫描,第三轮扫描时,就会依次找离其周围多个方位上信号最好,离其最近的居民电表做中转来扫描,如图7,第三轮扫描中,以前两轮扫描失败的居民电表的周围8个方位上,各选择一个电表做中转进行扫描,扫描后注册成功,结束扫描,如果直到8个方位都扫描不到,则标记为真正注册不上的此居民电表,上报给主站,进行其他手段的处理,如换设备,换LoRa模块或增强其周围的信号强度等。
在LORA基站与各居民电表之间,采用常规的或将来可能出现的任意通信协议实现联网,每个居民电表均自带LORA模块,接收基站发出的信息,理论上,每块居民电表均可做为中继,基站的控制系统可预存各居民电表的基础信息,进行比较系数L的实时计算,确定可做为中继节点的居民电表并定向发出中继信息,该居电电表接收中继信息后,做为中转,转发扫描/注册信息,其他居民电表仅接收扫描/注册信息。某一做为中继节点的居民电表损坏或出现其他问题时,向基站上报相关信息,并由基站重新选择新的中断节点。各居民电表在接收基站或前一中继节点发出的扫描/注册信息后,根据通信协议,无法接收其他中继节点发出的扫描/注册信息,避免数据重复。
综上所述,本发明提供的一种居民用电抄表网络的LORA自组网方法,与现有技术相比,采用居民电表本身自带的LORA模块作为中继节点,形成一种新型的MESH多络,即提高了覆盖范围,又降低了成本,且不会出现普通MESH网络丢失数据包的情况,可靠性高;通过扇区、子扇区、子区域的划分,配合临界点的确认,进行临界区域内的中继节点确认,形成复杂的通信网络,可形成16级中继中转,达到LORA基站可覆盖的最大区域。
如上所述,结合所给出的方案内容,可以衍生出类似的技术方案。但凡是未脱离本发明技术方案的内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰,均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种居民用电抄表网络的LORA自组网方法,其特征在于:包括如下步骤,
S1,LORA基站选址:根据LORA基站需采集的居民电表分布情况,选中心点作为LORA基站的选址;
S2,以LORA基站为中心,将信号范围内的区域平均进行区域划分;
S3,根据LORA基站与居民电表之间的距离,由近及远对居民电表逐一进行扫描和注册;
S4,达到LORA基站的最大传输距离时,在每个划分出的区域内的信号临界点处,寻找信号好、位置佳的居民电表作为中继节点,然后通过中继节点继续扫描和注册下一级更远的居民电表;
S5,以步骤S4中确定的各中继节点作为一级中继来继续扫描后面区域的居民电表直至再次达到临界点,再寻找一级中继节点,以此类推,达到LORA基站可覆盖的最大区域,形成多级中继的居民用电抄表网络。
2.如权利要求1所述的一种居民用电抄表网络的LORA自组网方法,其特征在于:步骤S2中进行子区域划分时,以LORA基站为中心,旋转一周,并平均划分出N个扇区,确定中继节点时,确保每个扇区内均有一个中继节点。
3.如权利要求2所述的一种居民用电抄表网络的LORA自组网方法,其特征在于:在每个扇区内,每隔m米,划分为一个子区域,在子区域i后的连续两个子区域中都无居民电表响应,则子区域n及其后的子区域n+1的区域交界处当作临界点。
4.如权利要求3所述的一种居民用电抄表网络的LORA自组网方法,其特征在于:在子区域n内寻找中继节点时,计算各居民电表的最终比较系数L并对计算结果进行比较,最大者作为本扇区内的中继节点,作为下一级路由的中转,其中,
L=H*+V*a2+S*a3,
L:居民电表的比较系数;
a1,a2,a3,占比系数,a1+a2+a3=1;
H,居民电表的水平位置值;
V,居民电表的垂直位置值;
S:居民电表LORA模块的信号强度。
5.如权利要求4所述的一种居民用电抄表网络的LORA自组网方法,其特征在于:H=s/(n*m),
V=h/(π*(n*m)2*N),
S=P/p,其中,
S,子区域n内居民电表距离LORA基站的距离;
h,子区域n内居民电表距离扇区下底边的距离;
P,子区域n内居民电表的LORA模块的信号强度;
p,信号轻度基准值。
6.如权利要求4所述的一种居民用电抄表网络的LORA自组网方法,其特征在于:当某一扇区内可拟作为中继节点的居民电表的L值均低于设定值时,可加入专有的中继设备作为中继节点作为中转扫描周围的居民电表。
7.如权利要求1所述的一种居民用电抄表网络的LORA自组网方法,其特征在于:步骤S3中,以基站为中心,用同心圆的方式由的及远的对居民电表逐一进行扫描和注册。
8.如权利要求1所述的一种居民用电抄表网络的LORA自组网方法,其特征在于:步骤S3、S4、S5中,扫描到电表后,LORA基站会发送注册请求帧给居民电表,如居民电表应答,标记居民电表的状态为“注册成功”,记录路由信息;如居民电表未应答,则会马上重发,多次重发后,仍无应答,则标记居民电表的状态为“注册失败”,继续扫描其他电表,至扫描完所有电表。
9.如权利要求8所述的一种居民用电抄表网络的LORA自组网方法,其特征在于:扫描完所有电表后,重新进行下一轮扫描,扫描“注册失败”的居民电表和新增的居民电表。
10.如权利要求1所述的一种居民用电抄表网络的LORA自组网方法,其特征在于:步骤S3、S4、S5中,扫描电表时,第一次,如居民电表未应答LORA发出的注册请求帧,则以原路由再扫描一次,居民电表如仍无应答,进行第三轮扫描时,依次找离其周围多个方位信号最好,离其最近的居民电表伏笔中转扫描,成功注册,扫描结束,如多个方位均扫描不到则标记为真正注册不上此居民电表,上报给主站,进行其他手段处理。
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