CN111669782B - 一种基于LoRa的网络防阻塞方法及装置 - Google Patents

一种基于LoRa的网络防阻塞方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明实施例提出了一种基于LoRa的网络防阻塞方法及装置，应用于包括LoRa网关和子节点的系统中，各所述子节点向所述LoRa网关发送的数据包括命令包与数据包；所述命令包包括跳频包；该方法包括：判断LoRa网关是否接收到来自子节点的跳频包；所述跳频包中包括所述子节点请求的信道与传输速率；若判断结果为是，则通过所述LoRa网关向所述子节点返回确认指令，并基于所述跳频包设置所述LoRa网关；基于设置后的所述信道与所述传输速率进行所述LoRa网关与所述子节点间的数据包传输。本方案使用跳频技术实现防阻塞功能的无线传输系统。用于解决无线传输系统在户外等恶劣环境时出现的数据包阻塞的缺陷。

Description

一种基于LoRa的网络防阻塞方法及装置
技术领域
本发明涉及无线传输技术领域，特别涉及一种基于LoRa的网络防阻塞方法及装置。
背景技术
在室内或者室外的物联网组网应用中，经常会用到多节点，高频率的数据采集和传输，在实际的应用中，经常会遇到高温高湿黑暗空间狭小等恶劣环境，需要二十四小时不间断的数据采集。
而目前常见的组网结构有星形组网，环形组网，树形组网，网状组网，总线型组网等；至于无线通讯方案，常见的有：使用GRPS/GSM的2G通信模块；使用2.4G作为无线传输频段的模块如NRF24L01，使用蓝牙协议传输的模块如NRF52832，使用ZigBee协议传输的模块如CC2530等。但当组网结构过于复杂或者通信数据较为饱或者节点过多时，无线组网中会出现传输不稳定，传输距离近，数据包延迟或者丢失等现象；特别是子节点频繁采集数据并上报网关，不可避免的会产生信道繁忙和通道阻塞。
由此，目前需要有一种方法可以解决通道堵塞的问题。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提出了一种基于LoRa的网络防阻塞方法及装置，本方案使用跳频技术实现防阻塞功能的无线传输系统。用于解决无线传输系统在户外等恶劣环境时出现的数据包阻塞的缺陷。
具体的，本发明提出了以下具体的实施例：
本发明实施例提出了一种基于LoRa的网络防阻塞方法，应用于包括LoRa网关和子节点的系统中，各所述子节点向所述LoRa网关发送的数据包括命令包与数据包；所述命令包包括跳频包；该方法包括：
判断LoRa网关是否接收到来自子节点的跳频包；所述跳频包中包括所述子节点请求的信道与传输速率；
若判断结果为是，则通过所述LoRa网关向所述子节点返回确认指令，并基于所述跳频包设置所述LoRa网关；
基于设置后的所述信道与所述传输速率进行所述LoRa网关与所述子节点间的数据包传输。
在一个具体的实施例中，在判断LoRa网关是否接收到来自子节点的跳频包，之前该方法还包括：
对所述LoRa网关与各所述子节点进行上电初始化；
针对所述LoRa网关与各所述子节点，设置相同的信道与相同的传输速率；
设置所述LoRa网关的地址为预设地址，以使所述LoRa网关进入监听模式。
在一个具体的实施例中，所述命令包还包括心跳包；该方法还包括：
判断所述LoRa网关是否接收到所述子节点的心跳包；
若判断结果为是，基于所述心跳包更新在线列表；其中，所述在线列表中存储有与所述LoRa网关相连的子节点是否在线的状态信息。
在一个具体的实施例中，所述LoRa网关在接收到所述心跳包后，之后还包括：
重置所述子节点的倒计时；
当所述倒计时的时间到达，且所述LoRa网关未收到所述子节点的下一心跳包时，确认所述子节点离线，并向预设的上级服务器发送所述子节点数据丢失的信息。
在一个具体的实施例中，还包括：
在完成数据包的传输之后，所述子节点与所述LoRa网关分别返回预设的信道；并将所述LoRa网关的地址恢复为预设地址，以便所述LoRa网关重新进入监听模式。
在一个具体的实施例中，
所述处理端为MCU,所述电源包括可充电电池。
在一个具体的实施例中，所述系统还包括外部传感器、处理端、电源；其中，所述电源分别连接所述外部传感器、所述处理端、所述子节点；所述外部传感器连接所述处理端、所述处理端连接所述子节点，以将所述外部传感器采集的数据通过所述子节点上报所述LoRa网关。
在一个具体的实施例中，所述子节点采用433Mhz的频段。
在一个具体的实施例中，所述子节点在未获取到待传输数据时处于低功耗模式，所述子节点在获取到待传输数据时从低功耗模式切换为传输数据的工作模式，并在数据传输完成之后恢复为低功耗模式。
本发明实施例还提出了一种装置，应用于包括LoRa网关和子节点的系统中，各所述子节点向所述LoRa网关发送的数据包括命令包与数据包；所述命令包包括跳频包；该装置包括用于执行上述方法的功能模块。
以此，本发明实施例提出了一种基于LoRa的网络防阻塞方法及装置，应用于包括LoRa网关和子节点的系统中，各所述子节点向所述LoRa网关发送的数据包括命令包与数据包；所述命令包包括跳频包；该方法包括：判断LoRa网关是否接收到来自子节点的跳频包；所述跳频包中包括所述子节点请求的信道与传输速率；若判断结果为是，则通过所述LoRa网关向所述子节点返回确认指令，并基于所述跳频包设置所述LoRa网关；基于设置后的所述信道与所述传输速率进行所述LoRa网关与所述子节点间的数据包传输。本方案使用跳频技术实现防阻塞功能的无线传输系统。用于解决无线传输系统在户外等恶劣环境时出现的数据包阻塞的缺陷。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1为本发明实施例提出的一种基于LoRa的网络防阻塞方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提出的一种基于LoRa的网络防阻塞方法的流程示意图；
图3为本发明实施例提出的一种基于LoRa的网络防阻塞方法的流程示意图；
具体实施方式
在下文中，将更全面地描述本公开的各种实施例。本公开可具有各种实施例，并且可在其中做出调整和改变。然而，应理解：不存在将本公开的各种实施例限于在此公开的特定实施例的意图，而是应将本公开理解为涵盖落入本公开的各种实施例的精神和范围内的所有调整、等同物和/或可选方案。
在本公开的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本公开的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本公开的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本公开的各种实施例中被清楚地限定。
实施例1
本发明实施例1公开了一种基于LoRa的网络防阻塞方法，如图1或2所示，应用于包括LoRa网关和子节点的系统(如图3所示)中，各所述子节点向所述LoRa网关发送的数据包括命令包与数据包；所述命令包包括跳频包；该方法包括以下步骤：
步骤101、判断LoRa网关是否接收到来自子节点的跳频包；所述跳频包中包括所述子节点请求的信道与传输速率；
步骤102、若判断结果为是，则通过所述LoRa网关向所述子节点返回确认指令，并基于所述跳频包设置所述LoRa网关；
子节点通过命令包与LoRa网关协商传输data数据包的信道和传输速率。协商一致后，在LoRa网关中开启跳频模式，是操作RegHopPeriod和FreqHoppingPeriod寄存器设为非零值，之后根据频率查询表，将协商一致的跳频信道设置进LoRa网关的跳频管理寄存器中，并将数据发送出去，在设置的跳频周期完成后，会跳转到新频率，此时会产生FhssChangeChannel中断，既改变信道的中断，此时LoRa网关和子节点均已切换到跳频预定义列表的下一个信道，准备开始传输data包。
步骤103、基于设置后的所述信道与所述传输速率进行所述LoRa网关与所述子节点间的数据包传输。
具体的，本发明通过自定义通讯协议实现跳频操作，规避通讯繁忙的信道，保障数据包的正常收发，保障组网的稳定性与可靠性。子节点频繁采集数据并上报LoRa网关，不可避免的会产生信道繁忙和通道阻塞，为避免此种情形；本方案中的协议将数据包分为command包(也即命令包)和data包(也即数据包)，command包分两种：
一种是心跳包，子节点用心跳包向网关报告自己的在线状态；
一种是跳频包，跳频包中包含子节点的地址，跳频的信道和无线速率，跳频包用于子节点和LoRa网关协定data包的传输信道和无线速率。
传输完成后，LoRa网关和子节点重新返回预设频段，预设频段用于传输command包，协定跳频的频段用来传输data包。
进一步的，Command包的协议格式为：起始码(十六位)+command标识码(十六位)+目的地址H位(十六位)+目的地址L位(十六位)+信道(十六位)+数据(若干位)+校验位(十六位)；
data包的协议格式：起始码(十六位)+command标识码(十六位)+目的地址H位(十六位)+目的地址L位(十六位)+信道(十六位)+数据(若干位)+校验位(十六位)+结束码(十六位)。
具体的，如图2所示，，在判断LoRa网关是否接收到来自子节点的跳频包，之前该方法还包括：
对所述LoRa网关与各所述子节点进行上电初始化；
针对所述LoRa网关与各所述子节点，设置相同的信道与相同的传输速率；具体的，系统上电初始化时，网关节点设置默认的监听地址0XFFFF，网关节点和子节点设置相同的信道和传输速率，设置发射功率，设置工作模式，设置串口波特率和校验位。
设置所述LoRa网关的地址为预设地址，以使所述LoRa网关进入监听模式。
具体的，所述命令包还包括心跳包；如图2所示，该方法还包括：
判断所述LoRa网关是否接收到所述子节点的心跳包；
若判断结果为是，基于所述心跳包更新在线列表；其中，所述在线列表中存储有与所述LoRa网关相连的子节点是否在线的状态信息。
在一个网状组网系统中，开机初始化时，所有的节点工作在同一个公共信道上，子节点发送心跳包向网关，更新LoRa网关的在线列表，向LoRa网关汇报子节点的系统状态。
进一步的，所述LoRa网关在接收到所述心跳包后，之后还包括：
重置所述子节点的倒计时；
当所述倒计时的时间到达，且所述LoRa网关未收到所述子节点的下一心跳包时，确认所述子节点离线，并向预设的上级服务器发送所述子节点数据丢失的信息。
具体的，子节点必须在规定的时间范围内向网关发送自己的心跳包，向网关报告自己的节点信息，网关收到子节点的心跳包后更新系统的子节点在线列表，并重置子节点的倒计时Timer，并开始倒计时，如果计数Timer寄存器已清空但是没有收到对应节点的下一个心跳包，则此节点处于离线状态，应向上级服务器汇报此节点数据丢失。
在一个具体的实施例中，还包括：
在完成数据包的传输之后，所述子节点与所述LoRa网关分别返回预设的信道；并将所述LoRa网关的地址恢复为预设地址，以便所述LoRa网关重新进入监听模式。
具体的，LoRa网关和子节点在协商一致的信道中传输完数据后，会分别返回到预定义的信道，LoRa网关会将自己的地址设置为0XFFFF，即LoRa网关处于广播监听模式，开始新一轮的监听。
在一个具体的实施例中，所述处理端为MCU(也即单片机),所述电源包括可充电电池。
在一个具体的实施例中，所述系统还包括外部传感器、处理端、电源；其中，所述电源分别连接所述外部传感器、所述处理端、所述子节点；所述外部传感器连接所述处理端、所述处理端连接所述子节点，以将所述外部传感器采集的数据通过所述子节点上报所述LoRa网关。
具体的，该系统包括MCU，相关外部传感器，外部设备接口，LoRa无线传输模块，和电源模块；其中电源模块给设备供电，MCU采集数据并通过连接的LoRa无线传输模块将数据传输至LoRa网关，LoRa网关上报至远程服务器。使用子节点以及LoRa网关实现远距离低功耗传输，使用433Mhz免申请的频段，以1Mhz频率为步进信道，使用跳频技术共可切换32个信道，可实现3000米的传输距离。电源部分，使用松下18650可充电电芯为系统供电，容量为3400mAh，来实现系统长时间的运行，使用TP4056充电芯片为电池提供最大1A的充电电流，实现系统的快速充电。MCU部分，使用外部传感器采集系统需要的数据，通过spi接口将数据在设定的时间范围内传递给LoRa模块，LoRa模块将采集的数据上报至LoRa网关。而LoRa使用433m的无线传输频率，抗干扰性能强.，无线发射模块在输入信号噪声比(简称信噪比S/N)相同的条件下,无线发射模块调频接收机输出端的信噪比大于调幅接收机输出端的信噪比。无线发射模块频率稳定度极高，具有极高性价比，有完善的抗静电养护，适合长距离低功耗低速率的数据传输。
以此，本方案运行时的工作条件：电源3.3v；温度25度，晶振频率32MHz，带宽(BW)125kHz，扩频因子(SF)＝12，纠错率(EC)＝4/6，误包率(PER)1％,开启CRC校验，输出功率13dBm，数据包长度64bit。前导码长度12个字符，带阻抗匹配。FSK，OOK调制模式与LoRa模式的切换，可以通过SPI接口配置寄存器RegOpMode实现调制模式的切换。
在一个具体的实施例中，所述子节点在未获取到待传输数据时处于低功耗模式，所述子节点在获取到待传输数据时从低功耗模式切换为传输数据的工作模式，并在数据传输完成之后恢复为低功耗模式。具体的，子节点在空闲时处于低功耗模式，当需要传输数据时，部分唤醒，数据传输完成后继续休眠。
实施例2
本发明实施例2还公开了一种装置，应用于包括LoRa网关和子节点的系统中，各所述子节点向所述LoRa网关发送的数据包括命令包与数据包；所述命令包包括跳频包；该装置包括用于执行实施例1中所述方法的功能模块。具体的本实施例2中还公开有其他相关内容，具体相关内容请参见实施例1中的记载。
以此，本发明实施例提出了一种基于LoRa的网络防阻塞方法及装置，应用于包括LoRa网关和子节点的系统中，各所述子节点向所述LoRa网关发送的数据包括命令包与数据包；所述命令包包括跳频包；该方法包括：判断LoRa网关是否接收到来自子节点的跳频包；所述跳频包中包括所述子节点请求的信道与传输速率；若判断结果为是，则通过所述LoRa网关向所述子节点返回确认指令，并基于所述跳频包设置所述LoRa网关；基于设置后的所述信道与所述传输速率进行所述LoRa网关与所述子节点间的数据包传输。本方案使用跳频技术实现防阻塞功能的无线传输系统。用于解决无线传输系统在户外等恶劣环境时出现的数据包阻塞的缺陷。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施场景的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
本领域技术人员可以理解实施场景中的装置中的模块可以按照实施场景描述进行分布于实施场景的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施场景的一个或多个装置中。上述实施场景的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。
上述本发明序号仅仅为了描述，不代表实施场景的优劣。
以上公开的仅为本发明的几个具体实施场景，但是，本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于LoRa的网络防阻塞方法，其特征在于，应用于包括LoRa网关和子节点的系统中，各所述子节点向所述LoRa网关发送的数据包括命令包与数据包；所述命令包包括跳频包；该方法包括：
判断LoRa网关是否接收到来自子节点的跳频包；所述跳频包中包括所述子节点请求的信道与传输速率；
若判断结果为是，则通过所述LoRa网关向所述子节点返回确认指令，并基于所述跳频包设置所述LoRa网关；
基于设置后的所述信道与所述传输速率进行所述LoRa网关与所述子节点间的数据包传输；
在判断LoRa网关是否接收到来自子节点的跳频包，之前该方法还包括：
对所述LoRa网关与各所述子节点进行上电初始化；
针对所述LoRa网关与各所述子节点，设置相同的信道与相同的传输速率；
设置所述LoRa网关的地址为预设地址，以使所述LoRa网关进入监听模式；
所述命令包还包括心跳包；该方法还包括：
判断所述LoRa网关是否接收到所述子节点的心跳包；
若判断结果为是，基于所述心跳包更新在线列表；其中，所述在线列表中存储有与所述LoRa网关相连的子节点是否在线的状态信息；
在完成所述数据包的传输之后，所述子节点与所述LoRa网关分别返回预设信道；并将所述LoRa网关的地址恢复为所述预设地址，以便所述LoRa网关重新进入监听模式。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述LoRa网关在接收到所述心跳包后，之后还包括：
重置所述子节点的倒计时；
当所述倒计时的时间到达，且所述LoRa网关未收到所述子节点的下一心跳包时，确认所述子节点离线，并向预设的上级服务器发送所述子节点数据丢失的信息。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述系统还包括外部传感器、处理端、电源；其中，所述电源分别连接所述外部传感器、所述处理端、所述子节点；所述外部传感器连接所述处理端、所述处理端连接所述子节点，以将所述外部传感器采集的数据通过所述子节点上报所述LoRa网关。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述子节点采用433Mhz的频段。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述处理端为MCU,所述电源包括可充电电池。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述子节点在未获取到待传输数据时处于低功耗模式，所述子节点在获取到待传输数据时从低功耗模式切换为传输数据的工作模式，并在数据传输完成之后恢复为低功耗模式。
7.一种装置，其特征在于，应用于包括LoRa网关和子节点的系统中，各所述子节点向所述LoRa网关发送的数据包括命令包与数据包；所述命令包包括跳频包；该装置包括用于执行权利要求1-6中任意一项所述方法的功能模块。
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