CN111885527B - 一种低功耗海洋传感数据回传方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于无线通信技术领域，公开了一种低功耗海洋传感数据回传方法，包括针对静态环境的LoRa多跳网络拓扑的部署，路由算法，数据包冲突检测和故障恢复。本发明所述的海洋传感数据回传方法可以解决现有技术中海洋数据传输速度慢、功耗高、覆盖近的问题，有效降低单点故障、数据冲突带来的性能损失，从而提高海洋传感信息的时效性和利用率。

Description

一种低功耗海洋传感数据回传方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，具体地，涉及一种低功耗海洋传感数据回传方法。
背景技术
海洋传感数据对于海洋环境保护，海洋动物探索，海上搜救等都有着极其重要的意义。数据的采集和回传通常需要由传感器和收发装置组成。随着新型材料和防水技术的不断提升，感知技术已经不再是制约其发展的瓶颈。
然而，目前可以应用在海上的数据传输技术都存在明显的弊端。基于声学的技术被广泛用于水下的传输，但是由于其速度的限制不会被用在空气中的传输。基于802.11协议的Wi-Fi和802.15.4的ZigBee在许多场景中广泛使用，但是其单点覆盖不超过百米，很难用于海面的应用，而且其能耗较高，维护成本高。基于4G/5G网络的方法成本更高，对于运营商来说在海面上部署大量基站是不现实的，电池寿命问题是制约其室外使用的最大问题。基于卫星的办法除军事等一般的应用很难获取权限或负担不起高额的费用。本发明采用的低功耗广域网具有超低功耗和单点远距离覆盖的特点，但在目前的标准和应用中，其采用的是星型拓扑，即终端传感节点直接向网关发送数据，这样的方案可以将覆盖范围扩大到以网关为中心，单点传输距离为半径的圆上，仍然无法满足海洋上的通信覆盖。有一些研究也建立了线性或树形的拓扑实现中继，不过其存在着单点故障，数据冲突等问题，在布局上也缺乏灵活性。因此这些方案都不完全适合海洋上的传感数据回传。
(Abrardo 2019)在意大利的一个山洞里建立了一种线性的LoRa多跳网络，目的是将山洞内的关键传感数据发送到洞外。根据对环境的测量，约每200米设置一个节点，并仅与前后邻居通信，因此实现了一个几公里的接力式传输。然而一旦有一个节点损坏或电量耗尽，就必须人工干预。
(Barrachina 2017)定义了三种数据上行模式并提出了称作“最佳架构”的多跳传输方法，即在传输中总是选择能耗最低的可达点。然而，这仅仅是将线性的解决方案堆积起来，没有协作和交互。仍然不能解决故障问题。
(LoRa Alliance 2015，SEMTECH 2015)定义了基于纯ALOHA的冲突解决方案，其允许冲突的发生，并回退一定的时间重传。
(Rachkidy 2018,2019)设计了复杂的MAC层协议，在冲突已经发生的情况下对已经叠加的数据进行解析。这种方案不需要考虑传输时的问题，但是解析运算为节点带来了较大的工作量，不适合本发明中所涉及的海洋数据回传。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种基于LoRa多跳网络的海洋传感数据回传方法，以实现低功耗的海面数据超远距离传输，解决目前海洋上关键传感数据传输距离短，延迟高等问题，可广泛用于如图1所示海洋环境保护，海洋动物探索，海上搜救等。本发明采用的网络拓扑结构可以解决目前方案中覆盖范围小的问题，并有效解决网络传输中的冲突、故障等问题，从而提升网络的吞吐率、接收率等关键性能。
本发明的技术方案：
一种低功耗海洋传感数据回传方法，步骤如下：
首先，针对可控的静态环境，即任意选择节点位置，且节点位置一旦部署后保持不动；使用具备收发功能的LoRa节点，工作频率支持433MHz、868MHz等非认证频段，节点支持外接全向或定向天线；
在海岸的陆地上等距离放置LoRaWAN网关，方便检修和更换，同时保证供电的稳定；假设所有在陆地上的网关均在一条直线上，并定义该直线所在方向为水平方向(坐标系的横轴)；垂直于水平方向的为竖直方向(坐标系的纵轴)，且由海面指向海岸的数据回传方向为上行方向(纵坐标值减少的方向)；
海面上的终端节点部署遵循以下规则：
(1)任意相邻两个节点之间距离均为d；一个节点ni相邻节点nj的定义为：在所有的节点中，nj与其的距离最小，ni有多于一个相邻节点；在本方法描述的网络中，ni最多有6个相邻节点；
(2)所有节点均位于等距的平行直线上，平行直线方向为竖直方向，相邻两条平行直线的距离为
Figure BDA0002567823220000021
(3)为满足(1)(2)条件，任一平行直线上的某个节点一定在其同一条相邻平行直线上的它的两个相邻节点的中垂线上；
(4)任意不在同一条平行直线上的两个相邻节点间的连线与平行直线的夹角为60°；
(5)形如(3)中所述的任意三个节点构成边长为d的等边三角形；
配置一个LoRa节点主要有以下几个参数：扩频因子(Spread Factor,SF),带宽(Bandwidth,BW)，编码率(Code Rate,CR)。即：
Si＝f(SFi，BWi，CRi) (1)
定义单个节点在配置Si时的平均传输距离为ri，则ri应当满足(2)，
Figure BDA0002567823220000022
如图2，根据等边三角形的性质，纵坐标相同且水平方向上距离最近的两个节点距离为
Figure BDA0002567823220000023
因此，保证由一个节点发出的数据包只被它临近的节点所收到，而不会被更远的节点收到；
考虑到海洋中物理因素带来的流动性和不确定性，节点的位置可能会有变化，满足(2)时，节点有
Figure BDA0002567823220000031
的容错空间，考虑到d本身的大小，节点最远可在几百米至几公里的范围内活动；
为了降低海上复杂天气因素等带来的干扰，本发明使用定向天线进一步控制发送的覆盖范围和目标节点，采用波瓣宽度为120的定向天线使得三个目标上层节点恰好在传输范围中；
ri的取值由d决定，并需要根据环境因素调节配置Si来改变ri，d则需要根据实际应用环境的面积和拥有的节点数量来确定；
定义能耗的函数为P(Si)，目标是选取满足传输距离要求的最小值，即：
Figure BDA0002567823220000032
本发明提出了一种具有层级关系的网状拓扑，与典型的MESH网络任意两点都可以通过有限跳互达不同，所有的节点虽然构成了网，但是并不是任意两个节点间都是对等的关系。
更临近网关的节点比远离网关的节点具有更高的级别，数据只流向级别高的方向，即沿着纵坐标降低的方向。
截取图2所示的局部四个点来说明节点间的关系，如图3所示，本方法所述的数据回传方法及其冲突避免策略均基于形容此四点的基本单元。
设从左至右的方向为数据的上行方向，N1到N2，N3，N4之间的距离均为d，N1，N2，N3到N4之间的距离均为d；四个节点的位置关系描述如下：
(1)N2，N3分别位于N1所在直线临近的两条直线上，切处于N1的上行方向；
(2)N4与N1处在同一条直线上，且处于N1的上行方向；
(3)N1，N2，N3，N4构成边长为d，对角分别为120°和60°的等边菱形；
由前文所述可知，距离为d的两个节点之间为相邻节点，具有上下级关系。则在N1，N2，N3，N4四点中，N2，N3既是N1的同级节点，又是其上级节点；同理，N4既是N2，N3同级节点，也是其上级节点；
与传统的树型结构一个子节点只有一个父节点不同。本发明所采用的网络，对于任意一个节点，均有三个子节点和三个父节点。子节点只在它的三个父节点中选择目标发送数据。
因为数据的流向都指向网关，没有横向或者逆向的传输，因此，不会出现环，避免了资源的浪费和时间的消耗。
如上文所述，节点配置横向为120°的定向天线，则N1的上行通信范围内有且仅有它的三个上级节点N2，N3，N4。
本发明中节点数据回传的流程如下，流程图如图4所示：
(1)一个LoRa节点始终通过接口获取安装在其上的传感器数据(温度、湿度、压力等，根据实际情况而定)，然后将数据放入发送队列；
(2)同时，节点开启接收窗口，并检查是否有从其子节点传来的数据。如果是，就将其放入发送队列。如果否，继续侦听；
(3)发送周期开始时，节点以等概率
Figure BDA0002567823220000041
的选择一个父节点作为此次的发送目标；
(4)在时隙到达时，发送队列中的全部内容；
(5)周期结束。
本发明中采用时分的方式避免冲突，即为每对收发器之间确定固定的等长的时隙，用于上一步骤中的(3)(4)，具体方法如下：
(1)根据应用对延迟的实际需求以及节点电池的寿命，确定节点的发送周期为t；
(2)根据配置Si计算每个节点发送队列中数据所需的时间
Figure BDA0002567823220000042
其中
Figure BDA0002567823220000043
(3)将发送周期分为三个时隙，每个时隙为t/3；
(4)一个发送节点以等概率选定一个目标：
如果发送节点是目标节点的左子节点，则取其第一个时隙发送。
如果发送节点是目标节点的中子节点，则取其第二个时隙发送。
否则，取第三个时隙发送。
本发明针对网络运行中可能出现的故障问题，分类给出了解决方案，仍以局部图5为例，描述如下：
(1)当N2，N3在预设的时间t13内没有收到来自N1的数据包时，需要在下一次发送中通知N4。如果在预设时间内N4也没有收到任何一个来自N1的数据包，则判定N1已经损坏；
(2)当N4在一个预设的时间t31没有收到任何一个数据包，说明N1，N2，N3均已经损坏。
当以上两种情况发生时，作为检测到故障的节点，N4进行两项操作：
(1)把故障节点从自己的路由表中删除，并重新分配时隙；
(2)把故障信息放入发送队列，故障信息将通过网络传到网关处，管理人员以此为根据维修；
(3)在下行传输周期中，将故障信息通知故障节点的子节点。节点根据现有的目标节点数重新确定理由表。
其中，t13，t31与发送周期t具有以下关系：
(1)t13＝5t：对于任意一个节点，其上层节点收到来自其数据的平均等待时间为3t，将故障时间定至5t；
(2)t31＝2t：对于任意一个节点，其收到下层节点的数据的平均等待时间约为1.42t，将故障时间定至2t。
本发明的有益效果：本发明可以在硬件使用数量相同的条件下，相比于传统基于无线传感器网络的监控系统，可以使海面上传感数据的回传覆盖长度和广度大幅提高，相比于基础的星型LoRaWAN网络，本发明采用的多跳的网络拓扑，可以在保证节点低功耗的前提下线性扩大网络的覆盖范围，且有效避免传统LoRaWAN网络中的数据冲突问题，有效解决了现有工作中普遍存在的单点故障和数据丢失问题。
附图说明
图1是本发明所应用的场景示意图。
图2是本发明中的网络拓扑图。
图3是本发明中节点工作流程图。
图4是网络拓扑的局部，用以说明节点的层级关系图。
图5是网络拓扑的局部，用以说明故障检测的流程图，(a)1对3故障检测；(b)3对1故障检测。
具体实施方式
下面结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
实施例：为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例的技术方案采用Pycom公司的LoPy4芯片和Expansion board 3.1开发板。
天线分别采用全频段增益为3dBi/6dBi的全向天线和增益为5dBi，波瓣宽度为120/85的433MHz定向天线。天线与芯片间采用UF.L转SMA跳线连接。
本例中，节点数量23个，网关数量2个。
节点配置SF＝12，BW＝250KHz，CR＝4/5。单个节点的传输距离约为r＝3km，节点间距d＝2.5km。
网络整体覆盖覆盖范围约为纵向(10～15km)*横向(5～10km)。
采用本发明提出的方案后，在本例中，与传统的星型拓扑LoRaWAN相比，在相同环境及配置下，传输距离可提高4倍以上，宽度2倍以上，网关数量约降低3倍。以上参数可随着节点的增加进一步提高。
初始化为时钟同步，根据权利要求书与说明书所述，为所有节点预设好时隙，设定节点传输周期为15min，时隙为5min，节点间要求不严格的时间同步，可容忍误差约1s。
本发明中节点间距离的选择和划分时隙进行传输的方案可以完全避免冲突。
在节点发生故障时，根据权利要求书与说明书所述，以两个等边三角形构成的菱形为一个基本检测单位。本实施例可以在无人工参与的情况下在不超过75min的时间内发现故障节点并向网关报告，在30min内修改路由表保证数据的正常回传，直到故障节点恢复正常工作。

Claims (1)

1.一种低功耗海洋传感数据回传方法，其特征在于，步骤如下：
首先，针对可控的静态环境，即任意选择节点位置，且节点位置一旦部署后保持不动；使用具备收发功能的LoRa节点，LoRa节点支持外接全向或定向天线；
在海岸的陆地上等距离放置LoRaWAN网关，方便检修和更换，同时保证供电的稳定；假设所有在陆地上的LoRaWAN网关均在一条直线上，并定义该直线所在方向为水平方向即坐标系的横轴；垂直于水平方向的为竖直方向即坐标系的纵轴，且由海面指向海岸的数据回传方向为上行方向即纵坐标值减少的方向；
海面上的终端节点部署遵循以下规则：
(1)任意相邻两个节点之间距离均为d；一个节点ni相邻节点nj的定义为：在所有的节点中，nj与其的距离最小，ni有多于一个相邻节点；
(2)所有节点均位于等距的平行直线上，平行直线方向为竖直方向，相邻两条平行直线的距离为
Figure FDA0002979405700000011
(3)为满足(1)(2)条件，任一平行直线上的某个节点一定在其同一条相邻平行直线上的它的两个相邻节点的中垂线上；
(4)任意不在同一条平行直线上的两个相邻节点间的连线与平行直线的夹角为60°；
(5)步骤(3)中任一平行直线上的某个节点和其同一条相邻平行直线上的它的两个相邻节点组成的任意三个节点构成边长为d的等边三角形；
配置一个LoRa节点主要有以下几个参数：扩频因子SFi，带宽BWi，编码率CRi；即：
Si＝f(SFi，BWi，CRi) (1)
定义单个节点在配置Si时的平均传输距离为ri，则ri应当满足(2)，
Figure FDA0002979405700000012
根据等边三角形的性质，纵坐标相同且水平方向上距离最近的两个节点距离为
Figure FDA0002979405700000013
因此，保证由一个节点发出的数据包只被它临近的节点所收到，而不会被更远的节点收到；
考虑到海洋中物理因素带来的流动性和不确定性，节点的位置可能会有变化，满足公式(2)时，节点有
Figure FDA0002979405700000014
的容错空间，考虑到d本身的大小，节点最远可在几百米至几公里的范围内活动；
为了降低海上复杂天气因素带来的干扰，本方法使用定向天线进一步控制发送的覆盖范围和目标节点，采用波瓣宽度为120°的定向天线使得三个目标上层节点恰好在传输范围中；
ri的取值由d决定，并需要根据环境因素调节配置Si来改变ri，d则需要根据实际应用环境的面积和拥有的节点数量来确定；
定义能耗的函数为P(Si)，目标是选取满足传输距离要求的最小值，即：
Figure FDA0002979405700000021
本方法提出了一种具有层级关系的网状拓扑，与典型的MESH网络任意两点都可通过有限跳互达不同，所有的节点虽然构成了网，但是并不是任意两个节点间都是对等的关系；
更临近网关的节点比远离网关的节点具有更高的级别，数据只流向级别高的方向，即沿着纵坐标降低的方向；
截取局部四个点来说明节点间的关系；
设从左至右的方向为数据的上行方向，N1到N2，N3，N4之间的距离均为d，N1，N2，N3到N4之间的距离均为d；四个节点的位置关系描述如下：
(1)N2，N3分别位于N1所在直线临近的两条直线上，切处于N1的上行方向；
(2)N4与N1处在同一条直线上，且处于N1的上行方向；
(3)N1，N2，N3，N4构成边长为d，对角分别为120°和60°的等边菱形；
可知，距离为d的两个节点之间为相邻节点，具有上下级关系；则在N1，N2，N3，N4四个节点中，N2，N3既是N1的同级节点，又是其上级节点；同理，N4既是N2，N3同级节点，也是其上级节点；
本方法所采用的网络，对于任意一个节点，均有三个子节点和三个父节点；子节点只在它的三个父节点中选择目标发送数据；
因为数据的流向都指向网关，没有横向或者逆向的传输，因此，不会出现环，避免了资源的浪费和时间的消耗；
节点配置横向为120°的定向天线，则N1的上行通信范围内有且仅有它的三个上级节点N2，N3，N4；
节点数据回传的流程如下：
(1)一个LoRa节点始终通过接口获取安装在其上的传感器数据，然后将数据放入发送队列；
(2)同时，节点开启接收窗口，并检查是否有从其子节点传来的数据；如果是，就将其放入发送队列；如果否，继续侦听；
(3)发送周期开始时，节点以等概率
Figure FDA0002979405700000022
选择一个父节点作为此次的发送目标；
(4)在时隙到达时，发送队列中的全部内容；
(5)周期结束；
采用时分的方式避免冲突，即为每对收发器之间确定固定的等长的时隙，用于节点数据回传流程中的步骤(3)和步骤(4)，具体方法如下：
(1)根据应用对延迟的实际需求以及节点电池的寿命，确定节点的发送周期为t；
(2)根据配置Si计算每个节点发送队列中数据所需的时间
Figure FDA0002979405700000031
其中
Figure FDA0002979405700000032
(3)将发送周期分为三个时隙，每个时隙为t/3；
(4)一个发送节点以等概率选定一个目标：
如果发送节点是目标节点的左子节点，则取其第一个时隙发送；
如果发送节点是目标节点的中子节点，则取其第二个时隙发送；
否则，取第三个时隙发送；
针对网络运行中可能出现的故障问题，分类给出解决方案，具体如下：
(1)当N2，N3在预设的时间t13内没有收到来自N1的数据包时，需要在下一次发送中通知N4；如果在预设时间内N4也没有收到任何一个来自N1的数据包，则判定N1已经损坏；
(2)当N4在一个预设的时间t31没有收到任何一个数据包，说明N1，N2，N3均已经损坏；
当以上两种情况发生时，作为检测到故障的节点，N4进行以下操作：
(1)把故障节点从自己的路由表中删除，并重新分配时隙；
(2)把故障信息放入发送队列，故障信息将通过网络传到网关处，管理人员以此为根据维修；
(3)在下行传输周期中，将故障信息通知故障节点的子节点；子节点根据现有的目标节点数重新确定路由表；
其中，t13，t31与发送周期t具有以下关系：
(1)t13＝5t：对于任意一个节点，其上层节点收到来自其数据的平均等待时间为3t，将故障时间定至5t；
(2)t31＝2t：对于任意一个节点，其收到下层节点的数据的平均等待时间为1.42t，将故障时间定至2t。
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CN108986438A (zh) * 2018-08-17 2018-12-11 上海海事大学 一种基于LoRa的岸桥数据无线监测系统
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"LoRa无线传感技术在扇贝养殖区环境检测中的应用分析";张正阳等;《现代化农业》;20191231(第2期);全文 *

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