CN111918307A - 基于LoRa定位的多层网关数据传输系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于物联网通信领域，涉及基于LoRa定位的多层网关数据传输系统及方法，所述系统包括LoRa终端，LoRa主网关和多个LoRa副网关以及网络服务器和应用服务器；终端采用TDMA时分多址技术在各自分配的时隙内与至少三个副网关通信；每个主网关连接有三个副网关；主网关通过TCP/IP与服务器连接；主网关向DTU传输数据，当DTU处于工作状态时，主网关向DTU持续发送数据，当DTU处于休眠状态时，主网关进行数据保存并等待DTU唤醒后再次进行数据传输；DTU通过无线网络将数据传输到网络服务器；应用服务器接收网络服务器传输的数据，并计算出终端的定位位置；本发明将网关进行多层处理，提高了网关稳定性、数据安全性和传输效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于LoRa(Long Range)定位的多层网关数据传输系统及方法，具有组网便捷、低成本广覆盖的特点，用于低功耗、广覆盖、低成本的物联网系统，可为农业、交通、建筑等行业服务，属于计算机和通信技术领域。
背景技术
随着物联网通信技术、智能硬件及传感设备的不断发展，物联网逐渐进入各行各业，使得万物互连成为可能。但是对于一些偏远地区的工程场地，如建筑施工、环境监测、资源探勘等，通信成本高、网络信号差、通信距离短，是导致此类物联网项目无法开展或有效实施的主要原因。
根据目前可知的通信范围和通信协议，将物联网网关分为两类：短程网关和远程网关。短程网关基于中短程通信协议，典型中短程通信协议，如：Wi-Fi(Wireless-Fidelity)、紫蜂协议(ZigBee)和蓝牙(Bluetooth)。它们各自具有优势，但是具有共同的缺点，无法做到长距离通信。远距离网关是以工作在未授权频谱下的LoRa、SigFox，以及工作在授权频谱下，3GPP(The 3rd Generation Partnership Project)支持的2/3/4G蜂窝通信技术，比如EC-GSM(Extended Coverage-GSM)、NB-IoT(Narrow Band Internet of Things)等。采用低功耗广域物联网的新型无线连接技术，解决了短程通信协议在穿墙能力弱以及通信距离短的不足，拥有地域覆盖率全而广的特点。当前窄带物联网技术发展迅速，LoRa技术具有低功耗、低成本、广覆盖、以及较大范围无线通讯组网等特点；
LoRa网络使用典型的星型拓扑结构，在该结构中，网关充当中继角色，在终端和服务器之间传递信息。终端设备直接连接到基站，大大简化了网络，赋予了其鲁棒性和集中控制，然而这种单跳大规模信道接入的可靠性、可扩展性、灵活性和服务质量都大大降低。信道接入机制采用ALOHA随机媒体接入控制协议，终端设备在不进行任何载波监听的情况下进行传输，尽管简单，但是不受控制的介质访问导致不协调设备之间的干扰和分组冲突，严重影响了密集网络中的可靠性。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于LoRa定位的多层网关数据传输系统及方法，以满足低功耗和远距离的通信需求。
在本发明的第一方面，本发明提出了一种基于LoRa定位的多层网关数据传输系统，所述系统包括LoRa终端，具有LoRa主网关和多个LoRa副网关构成的多层分布式网关，以及网络服务器、应用服务器；所述LoRa终端与所述LoRa副网关之间采用星型网络架构连接，并采用TDMA机制将时间分为互不相交的时隙，每个终端在各自分配好的时隙内与至少三个LoRa副网关通信，并在其他时隙休眠；每个LoRa主网关连接有三个LoRa副网关；所述LoRa主网关通过TCP/IP与所述服务器连接；所述LoRa主网关向DTU传输数据，当DTU处于工作状态时，所述LoRa主网关向DTU持续发送数据，当DTU处于休眠状态时，所述LoRa主网关进行数据保存并等待DTU唤醒进入工作状态后再次进行数据传输；所述DTU通过无线网络将数据传输到网络服务器；所述应用服务器接收网络服务器传输的数据，并计算出所述LoRa终端的定位位置。
在本发明的第二方面，本发明还提供了一种基于LoRa定位的多层网关数据传输方法，所述方法包括：
基于TDMA机制，在同一个信道下划分出多个时隙；
每个LoRa终端独享一个时隙并采用跳频扩频技术主动将数据发送给至少三个LoRa副网关；
对每个LoRa副网关中的LoRa无线模块利用物理地址编号进行身份验证，并将验证通过的LoRa无线模块进行通信；
LoRa副网关将接收到的数据传输给LoRa主网关；
所述LoRa主网关通过TCP/IP与所述服务器连接；所述LoRa主网关向DTU传输数据，当DTU处于工作状态时，所述LoRa主网关向DTU持续发送数据，当DTU处于休眠状态时，所述LoRa主网关进行数据保存并等待DTU唤醒进入工作状态后再次进行数据传输；
所述DTU通过无线网络将数据传输到网络服务器；所述应用服务器接收网络服务器传输的数据，并计算出所述LoRa终端的定位位置。
本发明的有益效果：
本发明提出了一种基于LoRa定位的多层网关数据传输方法及系统，将多层分布式网关分为LoRa主网关和LoRa副网关两个层次，主网关负责上行与应用层通信，下行与副网关通信和对终端的信道分配、路由管理以及数据存储等功能。LoRa副网关负责下行与LoRa终端直接通信、上行与LoRa主网关进行LoRa数据透传，副网关之间不进行通信。与多跳技术相比，本发明将网关进行多层处理，其中LoRa副网关只负责”上传下达”，不与网络服务器进行交互，大大简化了副网关的功能，而且副网关之间不进行通信，减少了多级网关之间的交互，大大提高了网关稳定性、数据安全性、传输效率。
附图说明
图1为LoRa联盟标准的官方网络架构；
图2为LoRaWAN物联网典型网络架构；
图3为本发明一实施例的基于LoRa定位的多层网关数据传输系统的架构图；
图4为本发明另一实施例的基于LoRa定位的多层网关数据传输系统结构图；
图5为本发明的LoRa主网关框图；
图6为本发明的的LoRa副网关框图；
图7为本发明的的LoRa终端结构图；
图8为本发明的基于LoRa定位的多层网关数据传输方法的流程图；
图9为本发明所采用的LoRa跳频技术示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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做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。
传统的LoRa联盟标准的官方网络架构如图1所示，LoRaWAN网络架构是由终端、网关以及服务器组成，终端和网关之间采用星型网络架构，如果它们之间的物理距离在LoRa技术的传输距离范围内，就可以直接通信传输，否则可以多级网关中继。在终端部分可以使用多种不同的应用，如各类传感器。同时，一个终端节点可以同时发送给多个网关节点，网关接收数据后，则将数据向上级网关或者服务器转发，最后一跳的网关通过TCP/IP网络传输数据，终端与网关之间通讯采用LoRaWAN协议。
基于LoRa的典型物联网应用主要由数据采集点、多重网关进行数据传输后发送至服务器中，网关在其中作为中继角色，在终端和服务器之间传递信息；然而这种单跳大规模信道接入的可靠性、可扩展性、灵活性和服务质量都大大降低。
本发明通过对标准架构进行改进，如图3所示，本发明采用多层分布式无线传输系统，即第一层是LoRa终端；第二层中继模块，即LoRa副网关，与传统技术不同的是，本发明中的LoRa副网关之间不进行通信。第三层是LoRa主网关，LoRa主网关只有一级。在本发明的改进方案中，LoRa主网关与LoRa副网关各包含两个LoRa射频芯片，因为LoRa射频芯片是半双工模式。第四层是网络服务器及应用服务器。
具体的，如图4所示，本发明的基于LoRa定位的多层网关数据传输系统包括LoRa终端，具有LoRa主网关和多个LoRa副网关构成的多层分布式网关，以及网络服务器、应用服务器；所述LoRa终端与所述LoRa副网关之间采用星型网络架构连接，并采用TDMA机制将时间分为互不相交的时隙，每个终端在各自分配好的时隙内与至少三个LoRa副网关通信，并在其他时隙休眠；每个LoRa主网关连接有三个LoRa副网关；所述LoRa主网关通过TCP/IP与所述服务器连接；所述LoRa主网关向DTU传输数据，当DTU处于工作状态时，所述LoRa主网关向DTU持续发送数据，当DTU处于休眠状态时，所述LoRa主网关进行数据保存并等待DTU唤醒进入工作状态后再次进行数据传输；所述DTU通过无线网络将数据传输到网络服务器；所述应用服务器接收网络服务器传输的数据，并计算出所述LoRa终端的定位位置。
需要说明的是，在本发明中，所述LoRa终端可以为带有LoRa射频芯片的硬件终端，LoRa射频芯片的硬件设备一般可以作为物联网设备的终端节点；这个LoRa射频芯片可以用于物联网系统中物联设备的定位识别，例如作为安全帽设备上的定位终端；而本发明实施例的应用服务器可以为具有应用处理能力的各种类型的终端，移动互联网设备(英文：Mobile Internet Device，缩写：MID)等包含LoRa终端的设备，本发明对此不作任何限制。
如图5所示，所述LoRa主网关包括第一MCU单元、通信模块、第一定位模块、第一时钟模块、第一LoRa射频模块和第一FLASH闪存；所述第一MCU单元通过USART连接通信模块、通过I2C连接第一定位模块和第一时钟模块、通过SPI连接两个第一LoRa射频模块和第一FLASH闪存；第一MCU单元为终端主控单元，第一MCU单元主要实现LoRa射频芯片、LTE通信等模块控制和信息交互；第一MCU单元与LoRa射频芯片通过SPI接口进行通信；LTE通信模块用于网关连接因特网以上传终端位置信息；总的来说，网关系统采用模块化设计来实现易查错、易扩展等特点。
如图6所示，所述LoRa副网关包括第二MCU单元、第二定位模块、第二时钟模块、第二LoRa射频模块和第二FLASH闪存；所述第二MCU单元通过I2C连接第二定位模块和第二时钟模块、通过SPI连接两个第二LoRa射频模块和第二FLASH闪存。所述LoRa副网关不仅负责与本模块管理下的LoRa终端模块进行通信；同时还负责与其上层的LoRa主网关进行LoRa数据透传。LoRa副网关之间不进行通信。
如图7所示，所述终端包括传感器、第三MCU单元、第三LoRa射频模块、第三时钟模块和第三FLASH闪存；所述第三MCU单元连接有传感器，所述第三MCU单元通过I2C连接第三时钟模块、通过SPI连接两个第三LoRa射频模块和第三FLASH闪存。
本发明考虑到LoRa芯片在ISM频段集成TOF(Time of flight)功能，且完成定位功能，需要终端与至少三个网关的通信数据为依据，所以本发明采用三个LoRa副网关和一个LoRa主网关进行通信；本发明采用多层分布式布局，LoRa副网关之间不进行相互通信，减少了网关之间通信的复杂度。
通过所述网络服务器对接收数据连续性的分析实时监控DTU的状态，并将DTU休眠状态和工作状态记录在网络服务器的监控日志中，可以调节DTU的休眠时长和唤醒频率；不仅能够有效的节省电源和数据流量通信费用，还能够提高DTU通信的稳定性，同时也便于后期数据的复查。
通过所述服务器对接收到数据中包含时间信息的分析实时监控数据传输的连续性，连续性是以每个LoRa无线模块输出的时间信息为判断依据，如果单个LoRa无线模块输出的时间信息出现时间中断或者暂停，则代表所述传输系统存在故障隐患或者故障，便于及时对设备进行检修和维护。
如图8所示，一种基于LoRa定位的多层网关数据传输方法，所述方法包括：
S1、基于TDMA机制，在同一个信道下划分出如图9所示的多个时隙；
针对LoRaWAN标准中，LoRa终端节点使用的ALOHA机制信道利用率低，且随着终端节点数量增多或发送数据包增多时，多个终端节点的包在信道上发生碰撞的概率就大大增加，因为选取时分多址(Time Division Multiple Address，TDMA)机制来解决无冲突的主动上报。IEEE802.11中定义的轮询协议是一种经典的MAC层时分多址时隙分配协议。本发明采用TDMA的通信方式，主要思想是在同一个信道下将时间划分为不同的时间段，即互相不重叠的时隙。每个LoRa终端节点独享一个时间片进行主动上报，避免了ALOHA机制进行上报的LoRaWAN终端节点的信道冲突问题。
S2、每个LoRa终端独享一个时隙并采用跳频扩频技术主动将数据发送给至少三个LoRa副网关；
将三个LoRa副网关标记为GW1、GW2、GW3，终端采用轮询的方式，在各自时隙内与GW1、GW2、GW3进行通信，记一个终端与三个网关都完成通信的时间为固定值T，终端总个数记为N，则N个终端与三个网关通过轮询协议完成通信需要N*T。
S3、对每个LoRa副网关中的LoRa无线模块利用物理地址编号进行身份验证，并将验证通过的LoRa无线模块进行通信；
在一个实施例中，所述身份验证包括将LoRa无线模块的物理地址编号存入到LoRa射频模块的无线通讯协议中，判断接收到的LoRa无线模块的物理地址编号是否为无线通信协议中存在的编号，若为存在的编号，则表示验证通过，该LoRa无线模块则可用于传输数据，否则视为非法的通信设备并禁止通信。
本发明的LoRa无线模块利用物理地址编号进行身份验证，能够屏蔽到大多的无关设备，便于维护系统的安全稳定性。
S4、LoRa副网关将接收到的数据传输给LoRa主网关；
在一个实施例中，LoRa副网关所接收到的数据内容包括LoRa无线模块对应的物理地址编号、数据发出时的时间信息以及来自传感器的数据采集信息。
S5、所述LoRa主网关通过TCP/IP与所述服务器连接；所述LoRa主网关向DTU传输数据，当DTU处于工作状态时，所述LoRa主网关向DTU持续发送数据，当DTU处于休眠状态时，所述LoRa主网关进行数据保存并等待DTU唤醒进入工作状态后再次进行数据传输；
在一个实施例中，所述DTU通过无线网络将数据传输到网络服务器包括所述DTU通过无线网络接收来自LoRa主网关的数据，并将所述数据封装成数据接收包，将所述数据接收包缓存至缓存队列中，按照顺序从缓存队列中取出对应的数据接收包，将所述数据接收包经过LoRaWAN协议解析后，得到上行数据包，将所述上行数据包发送至网络服务器。
S6、所述DTU通过无线网络将数据传输到网络服务器；所述应用服务器接收网络服务器传输的数据，并计算出所述LoRa终端的定位位置。
在一个优选实施例中，考虑到数据下行传输，所述LoRa应用服务器产生下行数据包，则将所述下行数据包发送至网络服务器，所述网络服务器根据所述下行数据包进行配置，以便所述LoRa网络服务器将所述下行数据包进行下行处理与LoRaWAN协议编码，得到数据发送包；将所述数据发送包缓存至缓存队列，按照顺序从所述缓存队列中取出所述数据发送包，利用所述DTU将所述数据发送包下发至所述LoRa主网关，并由经由原LoRa副网关传输至LoRa终端。
下面将结合一个具体的应用，对本发明的数据传输系统及方法进行一个说明，首先将本发明的LoRa终端安装在安全帽设备上，按照本发明的基于LoRa定位的多层网关数据传输系统进行网关和服务器的布置；安全帽的LoRa终端将采用TDMA机制将时间分为互不相交的时隙，每个终端在各自分配好的时隙内与至少三个LoRa副网关通信，并在其他时隙休眠；安全帽采用跳频扩频技术主动将数据发送给至少三个LoRa副网关；对每个LoRa副网关中的LoRa无线模块利用物理地址编号进行身份验证，并将验证通过的LoRa无线模块进行通信；LoRa副网关将接收到的数据传输给LoRa主网关；所述LoRa主网关通过TCP/IP与所述服务器连接；所述LoRa主网关向DTU传输数据，当DTU处于工作状态时，所述LoRa主网关向DTU持续发送数据，当DTU处于休眠状态时，所述LoRa主网关进行数据保存并等待DTU唤醒进入工作状态后再次进行数据传输；所述DTU通过无线网络将数据传输到网络服务器；所述应用服务器接收网络服务器传输的数据，并计算出每个安全帽的定位位置；由于对安全帽的定位位置进行记录，不仅可以对佩戴安全帽的员工进行考勤，也可以方便找寻安全帽的位置，另外在下行传输时间，当计算出所述LoRa终端的定位位置后，所述LoRa应用服务器产生下行数据包，则将所述下行数据包发送至网络服务器，所述网络服务器根据所述下行数据包进行配置，这些下行数据包的命令可以包含召回命令、提醒命令、报警命令等，以召回命令为例，当应用服务器发现安全帽的位置超出了其应该的范围，则向网络服务器发送相应的命令；以便所述LoRa网络服务器将所述下行数据包进行下行处理与LoRaWAN协议编码，得到数据发送包；将所述数据发送包缓存至缓存队列，按照顺序从所述缓存队列中取出所述数据发送包，利用所述DTU将所述数据发送包下发至所述LoRa主网关，并由经由原LoRa副网关传输至安全帽的LoRa终端，安全帽的LoRa终端可以通过警报显示等方式传输命令。
可以理解的是，为了节约篇幅，本发明中的基于LoRa定位的多层网关数据传输系统及方法的特征可以相互引用，本发明不再赘述。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (9)
1.一种基于LoRa定位的多层网关数据传输系统，其特征在于，所述系统包括LoRa终端，由LoRa主网关和多个LoRa副网关构成的多层分布式网关，以及网络服务器、应用服务器；所述LoRa终端与所述LoRa副网关之间采用星型网络架构连接，并采用TDMA机制将时间分为互不相交的时隙；每个终端在各自分配好的时隙内与至少三个LoRa副网关通信，并在其他时隙休眠；每个LoRa主网关连接有三个LoRa副网关；所述LoRa主网关通过TCP/IP与所述服务器连接；所述LoRa主网关向DTU传输数据，当DTU处于工作状态时，所述LoRa主网关向DTU持续发送数据，当DTU处于休眠状态时，所述LoRa主网关进行数据保存并等待DTU唤醒进入工作状态后再次进行数据传输；所述DTU通过无线网络将数据传输到网络服务器；所述应用服务器接收网络服务器传输的数据，并计算出所述LoRa终端的定位位置。
2.根据权利要求1所述的一种基于LoRa定位的多层网关数据传输系统，其特征在于，所述LoRa主网关包括第一MCU单元、通信模块、第一定位模块、第一时钟模块、第一LoRa射频模块和第一FLASH闪存；所述第一MCU单元通过USART连接通信模块、通过I2C连接第一定位模块和第一时钟模块、通过SPI连接两个第一LoRa射频模块和第一FLASH闪存。
3.根据权利要求1所述的一种基于LoRa定位的多层网关数据传输系统，其特征在于，所述LoRa副网关包括第二MCU单元、第二定位模块、第二时钟模块、第二LoRa射频模块和第二FLASH闪存；所述第二MCU单元通过I2C连接第二定位模块和第二时钟模块、通过SPI连接两个第二LoRa射频模块和第二FLASH闪存。
4.根据权利要求1所述的一种基于LoRa定位的多层网关数据传输系统，其特征在于，所述终端包括传感器、第三MCU单元、第三LoRa射频模块、第三时钟模块和第三FLASH闪存；所述第三MCU单元连接有传感器，所述第三MCU单元通过I2C连接第三时钟模块、通过SPI连接两个第三LoRa射频模块和第三FLASH闪存。
5.一种基于LoRa定位的多层网关数据传输方法，其特征在于，所述方法包括：
基于TDMA机制，在同一个信道下划分出多个时隙；
每个LoRa终端独享一个时隙并采用跳频扩频技术主动将数据发送给至少三个LoRa副网关；
对每个LoRa副网关中的LoRa无线模块利用物理地址编号进行身份验证，并将验证通过的LoRa无线模块进行通信；
LoRa副网关将接收到的数据传输给LoRa主网关；
所述LoRa主网关通过TCP/IP与所述服务器连接；所述LoRa主网关向DTU传输数据，当DTU处于工作状态时，所述LoRa主网关向DTU持续发送数据，当DTU处于休眠状态时，所述LoRa主网关进行数据保存并等待DTU唤醒进入工作状态后再次进行数据传输；
所述DTU通过无线网络将数据传输到网络服务器；所述应用服务器接收网络服务器传输的数据，并计算出所述LoRa终端的定位位置。
6.根据权利要求5所述的一种基于LoRa定位的多层网关数据传输方法，其特征在于，所述身份验证包括将LoRa无线模块的物理地址编号存入到LoRa射频模块的无线通讯协议中，判断接收到的LoRa无线模块的物理地址编号是否为无线通信协议中存在的编号，若为存在的编号，则表示验证通过，该LoRa无线模块则可用于传输数据，否则视为非法的通信设备并禁止通信。
7.根据权利要求5所述的一种基于LoRa定位的多层网关数据传输方法，其特征在于，LoRa副网关所接收到的数据内容包括LoRa无线模块对应的物理地址编号、数据发出时的时间信息以及来自传感器的数据采集信息。
8.根据权利要求5所述的一种基于LoRa定位的多层网关数据传输方法，其特征在于，所述DTU通过无线网络将数据传输到网络服务器包括所述DTU通过无线网络接收来自LoRa主网关的数据，并将所述数据封装成数据接收包，将所述数据接收包缓存至缓存队列中，按照顺序从缓存队列中取出对应的数据接收包，将所述数据接收包经过LoRaWAN协议解析后，得到上行数据包，将所述上行数据包发送至网络服务器。
9.根据权利要求5所述的一种基于LoRa定位的多层网关数据传输方法，其特征在于，当计算出所述LoRa终端的定位位置后，所述LoRa应用服务器产生下行数据包，则将所述下行数据包发送至网络服务器，所述网络服务器根据所述下行数据包进行配置，以便所述LoRa网络服务器将所述下行数据包进行下行处理与LoRaWAN协议编码，得到数据发送包；将所述数据发送包缓存至缓存队列，按照顺序从所述缓存队列中取出所述数据发送包，利用所述DTU将所述数据发送包下发至所述LoRa主网关，并由经由原LoRa副网关传输至LoRa终端。
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