CN113347591B - 一种LoRa网关以及控制方法、及野外工程结构监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种LoRa网关以及控制方法、及野外工程结构监测系统，包括：通过无线通信模块接收物联网平台下发的采样控制策略；解析采样控制策略；对LoRa节点组进行采样任务配置，给无线通信模块下电，网关进入休眠状态；当到达某个采样任务的周期时，网关进入采样工作状态，采集来自多个LoRa节点的监测数据；依次判断每个LoRa节点是否触发了采样数据上传机制，则将触发了采样数据上传机制的LoRa节点的监测数据上传至物联网平台，未触发则进行本地存储，网关进入休眠状态，等待进入下个采样工作状态。本发明所提供的LoRa网关采用双控制器设计，自动实现采样任务状态与休眠状态的切换，降低网关整机功耗、自动高效地完成物联网平台的采样任务。

Description

一种LoRa网关以及控制方法、及野外工程结构监测系统

技术领域

本发明涉及野外工程结构监测技术领域，特别涉及一种LoRa网关以及控制方法、及野外工程结构监测系统。

背景技术

当前用于野外工程结构安全监测的LoRa（LoRa为Long Range的缩写，是低功耗广域网通信技术中的一种）网关主要有三种工作方式：方式一：使用市电供电，LoRa网关处于工作状态，持续获取上报工程结构的采样数据，但是在野外环境市电难以获取，特别是针对现存工程结构的安全监测，通常无法获取到市电，因此其实用性不强。方式二：使用太阳能+锂电池供电，LoRa网关处于持续工作状态，持续获取上报工程结构的采样数据；方式三：使用太阳能+锂电池供电，LoRa网关持续获取、周期上报采样数据。LoRa网关有两种型态：1、单通道：只有一个LoRa通道，同时只能与一个LoRa节点通信；2、多通道：具有8个LoRa通道，可以同时与8个LoRa节点通信；对于锂电池配合市电的方式二、方式三而言，持续阴雨天气时，锂电池无法得到充电；在野外环境下，太阳能板由于大风、暴雨等自然条件容易损坏，而由于条件限制（如位于深山、陡峭边坡），不能及时发现、更换损坏的太阳能板。因此，在这两种工作方式下，需要LoRa网关在锂电池供电时能工作60天以上。方式二LoRa网关的平均电流在200mA以上，方式三LoRa网关的平均电流在50mA以上，以超大容量的25000mAH的锂电池为例，实际放电电流约为20000mAH，能够供方式二网关工作4.2天，能够供方式三网关16.7天，因此难以满足野外工程结构安全监测的应用要求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中所存在的现有LoRa网关难以满足野外工程结构安全监测的要求的问题，提供一种LoRa网关以及控制方法、及野外工程结构监测系统，通过采样任务状态以及休眠状态的切换，降低网关整机功耗、自动高效地完成物联网平台的采样任务。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种LoRa网关控制方法，应用于野外工程结构监测中，所述方法包括：

A、进入初始工作状态，通过无线通信模块接收物联网平台下发的采样控制策略；解析所述采样控制策略，得到多个LoRa节点组的采样类型与参数、采样周期、以及采样数据上传机制；根据每个所述LoRa节点组的采样类型与参数对LoRa节点组进行采样参数配置，监测所述采样周期，给所述无线通信模块下电，网关进入休眠状态；其中，多个所述LoRa节点组的采样类型包括：静态采样以及动态采样；

B、当监测到到达某个所述采样周期时，网关进入采样工作状态，接收来自LoRa节点组的监测数据，采样任务执行次数加一；以及，根据执行静态采样任务的LoRa节点组的采样任务执行次数是否触发了所述采样数据上传机制，若是，则给所述无线通信模块上电，将所述LoRa节点组的监测数据上传至所述物联网平台，若否，则本地存储所述LoRa节点组的监测数据，网关进入休眠状态，等待进入下个采样周期。

根据一种具体的实施方式，上述LoRa网关控制方法中，静态采样参数包括：每次采样时执行采样的次数；动态采样参数包括：采样时间频率。

根据一种具体的实施方式，上述LoRa网关控制方法中，所述根据执行静态采样任务的LoRa节点组的采样任务执行次数是否触发了所述采样数据上传机制，包括：

判断执行静态采样任务的LoRa节点组的采样任务执行次数是否达到次数阈值，若是，则触发了所述采样数据上传机制，将所述LoRa节点组的监测数据上传至所述物联网平台；若否，则根据所述采样数据上传机制中的节点数据阈值对所述LoRa节点组的监测数据进行轮询，判断是否有节点的监测数据达到数据阈值，若是，则给所述无线通信模块上电，将达到所述LoRa节点组的监测数据上传至所述物联网平台；若否，则不触发所述采样数据上传机制。

具体的，针对静态采样任务设置相应的采样数据上传机制（若为动态采样则其对应的上传机制为：实时上传接收到的监测数据），根据执行静态采样任务的LoRa节点组的采样任务执行次数与节点阈值判断是否触发了所述采样数据上传机制，由此实现数据的自动上传，在无需上传数据时，也无法给无线通信模块上电，进一步降低功耗。

一种采用上述LoRa网关控制方法进行野外工程结构监测的LoRa网关，包括：第二控制器、第一控制器、以及无线通信模块、LoRa通信模块（为多通道LoRa模块）；

其中，所述第二控制器包括：第一处理模块，第二处理模块，第三处理模块，存储模块；

所述第一处理模块与所述无线通信模块通讯连接，用于在初始工作状态时通过所述无线通信模块接收物联网平台下发的采样控制策略，并将所述采用控制策略发送至所述第二处理模块，以及，通过所述无线通信模块上传其接收到的监测数据；

所述第二处理模块用于接收并解析所述采样控制策略，并将解析结果发送至所述第三处理模块，以及，根据采样周期在所述第一控制器中配置定时器；以及，根据采样数据上传机制监测接收到的监测数据是否需要上传，若是，则将监测数据发送至第一处理模块；若否，则将监测数据发送至存储模块；

所述第三处理模块通过所述LoRa通信模块与多节点LoRa终端通讯连接，用于根据所述解析结果对多节点LoRa终端进行采样参数配置；以及，当网关进入采样工作状态时，通过LoRa通信模块接收来自所述多节点LoRa终端的监测数据，并将接收到的监测数据发送至第二处理模块；

所述存储模块，用于存储监测数据；

所述第一控制器用于根据所述采样周期实现网关休眠状态与采样状态的切换，执行第二控制器、无线通信模块、LoRa通信模块的上/下电操作。

具体的，根据一种具体的实施方式，上述LoRa网关中，所述第二控制器被配置为：在所述采样任务执行次数未达到次数阈值时，根据所述采样数据上传机制中的节点数据阈值对多个所述LoRa节点组的监测数据进行轮询，找到达到所述节点数据阈值的LoRa节点组，并给所述无线通信模块上电，将达到所述节点数据阈值的LoRa节点组的监测数据上传至所述物联网平台。

根据一种具体的实施方式，上述LoRa网关中，所述第一控制器的功耗低于所述第二控制器的功耗。

根据一种具体的实施方式，上述LoRa网关中，所述第一控制器采用8位MCU，所述第二控制器采用32位MCU。

根据一种具体的实施方式，上述LoRa网关中，所述无线通信模块采用：4G模块。

根据一种具体的实施方式，上述LoRa网关中，包括：上述LoRa网关，以及，物联网平台、多节点LoRa终端；所述多节点LoRa终端包括：多个LoRa节点组；所述LoRa网关与所述物联网平台无线通讯连接，所述多节点LoRa终端与所述LoRa网关基于LoRa通讯连接；

所述物联网平台用于向所述LoRa网关下发采样控制策略；

所述LoRa网关用于采用上述LoRa网关控制方法根据所述采样控制策略对多个所述LoRa节点组进行采样参数配置，以及，采集来自多个所述LoRa节点组的监测数据。

与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明在LoRa网关执行采样工作期间，通过采样上报机制的设计，使得运行无线通信模块上报数据的电流消耗仅占工作期间采样功耗的60%；通过独立的电源管理设计切换网关进入休眠状态，LoRa模块的使用时间约占总时长的50%，LoRa模块的电流消耗约战工作期间采样功耗的35%，使用完LoRa模块后将其下电，可以降低工作期间电流消耗的25；在LoRa网关休眠期间（运行在休眠态），通过双MCU的设计降低电流消耗：8位MCU在休眠模式下电流消耗2uA以下，而32位MCU电流消耗最低40uA，降低电流消耗95%。同时，本发明也对LoRa网关的配置进行了简化，LoRa网关出厂后“零配置”，运行所需的配置信息均从物联网平台接收。

附图说明：

图1为本发明示例性实施例的LoRa网关；

图2为本发明示例性实施例的LoRa网关状态切换示意图；

图3为本发明示例性实施例的LoRa网关与物联网平台交互采样控制策略的数据传输示意图；

图4为本发明示例性实施例的LoRa网关的功耗示意图；

图5为本发明示例性实施例的LoRa网关执行采样任务的时间流程图。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

图1示出了本发明示例性实施例的LoRa网关，包括：LoRa网关硬件由8位MCU（第一控制器），32位MCU（第二控制器）、4G模块、多通道LoRa终端模块组成其中，8位MCU包括：电源管理模块；电源管理模块的供电端口与32位MCU、4G模块、多通道LoRa终端模块的供电端口电连接；网关硬件结构上采用双MCU设计，独立的电源管理设计（32位MCU、4G模块、多通道LoRa终端模块的电源由8位MCU控制）以通过第一控制器的上下电操作完成网关的状态切换（如图2、表1、表2所示）。

表1 LoRa网关状态表

表2 网关中各硬件模块的状态

在本发明进一步的实施例中，还一种LoRa网关控制方法，包括：初始上电，LoRa网关进入初始态，8位MCU首先上电，8位MCU （STM8）处于初始状态，给32位MCU （STM32）上电，通知STM32执行初始任务；32位MCU进入运行模式：首先请求8位MCU给4G模块上电，如图3所示，通过4G模块连接到NTP服务器获取系统时间、连接到物联网平台，STM32获取物联网平台下发的采样任务列表（如表3所示）、采样上报策略（表4）及其控制的LoRa节点列表；STM32根据服务器的配置，配置自身，根据采样任务配置STM8的状态定时器，STM8的状态机（状态定时器）此时就开始运行，工作完成，STM32通知STM8给自己下电；STM8的状态机进入休眠，之后网关进入休眠态。

表3 采样任务列表

表4 采样数据上报机制

某个采样任务到达采样时机，LoRa网关进入采样工作状态，8位MCU给32位MCU上电，32位MCU进入运行模式，根据8位MCU指示执行该采样工作，如果当前采样工作类型为静态采样，则分为两阶段；第一阶段：32位MCU请求8位MCU给多通道LoRa模块通电，接收LoRa节点的采样数据；收集完所有LoRa节点的采样数据后，32位MCU通知8位MCU给LoRa模块下电，然后进入第二阶段。第二阶段：根据采样上报触发机制判决是否需要上报采样数据，如不需要则将采样数据保存到FLASH中；否则请求8位MCU给4G模块上电，通过4G模块连接到物联网平台，32位MCU将收集的采样数据通过4G模块发送到物联网平台；如果收到物联网平台的采样任务列表、采样上报策略等，32位MCU保存新的配置到FLASH，将采样任务列表发送给8位MCU。第二阶段完成后通知8位MCU将自身下电，之后LoRa网关进入休眠态，直至到达采样任务的采样时机。如果如果当前采样工作类型为动态采样，则32位MCU请求8位MCU同时给多通道LoRa模块和4G模块上电，收到监测数据时，立即上报给服务器；收集完所有LoRa节点的采样数据后，32位MCU通知8位MCU给32位MCU、4G模块、LoRa模块下电，切换为休眠态。

LoRa节点在LoRa网关完成‘初始’工作后，可以加入到LoRa网关的控制下：人工按下LoRa网关的同步按钮，进入同步态，同步态有两个任务：从物联网平台获取最新的采样任务列表等配置；接收节点的同步请求，同步节点的时间以及最新的采样任务信息。接着，8位MCU给32位MCU上电，32位MCU进入运行模式，根据8位MCU指示执行‘同步’工作，分为两阶段完成。第一阶段：请求8位MCU给4G模块上电，通过4G模块连接到物联网平台，接收物联网平台的采样任务列表、采样上报策略等配置，如果配置有更新，32位MCU保存新的配置到FLASH，将采样任务列表发送给8位MCU，之后通过8位MCU给4G模块下电。第二阶段：请求8位MCU给多通道LoRa模块通电，接收LoRa节点的同步请求；收到LoRa节点的同步请求，发送系统时间、LoRa空口配置、该节点的采样任务配置等发送给LoRa节点；所有LoRa节点完成同步后，32位MCU通知8位MCU将自身及LoRa模块下电。

针对工程结构的安全监测，多数时间LoRa节点无需执行采样，LoRa网关也无需接收节点的采样数据，LoRa网关也无需每次收集到采样数据后都将采样数据立即发送给物联网平台，因此该发明设计了采样任务及采样上报策略的配置方式，将LoRa网关设计成双MCU结构。LoRa网关到达采样任务时机时，32位MCU上电运行，其它时间段只有8位MCU低功耗运行，从而大大降低LoRa网关的整机功耗；4G模块的功耗在100mA以上，是整机中功耗最大的一个模块，采样任务运行时，收集到LoRa节点的采样数据后，根据采样上报策略判决是否需要启动4G模块将采样数据上报物联网平台，从而降低LoRa网关工作期间的功耗。

LoRa网关工作期间，不需所有模块都上电，或者整个工作期间模块都处于上电状态，通过独立的电源管理，降低LoRa网关在工作期间的功耗。

综上所述，本发明针对野外工程结构安全监测的特点，提出了一种基于双MCU、独立电源管理设计、采样任务设计的状态切换及工作流程设计实现超低功耗LoRa网关的设计方案。在LoRa网关工作期间（运行在工作态），通过采样上报策略的设计降低电流消耗：4G模块上报数据的电流消耗约占工作期间采样功耗的60%，以物联网平台配置采样10次后上报采样数据为例，可以降低工作期间电流消耗54%。独立的电源管理设计：LoRa模块的使用时间约占一次工作时长的50%，LoRa模块的电流消耗约战工作期间采样功耗的35%，使用完LoRa模块后将其下电，可以降低工作期间电流消耗的25%。图4示出了本发明所提供的LoRa网关在工作态与休眠态之间切换的功耗示意图，在LoRa网关运行在休眠态期间，通过双MCU的设计降低电流消耗：8位MCU在休眠模式下电流消耗2uA以下，而32位MCU电流消耗最低40uA，降低电流消耗95%。同时，本发明也对LoRa网关的配置进行了简化，LoRa网关出厂后“零配置”，运行所需的配置信息均从物联网平台接收。

实施例2

在本发明进一步的实施例中，我们给出针对于野外工程结构监测的应用实例。具体的，野外工程结构监测节点类型包括：“倾角计”、“温湿度计”、“位移计”、“裂缝计”、“静力水准仪”等；每个节点都有一个唯一的编号，对应配置里的node_id。下面根据一个网关的配置，描述一下网关和节点的工作流程（该配置在网关的初始态从服务器获得；节点组里的节点数量没有限制；采样任务列表里任务配置没有限制，参见表3）。

{

"节点组列表": [

{

"节点组编号": 0,

"节点组": [

{"节点编号": 1, "节点类型": "倾角计"},

{"节点编号": 2, "节点类型": "倾角计"},

{"节点编号": 3, "节点类型": "倾角计"}

]

},

{

"节点组编号": 1,

"节点组": [

{"节点编号": 4, "节点类型": "位移计"},

{"节点编号": 5, "节点类型": "位移计"},

{"节点编号": 6, "节点类型": "位移计"},

]

},

],

"采样任务列表": [

{

"采样任务编号": 0,

"节点组编号": 0,

"采样任务": {

"任务类型": "周期任务",

"任务周期": 7200,

"采样类型": "静态采样",

"采样次数": 1

}

},

{

"采样任务编号": 1,

"节点组编号": 1,

"采样任务": {

"任务类型": "定时任务",

"任务时机": "每天10:00:00",

"采样类型": "动态采样",

"采样频率": 10,

"采样时长": 600

}

}

],

"采样数据上报策略": {

"采样触发次数": 10,

"节点采样数据值门限": [

{"节点编号": 1,"数据值门限": [{"数据类型": "X轴倾角","值下限": -2.5,"值上限": 2.5},{"数据类型": "Y轴倾角","min": -1.5,"max":1.5}]},

{"节点编号": 2,"数据值门限": [{"数据类型": "X轴倾角","值下限": -2.5,"值上限": 2.5},{"数据类型": "Y轴倾角","min": -1.5,"max":1.5}]},

{"节点编号": 3,"数据值门限": [{"数据类型": "X轴倾角","值下限": -2.5,"值上限": 2.5},{"数据类型": "Y轴倾角","min": -1.5,"max":1.5}]},

{"节点编号": 4,"数据值门限": [{"数据类型": "位移","值下限": -5,"值上限": 5}]},

{"节点编号": 5,"数据值门限": [{"数据类型": "位移","值下限": -5,"值上限": 5}]},

{"节点编号": 6,"数据值门限": [{"数据类型": "位移","值下限": -5,"值上限": 5}]}

]

}

}

网关根据这个配置，可以获取如下信息：

1、网关控制两组节点，节点组0里有三个节点：节点1、节点2、节点3；节点组1里有三个节点：节点4、节点5、节点6；

2、网关需要执行两个采样任务，采样任务0用于节点组0，执行7200秒一次的周期任务，每个周期执行1次采样；采样任务1用于节点组1，每天10:00:00执行时长600秒的动态采样，采样频率10HZ（参见表3）；

3、网关收集到10次采样任务的数据后，向服务器上报10次采样任务所有的采样数据；或者收到节点1、节点2、节点3的X/Y轴倾角数据低于-2.5°或超过2.5°，则立即将保存的采样任务0所有采样数据上报至服务器；或者收到节点4、节点5、节点6的位移数据低于-5mm或超过5mm，则立即将保存的采样任务1所有的采样数据上报至服务器（参见表4）；

假设网关在1:00:00收到了这个配置，其工作流程如图5所示：

网关在3:00:00/5:00:00/7:00:00/9:00:00/11:00:00时（每7200秒），执行采样任务0：开启LoRa模块，收集节点1、节点2、节点3（节点组0）的采样数据，收集到10次数据（执行了10次采样任务0）、或者这几个节点的数据超过“节点采样数据值门限”里的值，网关开启4G模块，将节点1、节点2、节点3保存的采样数据上报至服务器；否则将采样数据保存到Flash中。执行完毕后，网关进入休眠态。

网关在每天的10:00:00，执行采样任务1：开启LoRa模块和4G模块，收集节点4、节点5、节点6（节点组1）的采样数据，持续600秒，将接收到的数据实时发送至服务器。执行完毕后，网关进入休眠态。

网关采用双MCU、采样任务、采样数据上报策略的设计，实现网关的超低功耗。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种LoRa网关控制方法，应用于野外工程结构监测中，其特征在于，所述方法包括：

A、进入初始工作状态，通过无线通信模块接收物联网平台下发的采样控制策略；解析所述采样控制策略，得到多个LoRa节点组的采样类型与参数、采样周期、以及采样数据上传机制；根据每个所述LoRa节点组的采样类型与参数对LoRa节点组进行采样参数配置，监测所述采样周期，给所述无线通信模块下电，网关进入休眠状态；其中，多个所述LoRa节点组的采样类型包括：静态采样以及动态采样；

B、当监测到到达某个所述采样周期时，网关进入采样工作状态，接收来自LoRa节点组的监测数据，采样任务执行次数加一；以及，根据执行静态采样任务的LoRa节点组的采样任务执行次数是否触发了所述采样数据上传机制，若是，则给所述无线通信模块上电，将所述LoRa节点组的监测数据上传至所述物联网平台，若否，则本地存储所述LoRa节点组的监测数据，网关进入休眠状态，等待进入下个采样周期；

其中，所述根据执行静态采样任务的LoRa节点组的采样任务执行次数是否触发了所述采样数据上传机制，包括：

判断执行静态采样任务的LoRa节点组的采样任务执行次数是否达到次数阈值，若是，则触发了所述采样数据上传机制，将所述LoRa节点组的监测数据上传至所述物联网平台；若否，则根据所述采样数据上传机制中的节点数据阈值对所述LoRa节点组的监测数据进行轮询，判断是否有节点的监测数据达到数据阈值，若是，则给所述无线通信模块上电，将达到所述LoRa节点组的监测数据上传至所述物联网平台；若否，则不触发所述采样数据上传机制。

2.根据权利要求1所述的LoRa网关控制方法，其特征在于，静态采样参数包括：每次采样时执行采样的次数；动态采样参数包括：采样时间频率。

3.一种采用权利要求1或2所述的LoRa网关控制方法进行野外工程结构监测的LoRa网关，其特征在于，包括：第二控制器、第一控制器、以及无线通信模块、LoRa通信模块；

其中，所述第二控制器包括：第一处理模块，第二处理模块，第三处理模块，存储模块；

所述第一处理模块与所述无线通信模块通讯连接，用于在初始工作状态时通过所述无线通信模块接收物联网平台下发的采样控制策略，并将所述采用控制策略发送至所述第二处理模块，以及，通过所述无线通信模块上传其接收到的监测数据；

所述第二处理模块用于接收并解析所述采样控制策略，并将解析结果发送至所述第三处理模块，以及，根据采样周期在所述第一控制器中配置定时器；以及，根据采样数据上传机制监测接收到的监测数据是否需要上传，若是，则将监测数据发送至第一处理模块；若否，则将监测数据发送至存储模块；

所述第三处理模块通过所述LoRa通信模块与多节点LoRa终端通讯连接，用于根据所述解析结果对多节点LoRa终端进行采样参数配置；以及，当网关进入采样工作状态时，通过LoRa通信模块接收来自所述多节点LoRa终端的监测数据，并将接收到的监测数据发送至第二处理模块；

所述存储模块，用于存储监测数据；

所述第一控制器的电源用于根据所述采样周期实现网关休眠状态与采样状态的切换，执行第二控制器、无线通信模块、LoRa通信模块的上/下电操作；

其中，所述第二控制器被配置为：在所述采样任务执行次数未达到次数阈值时，根据所述采样数据上传机制中的节点数据阈值对多个所述LoRa节点组的监测数据进行轮询，找到达到所述节点数据阈值的LoRa节点组，并给所述无线通信模块上电，将达到所述节点数据阈值的LoRa节点组的监测数据上传至所述物联网平台。

4.根据权利要求3所述的LoRa网关，其特征在于，所述第一控制器的功耗低于所述第二控制器的功耗。

5.根据权利要求4所述的LoRa网关，其特征在于，所述第一控制器采用8位MCU，所述第二控制器采用32位MCU。

6.根据权利要求3-5任一所述的LoRa网关，其特征在于，所述无线通信模块采用：4G模块。

7.一种野外工程结构监测系统，其特征在于，包括：如权利要求3-6任一所述的LoRa网关，以及，物联网平台、多节点LoRa终端；所述多节点LoRa终端包括：多个LoRa节点组；所述LoRa网关与所述物联网平台无线通讯连接，所述多节点LoRa终端与所述LoRa网关基于LoRa通讯连接；

所述物联网平台用于向所述LoRa网关下发采样控制策略；

所述LoRa网关用于采用权利要求1-3任一所述LoRa网关控制方法根据所述采样控制策略对多个所述LoRa节点组进行采样参数配置，以及，采集来自多个所述LoRa节点组的监测数据。

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