CN113395669A - 一种LoRa组网方法及节点集抄方法及网络服务器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种LoRa组网方法及节点集抄方法及网络服务器，属于无线通信网络领域，包括如下步骤：网关获取各节点的信号强度，并且上传到服务器；所述服务器根据各网关上传的各节点的信号强度，将节点分入对应网关的分组内；分组依据包括，一个节点仅分入一个网关的组内，且对应节点的信号强度值处于该组对应的接收灵敏度值设定范围内；调整各个分组中各个节点的灵敏度，使该组各节点的接收灵敏度值不高于该组所有节点的最小信号强度(同一组内分配相同的通信参数，即相同的通信速率和接收灵敏度)。本发明保证了节点与网关间的可靠通信，消除了信号盲区。

Description

一种LoRa组网方法及节点集抄方法及网络服务器
技术领域
本发明涉及一种LoRa组网方法及节点集抄方法及网络服务器，属于无线通信网络领域。
背景技术
LoRa网络系统一般由网络服务器、网关和终端节点组成，网关一般通过4G/3G/GPRS和网络服务器连接，通过LoRa无线扩频通讯技术和终端节点连接。网关和终端节点为星型网络拓补结构，网关或者由SX1301实现的高成本LoRa WAN网关，或者由普通的LoRa模块(比如sx1278)实现的低成本网关。
由普通的LoRa模块实现的网关，通常网关和网关下的节点工作在同一速率频段，理论上通讯速率和期望功耗成反比，和通信距离也成反比，即通信速率越快功耗越低通信距离越近，为了达到功耗和通信距离的平衡，现有LoRa组网时往往对通信距离取一中间值，但由于终端的分散性及安装环境的复杂性，仍会有个别较远节点会出现信号盲点，无法和网关稳定的通信，增加网关或中继器又增加了成本。
而LoRaWan技术复杂度较高，硬件较贵，适用于较大型的组网场景，且LoRaWan网络中，仅终端节点可以使用低功耗模块，无法适用于对网关功耗要求较高的场景。
发明内容
本发明的目的是提供一种LoRa组网方法及网络服务器，用于解决现有技术进行LoRa组网会存在信号盲点的问题；还提供了一种LoRa节点集抄方法，用于解决现有技术LoRa网络下，存在信号盲点影响集抄的问题。
为实现上述目的，本发明的方案包括：
本发明的一种LoRa组网方法，包括如下步骤：
1)网关获取各节点的信号强度，并且上传到服务器；
2)所述服务器根据各网关上传的各节点的信号强度，将节点分入对应网关的分组内；分组依据包括，一个节点仅分入一个网关的组内，且对应节点的信号强度值处于该组对应的接收灵敏度值设定范围内；
3)调整各个分组中各个节点的灵敏度，使该组各节点的接收灵敏度值不高于该组所有节点的最小信号强度。
本发明基于网关下各节点的信号强度调节对应的参数，保证可靠通信；具体的，对节点进行分组，针对各组节点的信号强度情况调整该组节点的灵敏度，兼顾通信功耗的同时保证每个节点的可靠通信，不会出现信号盲区。
进一步的，步骤1)中，所述服务器还根据各网关上传的同一节点的信号强度，将节点优先分配给信号强度大的网关。
提前将节点分给信号更好的网关，保证可靠通信的同时进一步降低功耗。
进一步的，步骤3)中，通过调整节点的传输速率来调整节点的接收灵敏度。
节点的传输速率与接收灵敏度成反比，传输速率越慢则灵敏度越高，同时由于增加了传输时间，功耗也变高。
进一步的，调整节点的传输速率的方法为，调整各节点的扩频因子。
进一步的，所述服务器对各个节点分配网络信息，所述网络信息包括该节点分入的网关信息和该节点在该网关下的分组信息。
进一步的，所述网关包括两个LoRa模块，分别工作于接收状态和发送状态。
网关的两个LoRa模块分别处于上下行信道，对节点集抄过程中不切换频段的情况下收发数据，从而避免漏接收节点的上报数据。
进一步的，无操作时，网关的LoRa模块休眠，定时上报心跳数据给服务器。
进一步的，无操作时，节点处于休眠状态，节点定时对所属信道进行侦听。
节点周期性的进行“休眠--CAD侦听”，可同时侦听2个信道：默认信道、组内工作信道，确保任何情况下能被成功唤醒而不失联。
本发明的一种节点集抄方法，同一网关下各节点以组为单位以相同的传输速率依次上报数据，各组内的节点的信号强度处于该组对应的接收灵敏度设定范围内；各组内各节点的接收灵敏度值不高于该组所有节点的最小信号强度。
本发明的节点集抄方法保证了节点的可靠通信。
本发明的一种LoRa网络服务器，服务器通过网关获取各节点的信号强度；并根据各网关上传的各节点的信号强度，将节点分入对应网关的分组内；分组依据包括，一个节点仅分入一个网关的组内，且对应节点的信号强度处于该组对应的接收灵敏度设定范围内；并调整各个分组中各个节点的灵敏度，使该组各节点的接收灵敏度值不高于该组所有节点的最小信号强度。
本发明的LoRa服务器保证了所属的网关下的节点的可靠通信，消除了信号强度弱的区域的通信盲区。
附图说明
图1是LoRa网络拓扑结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
组网方法实施例：
如图1所示，LoRa网络由网络服务器NS(network server)、网关、终端节点三部分组成。网关通过4G模块(或3G、GPRS等)和服务器NS通信，通过LoRa模块和终端节点通信。本发明中，网关上设置2个LoRa模块，分别工作在上、下行频段的收发状态；终端节点有1个LoRa模块，在收发数据时切换频段。
LoRa组网的现场情况是：一般情况下同一区域有多台网关和大批量的终端节点，两台网关之间可能有信号覆盖重叠的区域。
本发明的LoRa组网方法，包括如下步骤：
步骤S1：服务器NS命令各个网关分时读取节点的信号强度RSSI(Received SignalStrength Indicator)。
S1.1)网关收到服务器NS发出的读取信号强度的命令后在默认频段唤醒节点，然后发送对应指令；S1.2)节点在收到后以CSMA/CA(载波侦听多路访问/冲突避免)的方式上报信号强度RSSI；S1.3)网关收到后带上路由信息(本设备地址)上报服务器NS。
步骤S2：服务器NS分配网络信息。
S2.1)服务器NS收到各个网关上报的各个节点的信号强度RSSI，同一节点，可能通过多个网关上报信号强度RSSI，服务器NS将该节点分配给信号较好的网关。
S2.2)服务器NS对每个网关分出若干组，本实施例中，具体分为6组，每组设定信号强度阈值(或者灵敏度阈值)，具体如下表所示：
Figure BDA0002407674140000041
无线传输中，信号强度RSSI指的是接收到的信号强度，即本申请中网关接收到对应节点(或节点接收网关指令)的信号强度，即节点的信号强度是指特定节点与特定网关之间的信号强度。且节点的信号强度一般是由网关到该节点的通信环境决定的，通信环境不变的情况下，节点的信号强度一般不会改变(单次通信稍有变化，总体不变)；例如，网关到某一节点的距离较远且中间有墙壁阻挡，同时还存在一定程度的干扰，则该节点信号强度较低且在干扰不消失、网关和节点位置不变的情况下，该节点的信号强度不会改变(单次通信稍有变化，总体不变)。
而灵敏度(接收灵敏度)一般是指接收机(本申请中为节点)在一定误码率要求的范围内所能处理的最小接收信号(最小信号强度的接收信号)。也就是说，只要接收机的灵敏度值小于接收机接收到发射机的信号强度值，即可保证正常通信。
接收灵敏度和信号强度dbm(表示功率绝对值的单位)的值是一个不大于0的负数，因此，对于单位为-dbm的信号强度数值(相当于单位为dbm的信号强度值的绝对值)来说，数值越小代表信号越好；而对于接收灵敏度来说，单位为-dbm的接收灵敏度数值(相当于单位为dbm的接收灵敏度值的绝对值)来说，数值越大代表灵敏度越高，越能识别远距离的更加微弱的信号(信号强度-dbm数值大的信号)。
因此，对于本方案来说，只要各个节点的接收灵敏度数值(-dpm)高于网关与对应节点之间的信号强度数值(-dpm)，或者说只要各个节点的接收灵敏度值(dpm)低于网关与对应节点之间的信号强度值(dpm)，即可实现网关与对应各节点的正常通信，消除信号盲点。
通过改变传输速率，能够改变各节点的灵敏度。一般来说，传输速率越低，接收灵敏度越高；传输速率越高，灵敏度就越低。而传输速率高，意味着更快的节点响应速度，带来更好的用户体验；而传输速率低，会导致更长的传输时间，造成节点反应速度慢，且长传输时间会导致较高的功耗
因此，本发明的核心构思是，根据网关与信号节点之间的信号强弱(信号强度-dbm数值越小，信号越强)，将节点分成数个组，对于信号较强的组(例如上表中的①组、②组)，信号强则不需要节点具有较高的接收灵敏度，则调高其传输速率，虽然接收灵敏度降低但因为信号良好，依然可以保证能够正常通信，同时高传输速率带来较低的功耗和较快的节点反应速度。对于信号较弱的组(例如上表中的⑤组、⑥组)，其中节点到网关距离较远，信号较差，容易出现通信异常成为信号盲点，为了避免这样的问题，则调低其传输速率，升高其接收灵敏度，功耗、响应速度与可靠通信之间优先保证可靠的通信，防止其失联成为信号盲点。
基于上述构思，本实施例中对上表中不同的组分配不同的传输速率，具体可以为，在一个组内分配第一个节点的时候，根据该节点的信号强度分配影响该节点接收灵敏度的通信参数，即确定了该组所有节点的传输速率(通信速率)和接收灵敏度。影响LoRa节点接收灵敏度的参数有带宽BW(Band Width)和扩频因子SF(Spreading Factor)。本实施例中，将带宽BW取恒定值7(实际应用中可取0～9)，则影响LoRa接收灵敏度的参数只有扩频因子SF，对上表中不同的组设定不同的扩频因子SF标准，各组中的所有节点均按照本组标准进行扩频因子SF的设定，即实现了不同组不同传输速率的分配。具体分配方案如下表所示：
Figure BDA0002407674140000051
扩频因子SF与传输速率成反比，因此扩频因子SF越小，传输速率越大。按照上表对每台网关下的所有节点根据信号强度分组，分组后确定各组的扩频因子SF，再按照各组的扩频因子SF对各组的所有节点进行设置，即可实现根据节点信号强度的强弱，对应为节点分配合适的传输速率，保证所有节点均能够可靠通信无信号盲点的前提下，让信号好、有加快传输速率条件的节点加快传输速率，且加快后的灵敏度依然满足其当前信号强度下的通信需求。对于信号强度差的节点，减慢其传输速率，优先保证可靠的通信。相比于现有技术为了平衡功耗和通信距离，对于传输速率一刀切的取一中间值的做法，在不增加成本的基础上，首先保证了所有节点的通信可靠性，消除了信号盲点，又降低了信号强度好的节点的功耗和响应速度。
作为其他实施例，也可以考虑将扩频因子SF取恒定值，而对各组设置不同的带宽BW标准来设置各组的传输速率；或者根据实际组网情况，同时对各组设定不同的带宽BW和扩频因子SF标准来设置各组的传输速率。但是，同时调整带宽BW和扩频因子SF对节点传输速率影响较小，因此一般情况下对带宽BW和扩频因子SF一个取恒定值，而改变另一个参数来调整通信速率。
此外，节点的接收灵敏度不能无限制的提高，因此对于信号差(信号强度弱)的节点来说，不能一味的通过降低通信速率、提高灵敏度的方法来满足该节点与网关的通信要求。且灵敏度越高，传输速率就越低，而传输速率低就导致更长的传输时间，长传输时间会导致较高的功耗和较慢的节点响应速度。因此，对于本实施例来说，考虑到功耗响应速度等因素，将节点的灵敏度上限设为-140dbm，足以满足一般应用场景的需要，当节点距离网关太远信号太差时，应当考虑该节点附近增加网关来解决。
服务器NS根据上述原则对各个网关下的各个节点进行分组后，按照各网关各组扩频因子SF标准对该组节点进行参数设置，完成网络信息分配。网络信息包括：网络号、组索引、表索引。
本实施例中，网络信息分配还应遵循以下原则，每台网关下管理的节点最大分为10个组，每组最多管理256个节点；若某个信号强度阈值下的组节点数达到上限(即组已满)，则可以创建新的相同信号强度阈值的组，多个相同信号强度阈值的组的扩频因子SF标准也应当相同。
本实施例中，为节省功耗，平时网关LoRa模块休眠、4G模块关闭，定期上报心跳包给服务器NS。服务器NS定期以组为单位对终端节点进行集抄；集抄时组内的节点按照自己在组内的编号依次上报数据，同时网关的2个LoRa模块分别工作于该组上、下行频段的收、发状态，集抄过程中不切换频段的情况下收发数据，从而避免漏接收节点的上报数据。
无操作时，节点处于静默状态，周期性的进行“休眠--CAD侦听”，可同时侦听2个信道：默认信道、组内工作信道，确保任何情况下能被成功唤醒而不失联。网关集抄时，集抄的时间可以设置，比如一天一次1:00开始抄表，多天一次3:00开始抄表，等。
本实施例中，节点具有冲突离网机制：网关下发网络信息时，在默认频段发送唤醒帧和命令，当节点收到和自己的网络信息一致且不是发送给自己时，判定为网络冲突，离网，网络信息恢复成出厂状态。
本发明的优势在于：1、服务器NS根据网关上报的临近终端节点的信号质量，自动实现终端节点网络分配和网间协调，而传统的组网方式多以单个网关对范围内节点实现自组网，通过主站服务器人工干预方式实现网间协调，组网过程较慢，人工干预较多，且后期维护不便；2、本发明仅需采用低成本的LoRa模块、简单的算法，实现网络的最优分配，解决部分节点信号盲点的问题。
集抄方法实施例：
本发明的网关按照上述组网方法实施例对节点进行分组并组网，在集抄时，以组为单位集抄，每组集抄时按照该组设定的传输速率依次上报数据。具体的，网关唤醒该组节点，并下发相应业务报文开始集抄，各节点按照组网时在各组分配的序号依次上传数据，例如1号节点在唤醒后立即上传数据，2号节点延时设定的时间(等待1号节点完成上传)上传数据，n号节点延时n-1个节点完成上传数据的时间后开始上传，最终完成集抄。组网方法已经在组网方法实施例中描述的足够清楚，此处不再赘述。
网络服务器实施例：
服务器控制各网关各节点按照本发明的组网方法完成组网，本发明的组网方法已经在组网方法实施例中描述的足够清楚，此处不再赘述。

Claims (10)

1.一种LoRa组网方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)网关获取各节点的信号强度，并且上传到服务器；
2)所述服务器根据各网关上传的各节点的信号强度，将节点分入对应网关的分组内；分组依据包括，一个节点仅分入一个网关的组内，且对应节点的信号强度值处于该组对应的接收灵敏度值设定范围内；
3)调整各个分组中各个节点的接收灵敏度，使该组各节点的接收灵敏度值不高于该组所有节点的最小信号强度。
2.根据权利要求1所述的LoRa组网方法，其特征在于，步骤1)中，所述服务器还根据各网关上传的同一节点的信号强度，将节点优先分配给信号强度大的网关。
3.根据权利要求1所述的LoRa组网方法，其特征在于，步骤3)中，通过调整节点的传输速率来调整节点的接收灵敏度。
4.根据权利要求3所述的LoRa组网方法，其特征在于，调整节点的传输速率的方法为，调整各节点的扩频因子。
5.根据权利要求1所述的LoRa组网方法，其特征在于，所述服务器对各个节点分配网络信息，所述网络信息包括该节点分入的网关信息和该节点在该网关下的分组信息。
6.根据权利要求1所述的LoRa组网方法，其特征在于，所述网关包括两个LoRa模块，分别工作于接收状态和发送状态。
7.根据权利要求6所述的LoRa组网方法，其特征在于，无操作时，网关的LoRa模块休眠，定时上报心跳数据给服务器。
8.根据权利要求1所述的LoRa组网方法，其特征在于，无操作时，节点处于休眠状态，节点定时对所属信道进行侦听。
9.一种节点集抄方法，其特征在于，同一网关下各节点以组为单位以相同的传输速率依次上报数据，各组内的节点的信号强度处于该组对应的接收灵敏度设定范围内；各组内各节点的接收灵敏度值不高于该组所有节点的最小信号强度。
10.一种LoRa网络服务器，其特征在于，服务器通过网关获取各节点的信号强度；并根据各网关上传的各节点的信号强度，将节点分入对应网关的分组内；分组依据包括，一个节点仅分入一个网关的组内，且对应节点的信号强度处于该组对应的接收灵敏度设定范围内；并调整各个分组中各个节点的灵敏度，使该组各节点的接收灵敏度值不高于该组所有节点的最小信号强度。
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