CN113595952A - 一种基于混合调制的自组网通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于混合调制的自组网通信方法，所述方法采用LoRa与FSK混合调制模式，通过FSK调制模式传输包含了前导码与同步字的唤醒信息，通过判断前导码和同步字确定哪个设备需要被唤醒，在确定被唤醒的情况下，切换到LoRa通信模式进行数据交互，从而避免了误唤醒和功率消耗过大的问题。

Description

一种基于混合调制的自组网通信方法

技术领域

本发明属于通信领域，涉及一种基于混合调制的自组网通信方法，尤其涉及一种采用LoRa与FSK混合调制的自组网通信方法。

背景技术

物联网作为数字经济的基础设施，是企业数字化转型的重要手段，也是推动各国经济复苏的重要举措，物联网在经济发展中的地位在不断的提升，数字经济在各国的GDP占比也在不断增加。

数据传输是物联网的基础技术，是提高企业数字化的重要支撑，其发展水平直接影响着物联网的发展速度。从覆盖范围上划分可分为局域网、城域网和广域网。LoRa属于广域网的一种。LoRa以其传输距离远、功耗低等特点被广泛应用。常用的LoRa低功耗的处理方法是采用前导码检测的方法。这种方式能够解决大多数的应用场景，但如果在一些特殊的场景，这种方式就会存在一些弊端。

对于传统的LoRaWAN和低功耗处理方式存在以下问题：

1.传统LoRaWAN消耗资源较多，对网关配置要求高，投入成本偏高；

2.传统前导码检测方式在设备较多时，同信道和通扩频因子的设备会被误唤醒，增加功耗。

发明内容

为克服现存的基于LoRa通信来唤醒设备的方式易产生设备的误唤醒，且产生功耗也大，因此本发明公开了一种基于混合调制的自组网通信方法。

本发明所述基于混合调制的自组网通信方法，采用LoRa与FSK混合调制的方式，并对唤醒信息中的前导码与同步字混合检测，从而解决误唤醒和功耗大的问题。

本发明采用以下技术方案：

服务器端采用LoRa通信向中继设备发送唤醒信息1；

所述中继设备信接收所述唤醒信息1后，向终端设备发送唤醒信息2；

所述终端设备在周期性唤醒时，所述终端设备在FSK调制模式下接收所述中继设备发送的唤醒信息2；

所述终端设备对接收的所述唤醒信息2进行匹配判断，在判断匹配成功时将制式切换为LoRa模式；

所述终端设备在LoRa模式下与所述服务器端进行数据交互。

进一步，所述唤醒信息1是通过LoRa通信协议进行数据传输的数据帧。

进一步，所述唤醒信息2是通过FSK通信协议进行数据传输的数据帧，其中包含了前导码、同步字。

进一步，所述终端设备对接收的所述唤醒信息2进行匹配判断具体包括如下过程：

判断前导码是否匹配，在匹配失败的情况下，进入休眠状态，在匹配成功的情况下，继续判断同步字是否匹配，在匹配失败的情况下，进入休眠状态，在匹配成功的情况下，则可以进入后续模式切换过程。

进一步，在所述步骤1所述服务器端采用LoRa通信向中继设备发送唤醒信息1之前，所述终端设备在LoRa模式接入网络，具体为：

终端设备广播初始报文1，初始报文1中包含了设备地址、信道、扩频因子的数据；

所述服务器端的网关接收到终端设备广播的初始报文1的数据之后，根据既定规则形成新的报文2；报文2中包含了网关给设备分配的数据；

终端设备解析报文2，并且发送入网完的报文3，报文3中包含了设备入网完成的数据。

进一步，所述终端设备通过蓝牙通信与蓝牙通信网关进行通信，通过蓝牙通信实现精准的蓝牙定位。

综上所述，本发明有如下效果：

1.由于传统的LoRa调制模式在设备众多时，会出现大量误唤醒的情况，会消耗设备的大部分功耗，无法实现超长待机，本发明采用LoRa与FSK混合调制的设计，避免了设备的误唤醒，进一步降低了功耗。

2.在LoRa调制模式下，前导码能解决定时唤醒的问题，但却会引入被误唤醒的新问题，因此芯片在休眠周期性唤醒时，本发明配置芯片进入FSK调制模式，利用其字段中的同步字来区分具体的设备。当同步字匹配时，在切换到LoRa模式，从而实现远距离的传输。

3.由于FSK调试模式的传输距离不如LoRa远，在较大的厂区，可能存在数据接收不到的情况。因此，本发明设计了具有LoRa与FSK两种调制模式的中继设备。利用网关、中继和终端设备，自定义组网协议，实现基于混合调制模式的自组网，避免大范围内数据接收不到的情况。

附图说明

图1示出依据本发明的基于混合调制的自组网通信方法的流程图。

图2示出依据本发明的唤醒信息2的数据帧。

图3示出依据本发明的终端设备的唤醒判断过程。

图4示出依据本发明的终端设备入网的流程图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明亦可通过其他不同的具体实施例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰和变更。

如图1所示，基于混合调制的自组网通信方法的流程图：

步骤11，服务器端在LoRa制式下采用LoRa通信向中继设备发送唤醒信息1；唤醒信息1是常规的LoRa通信中用来唤醒设备的通信信息；其中服务器端可以是服务器端的网关设备，这样的网关设备支持LoRa通信；

步骤12，所述中继设备接收所述唤醒信息1后向终端设备发送唤醒信息2；唤醒信息2可以是包含了前导码和同步字的数据帧；其中同步字可以用来唯一确定终端设备；

步骤13，所述终端设备在周期性唤醒时，所述终端设备在FSK调制模式下接收所述中继设备发送的唤醒信息2；

步骤14，所述终端设备对接收的所述唤醒信息2进行匹配判断，在判断匹配成功时将制式切换为LoRa模式；

在匹配判断中，具体是通过匹配前导码和同步字，若前导码匹配不成功，终端设备直接进入休眠状态，不再判断同步字；若前导码匹配成功，但同步字匹配失败，则终端设备也直接进入休眠状态，只有前导码和同步字都匹配成功时，终端设备才准备进行组网通信，组网通信时，终端设备将FSK调制模式切换为LoRa模式，并使用LoRa模式与服务器进行组网通信。

步骤15，所述终端设备在LoRa模式下与服务器端的LoRa网关设备进行数据交互。

如图2所示，是采用FSK调制模式传输唤醒信息2的一种数据帧。

唤醒信息2是包含了前导码和同步字的数据帧，具体包含了8-65535位的前导码、0-8个字节的同步字，1个字节的长度，0-1字节的地址、0-255字节的载荷、0,1或2个字节的CRC。

如图3所示，是终端设备进行详细的唤醒判断过程。

步骤31，终端设备在上电后进行设备的外设初始化操作，进行默认的配置；

步骤32，终端设备还需要进行RTC闹钟配置；

步骤33，终端设备根据RTC闹钟的配置进行周期的唤醒

步骤34，终端设备处于唤醒状态下时，将自身的调制修改为FSK调制模式，等待FSK调制的通信；

步骤35，终端设备接收到来自中继设备通过FSK调制传输的的唤醒信息2后，首先判断唤醒信息2中的前导码是否匹配成功，若匹配失败，则转到步骤6，若匹配成功，则转到步骤7；

步骤36，终端设备在匹配失败的情况下转到休眠状态，进入周期性的唤醒过程中，也即进入步骤33；

步骤37，终端设备在匹配成功后，继续判断唤醒信息2中的同步字是否匹配成功，若匹配失败，则转到步骤38，若匹配成功，则转到步骤39；

步骤38，终端设备在匹配失败的情况下转到休眠状态，进入周期性的唤醒过程中，也即进入步骤33；

步骤39，终端设备在匹配成功后，将终端设备的通信制式切换为LoRa调制制式；

步骤310，终端设备在LoRa模式下接收数据并处理；具体是终端设备进行组网接入的通信以及后续LoRa的通信。

在所述步骤11所述服务器端采用LoRa通信向中继设备发送唤醒信息1之前，所述终端设备在LoRa模式接入网络，如图4所示，终端设备在LoRa调制制式下通过LoRa进行通信入网的流程图，具体流程如下：

步骤41，终端设备广播初始报文1，初始报文1可以是包含了设备地址、信道、扩频因子在内的数据；

步骤42，服务端的网关接收到终端设备广播的初始报文1的数据之后，根据既定规则形成新的报文2；报文2中包含了网关给设备分配的数据；

步骤43，终端设备解析报文2，并且发送入网完的报文3，报文3包含设备入网完成的数据。

通过上述步骤终端设备即可完成入网的接入。

终端设备通过LoRa接入网后，中继设备、服务器端的网关设备、终端设备即可通过LoRa进行通信，且通信过程中所使用的数据帧如下表所示：

考虑到在大范围场景下，仅仅通过LoRa通信无法精确确定到终端设备的位置，只能确定一个大概的范围，但是精确的范围无法确定，因此考虑在终端设备中加入蓝牙模块，通过蓝牙来实现精确的定位，具体通过安装多个蓝牙网关，通过终端设备与蓝牙网关的通信来确定得到一个精确的定位。

综上所述，本发明提出了一种基于混合调制的自组网通信方法，传统单一的LoRa调制模式在特殊场景中的应用存在一定的缺陷，这会造成误唤醒和功耗的浪费，因此本发明使用了混合调制的方式。在终端设备周期性唤醒时，采用了FSK调试方式。在FSK调制模式下，数据帧格式如附图二所示。其中前导码可根据唤醒周期设置长度。前导码长度的合理设置可以确保设备在低功耗模式下数据仍然不丢失；接着就是同步字的设置，同步字最长可设置八个字节，通过同步字可以区分每个设备，可确保设备不被误唤醒。结合LoRa与FSK混合调制、前导码与同步字混合检测设计需求，本发明设计了其通信步骤，终端设备每次唤醒并接收数据都会依照相应流程执行，其工作流程图如附图三所示。附图三展示了混合调制的切换过程，以及混合检测的步骤。以上解决了传统LoRa在休眠时被误唤醒的问题。当传输距离过远时，本发明还要考虑组网与中继的问题，基于混合调制设计了自组网系统，并利用中继扩大了其传输距离。终端设备完成入网后，自定了数据帧结构，利用中继设备完成了厂区内的终端设备自组网。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于混合调制的自组网通信方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：服务器端采用LoRa通信向中继设备发送唤醒信息1；

步骤2：所述中继设备信接收所述唤醒信息1后，向终端设备发送唤醒信息2；

步骤3：所述终端设备在周期性唤醒时，所述终端设备在FSK调制模式下接收所述中继设备发送的唤醒信息2；

步骤4：所述终端设备对接收的所述唤醒信息2进行匹配判断，在判断匹配成功时将制式切换为LoRa模式；

步骤5：所述终端设备在LoRa模式下与所述服务器端进行数据交互。

2.如权利要求1所述的基于混合调制的自组网通信方法，其特征在于：所述唤醒信息1是通过LoRa通信协议进行数据传输的数据帧。

3.如权利要求2所述的基于混合调制的自组网通信方法，其特征在于：所述唤醒信息2是通过FSK通信协议进行数据传输的数据帧，其中包含了前导码、同步字。

4.如权利要求3所述的基于混合调制的自组网通信方法，其特征在于：所述终端设备对接收的所述唤醒信息2进行匹配判断具体包括如下过程：

判断前导码是否匹配，在匹配失败的情况下，进入休眠状态，在匹配成功的情况下，继续判断同步字是否匹配，在匹配失败的情况下，进入休眠状态，在匹配成功的情况下，则可以进入后续模式切换过程。

5.如权利要求4所述的基于混合调制的自组网通信方法，其特征在于：在所述步骤1所述服务器端采用LoRa通信向中继设备发送唤醒信息1之前，所述终端设备在LoRa模式接入网络，具体为：

所述终端设备广播初始报文1，初始报文1中包含了设备地址、信道、扩频因子的数据；

所述服务器端的网关接收到终端设备广播的初始报文1的数据之后，根据既定规则形成新的报文2；报文2中包含了网关给设备分配的数据；

所述终端设备解析报文2，并且发送入网完的报文3，报文3中包含了设备入网完成的数据。

6.如权利要求5所述的基于混合调制的自组网通信方法，其特征在于：所述终端设备通过蓝牙通信与蓝牙通信网关进行通信，通过蓝牙通信实现精准的蓝牙定位。

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