CN113965991A - 一种基于LoRaWan的节点定位实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于LoRaWan的节点定位实现方法，涉及物联网技术领域。包括以下步骤：构建组网；确认服务端相对于每一网关的时延时间，对网关进行校时；网关合并时间戳、网关的位置信息后组成一组数据上传给服务端；服务端收到由不同网关上传的数据，形成一帧节点定位原始数据；取同一帧节点定位原始数据中的两组数据，根据时间戳分别求解所述节点设备到网关的距离，并求得两个距离的差值；结合两个网关的位置信息和差值求解节点设备的第一轨迹和第二轨迹；求解第一轨迹和第二轨迹的交点，即为节点设备的位置。本发明在不需要额外增加元器件，也不需要额外的报文来定位，不影响节点的功耗、成本以及组网容量的情况下完成节点的定位。

Description

一种基于LoRaWan的节点定位实现方法

技术领域

本发明涉及物联网技术领域，尤其涉及一种基于LoRaWan的节点定位实现方法。

背景技术

LoRaWan是一种具备网络管理功能的物联网技术。它以LoRa射频为依托，形成以节点、网关以及服务的组网技术。在目前的LoraWan网络中，节点定位也是网络中一项重要技术。如图1所示，LoraWan节点Node1发出的报文Msg在上传时，可以被多个网关GW1-GW3捕获并上传至服务端LoRaWan Service，但服务端只会选择其中的一个网关进行报文应答，因此，传统的多基站定位方法并不适用。目前主要采用以下三种方案进行节点定位：

1、在节点设备上增加定位模组，节点通过定位模组获取定位信息，然后将定位信息上传至LoraWan服务端，就可以得到节点的位置信息。这种方案会增加节点成本和功耗，这对功耗和成本敏感的项目，难以适用。

2、服务端下发一个定位报文，网关在发送报文的时候，记录下时间戳，上传至服务端。同时，节点在收到定位报文时，马上应答一个ACK报文，网关在收到ACK报文时，记录下时间戳，上传至服务端，服务端依据两个时间戳计算出节点相对网关的位置。这种方案额外增加了一条定位指令，增加了网络负担；其次，对于低功耗节点，无法实时应答服务的定位指令报文；最后，考虑到节点可能会有移动，对服务何时下发定位报文也提出了考验。

3、在节点设备上增加一个高精度RTC芯片，节点在发送报文时，携带发送时间戳。网关收到节点报文时，记录接收时间戳，并将两个时间戳上传至服务端，服务端依据这两个时间戳计算出节点相对网关的位置。这种方案的主要问题在于校时效率上；当节点接入网络时，首先需要和服务端进行校时步骤，一个正常的校时流程，需要节点和服务进行多次交互，占用网络带宽。当网络内节点数量较多时，会造成校时失败率较高，继而影响其他正常节点通讯，这导致网络容量下降、节点功耗提升的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于LoRaWan的节点定位实现方法，在不需要额外增加元器件，也不需要额外的报文来定位，不影响节点的功耗、成本以及组网容量的情况下完成节点的定位。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于LoRaWan的节点定位实现方法，包括以下步骤：

S1，构建组网，每一节点设备被至少3个不在同一直线上的网关的信号覆盖；

S2，确认服务端相对于每一网关的时延时间，对网关进行校时；

S3，网关接受到同一节点设备发出的报文，合并时间戳、网关的位置信息后组成一组数据上传给服务端；

S4，服务端收到由不同网关上传的数据，解析出同一个节点设备发出的报文，提取时间戳和网关位置，形成一帧节点定位原始数据；

S5，取同一帧节点定位原始数据中的两组数据，根据时间戳分别求解所述节点设备到网关的距离，并求得两个距离的差值；结合两个网关的位置信息和差值求解节点设备的第一轨迹；

S6，取与S5不完全相同的两组数据，按照S5的方法求解节点设备的第二轨迹；

S7，求解第一轨迹和第二轨迹的交点，即为节点设备的位置。

进一步的，所述S2中时延时间的确认方法如下：服务端下发时延测试报文，并记录发送时间；网关收到时延测试报文后立即回发时延测试应答报文给服务端，服务端收到时延测试应答报文并记录接收时间，所述发送时间与接收时间的差值除以2即为所述时延时间。

进一步的，所述时延时间的确认进行多次，得到多个时延时间，剔除异常值、最大值、最小值后取平均值作为最终的时延时间。

进一步的，所述S2中对网关进行校时的方法如下：服务端发起校时指令，将服务端的本地时间和时延时间一起发送给网关，网关收到校时指令后，将网关的本地时间设置为服务端的本地时间加上时延时间。

进一步的，所述S2中还包括：

S21，对所述校时进行验证；在回发校时应答报文给服务端的同时，网关读取网关的本地时间作为时间戳一并发送；服务端收到校时应答报文时，计算所述时间戳加上所述时延时间作为理论时间，并比较所述理论时间与当前的服务器的本地时间，若两者的差值小于预先设定的允许误差，则判定校时成功。

进一步的，所述S5中两个距离的差值的计算方法如下：解析两组数据中的时间戳，计算两个时间戳的差值乘以光速，即为节点设备到两个网关的距离的差值。

进一步的，所述第一轨迹/第二轨迹的求解过程如下：根据所述节点设备到两个网关的距离的差值大小，存在以下3中情形：

若所述节点设备到两个网关的距离的差值为0，则第一轨迹/第二轨迹为两个网关连接而成的线段的中垂线；

若所述节点设备到两个网关的距离的差值大于0，且小于两个网关的直线距离，则第一轨迹/第二轨迹为以两个网关为焦点的双曲线；

若所述节点设备到两个网关的距离的差值等于两个网关的直线距离，则第一轨迹/第二轨迹为以两个网关为端点，沿两个网关连线方向向外延伸的射线。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过对网关进行校时，校时完成后，网关的本地时间等于服务端的本地时间，并以网关收到报文时的本地时间作为时间戳发送给服务端，避免了因网关与服务端的连接网络不稳定导致延时时间浮动产生的误差，在不需要额外增加元器件，也不需要额外的报文来定位，不影响节点的功耗、成本以及组网容量的情况下提高了节点定位的精度。

附图说明

图1为现有的LoRaWan组网示意图。

图2为本发明一实施例的网关校时流程图。

图3为本发明一实施例的定位原始数据帧示意图。

图4为本发明一实施例的节点设备相对两个网关的轨迹示意图。

图5为本发明一实施例的双轨迹定位节点设备位置示意图。

具体实施方式

下面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。

请参阅图，本实施例提供一种基于LoRaWan的节点定位实现方法，包括以下步骤：

S1，构建组网，如图1所示，在工程实施中，为了保证良好的网络效率，一般建议每一节点设备被至少3个不在同一直线上的网关的信号覆盖，这一点与本实施例的部署是契合的；网关自带定位装置，可以通过定位装置将自己的位置信息发送给服务端。一个节点Node1发出的报文Msg，可以被信号覆盖的所有网关都接收到。

S2，确认服务端相对于每一网关的时延时间，对网关进行校时。

在LoRaWan网络中，网关和服务端走TCP/IP协议，采用有线、4G或者5G连接，所以网关和服务校时指令的交互，对组网整体基本不存在影响。同时，在一个组网场景中，部署的网关数量并不多，而网关的性能一般是比较强大的，相较于在节点设备中增加高精度RTC芯片，在网关上更换高精度的RTC芯片对成本的影响也可以忽略不计。

网关定位装置也支持网络时间的同步，但同步网络时间无法确定时延时间，这将会造成一定的误差；而LoraWan服务所在的服务端同步的网络时间源与定位装置的时间源可能不一致，这也会造成一定的误差。考虑到，在LoraWan网络中，网关和服务的时间只要保持相对一致，即所以网关以服务的时间为同步基准，那么在一定程度上，就消除了不同时间源校时带来的误差影响。

如图2所示，网关请求入网，认证通过后首先进行时延参数的确认，这个时延时间是由传输过程、处理过程引起的，不同网关因位置不同，时延时间的数值也是不同的。确认方法如下：

服务端下发时延测试报文，并记录发送时间T_TX；网关收到时延测试报文后立即回发时延测试应答报文给服务端，服务端收到时延测试应答报文并记录接收时间T_RX，所述发送时间与接收时间的差值除以2即为所述时延时间：DT = (T_RX - T_TX)/2。

为了使测试结果更准确，可以多次进行时延测试，得到多个时延时间。在多个时延时间中，依次剔除明显的异常值、最大值、最小值，再将剩余的时延时间进行平均值计算，得到最终的时延时间。

接着，对网关进行校时，校时的方法如下：服务端发起校时指令，将服务端的本地时间Ts和时延时间DT一起发送给网关，网关收到校时指令后，将网关的本地时间T设置为服务端的本地时间加上时延时间，即：T=Ts+DT。此时，网关接收到节点设备发送的报文后，读取其本地时间T，即可直接视为服务端接收到报文的时间，即使网关与服务端之间的网络发生波动，服务端实际收到报文的时间发生变化，但服务端实际定位时，用的数据是网关接收到报文的本地时间，因此并不影响服务端对节点设备进行定位，避免了因网关与服务端的网络波动对节点定位的影响。

然后进行校时的验证，具体如下：

S21，对所述校时进行验证；在回发校时应答报文给服务端的同时，网关读取网关的本地时间Tw作为时间戳一并发送；服务端收到校时应答报文时，计算所述时间戳Tw加上所述时延时间DT作为理论时间T’=Tw+DT，并比较所述理论时间T’与当前的服务器的本地时间Ts’，若两者的差值|T’-Ts’|小于预先设定的允许误差Δt，则判定校时成功，将结果通知到网关；否则判定校时失败，可以重新启动校时流程。如果多次校时失败，认为该网关的网络不稳定，将影响后期的节点设备定位精度；因此将此网关拉入黑名单，从黑名单网关上报的节点报文，不能用作定位计算的数据源。

所有网关完成校时后，他们本地时间理论上是一致的，这为节点设备的定位计算提供了时间一致性。

S3，网关接受到同一节点设备发出的报文，合并时间戳、网关的位置信息、频点、扩频因子等信息后组成一组数据上传给服务端；

S4，服务端收到由不同网关上传的数据，解析出同一个节点设备发出的报文，提取时间戳和网关位置，如图3所示，形成一帧节点定位原始数据；其中：

NodeID: 字节ID；

FrameSN: 帧序号；

DataGroup: 数据组数；

GroupN: 数据组序号；

ID：网关ID；

Location: 网关位置；

TimeStamp: LoraWan报文到达网关时的时间戳；

SF：LoraWan传输时的扩频因子；

Len：LoraWan报文长度；

S5，节点定位计算：取同一帧节点定位原始数据中的两组数据，即两个网关（记为网关A和网关B）发送的数据，提取其时间戳分别求解所述节点设备到网关的距离，并求得两个距离的差值；计算方法如下：

解析两组数据中的时间戳TimeStampA和TimeStampB，计算两个时间戳的差值T=|TimeStampA - TimeStampB |乘以光速c，即为节点设备到两个网关的距离的差值S=cT。

结合两个网关的位置信息和差值求解节点设备的第一轨迹；具体的：

所述第一轨迹的求解过程如下：请参照图4，根据所述节点设备到两个网关的距离的差值大小，存在以下3中情形：

若所述节点设备到两个网关（网关A、网关B）的距离的差值为S=0，则第一轨迹为两个网关连接而成的线段的中垂线；

若所述节点设备到两个网关的距离的差值大于0，且小于两个网关的直线距离，S=k1、k2、k3，其中0＜k1、k2、k3＜|AB|,则第一轨迹为以两个网关为焦点的双曲线；值得一提的是，当时间戳TimeStampA大于时间戳TimeStampB时，认为节点设备与网关A的距离大于与网关B的距离，则第一轨迹位于中垂线靠近网关B的一侧；反之，位于靠近网关A的一侧。

若所述节点设备到两个网关的距离的差值S等于两个网关的直线距离|AB|，则第一轨迹为以两个网关为端点，沿两个网关连线方向向外延伸的射线。

S6，请参照图5，取与S5不完全相同的两组数据，如网关A和网关D，或者网关D和另外的网关E。按照S5的方法求解节点设备的第二轨迹；第二轨迹的求解过程与第一轨迹同理。

S7，求解第一轨迹和第二轨迹的交点，即为节点设备的位置。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

Claims (7)

1.一种基于LoRaWan的节点定位实现方法，包括以下步骤：

S1，构建组网，每一节点设备被至少3个不在同一直线上的网关的信号覆盖；

S2，确认服务端相对于每一网关的时延时间，对网关进行校时；

S3，网关接受到同一节点设备发出的报文，合并时间戳、网关的位置信息后组成一组数据上传给服务端；

S4，服务端收到由不同网关上传的数据，解析出同一个节点设备发出的报文，提取时间戳和网关位置，形成一帧节点定位原始数据；

S5，取同一帧节点定位原始数据中的两组数据，根据时间戳分别求解所述节点设备到网关的距离，并求得节点设备到两个网关的距离的差值；结合两个网关的位置信息和差值求解节点设备的第一轨迹；

S6，取与S5不完全相同的两组数据，按照S5的方法求解节点设备的第二轨迹；

S7，求解第一轨迹和第二轨迹的交点，即为节点设备的位置。

2.根据权利要求1所述的一种基于LoRaWan的节点定位实现方法，其特征在于，所述S2中时延时间的确认方法如下：服务端下发时延测试报文，并记录发送时间；网关收到时延测试报文后立即回发时延测试应答报文给服务端，服务端收到时延测试应答报文并记录接收时间，所述发送时间与接收时间的差值除以2即为所述时延时间。

3.根据权利要求2所述的一种基于LoRaWan的节点定位实现方法，其特征在于，所述时延时间的确认进行多次，得到多个时延时间，剔除异常值、最大值、最小值后取平均值作为最终的时延时间。

4.根据权利要求2所述的一种基于LoRaWan的节点定位实现方法，其特征在于，所述S2中对网关进行校时的方法如下：服务端发起校时指令，将服务端的本地时间和时延时间一并发送给网关，网关收到校时指令后，将网关的本地时间设置为服务端的本地时间加上时延时间。

5.根据权利要求3所述的一种基于LoRaWan的节点定位实现方法，其特征在于，所述S2中还包括：

S21，对所述校时进行验证；在回发校时应答报文给服务端的同时，网关读取网关的本地时间作为时间戳一并发送；服务端收到校时应答报文时，计算所述时间戳加上所述时延时间作为理论时间，并比较所述理论时间与当前的服务器的本地时间，若两者的差值小于预先设定的允许误差，则判定校时成功。

6.根据权利要求1所述的一种基于LoRaWan的节点定位实现方法，其特征在于，所述S5中两个距离的差值的计算方法如下：解析两组数据中的时间戳，计算两个时间戳的差值乘以光速，即为节点设备到两个网关的距离的差值。

7.根据权利要求1或6所述的一种基于LoRaWan的节点定位实现方法，其特征在于，所述第一轨迹/第二轨迹的求解过程如下：根据所述节点设备到两个网关的距离的差值大小，存在以下3中情形：

若所述节点设备到两个网关的距离的差值为0，则第一轨迹/第二轨迹为两个网关连接而成的线段的中垂线；

若所述节点设备到两个网关的距离的差值大于0，且小于两个网关的直线距离，则第一轨迹/第二轨迹为以两个网关为焦点的双曲线；

若所述节点设备到两个网关的距离的差值等于两个网关的直线距离，则第一轨迹/第二轨迹为以两个网关为端点，沿两个网关连线方向向外延伸的射线。

Images