CN114143741A - 一种基于LoRa无线通信技术的无线网关系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于LoRa无线通信技术的无线网关系统，包括传感器节点、LoRa网关、MQTT服务器、云数据库和Web客户端；所述LoRa网关与复数个传感器节点组成星型自组网络，并通过私有MAC协议和数据帧格式进行通信，所述MQTT服务器分别与LoRa网关和Web客户端通信连接，所述Web客户端与云数据库通信连接；通过所述LoRa网关对不同传感器节点数据进行收集并解析，打包成统一格式发送给MQTT服务器，之后上传给Web客户端，由Web客户端将数据存储到云数据库中并进行管理。本发明系统可实现对多个传感器节点的数据采集与统一便捷化管理，提高无线通信系统的稳定性，缩短网络建设时间，节约运营成本。

Description

一种基于LoRa无线通信技术的无线网关系统

技术领域

本发明涉及通信技术领域，特别涉及一种基于LoRa无线通信技术的无线网关系统。

背景技术

近年来，随着物联网技术的飞速发展和成熟，社会的生产力和生产效率都有了很大的提高。物联网本质上是把互联网和各种实时获取信息的设备等基于物-物通信的无线自组网相结合，从而建立起一个庞大的服务网络以实现实时信息的采集、传输和管理。在物联网应用中，将各种传感器等终端设备接入互联网络，已成为各个行业的趋势。将分布在不同区域的海量终端设备接入网络实现互联互通将成为物联网应用的基础。

在物联网工程中，最重要的就是建立起一个传输效率高、传输性能稳定的实时通信系统，但在技术的飞速迭代和物联网的快速发展中，通信面临的场景也变得越来越复杂，传统的无线传输技术如WIFI、蓝牙、Zigbee等已经渐渐不能满足我们的需要，他们虽然各有各的应用场景，但都无法同时做到低功耗和长距离传输。在一个物联网传输系统中，网关也是其中很重要的环节，它决定着无线通信系统的稳定性，对其进行优化变得尤其重要。

发明内容

本发明要解决的技术问题，在于提供一种基于LoRa无线通信技术的无线网关系统，实现对多个传感器节点的数据采集与统一便捷化管理，提高无线通信系统的稳定性，缩短网络建设时间，节约运营成本。

本发明是这样实现的：一种基于LoRa无线通信技术的无线网关系统，所述系统包括传感器节点、LoRa网关、MQTT服务器、云数据库和Web客户端；

所述LoRa网关与复数个传感器节点组成星型自组网络，并通过私有MAC协议和数据帧格式进行通信，所述MQTT服务器分别与LoRa网关和Web客户端通信连接，所述Web客户端与云数据库通信连接；

所述传感器节点，用于采集不同类型的传感器数据，并通过传感器节点内置的LoRa模块将传感器数据传输至LoRa网关；

所述LoRa网关，用于将收集多个传感器节点的节点信息，并将所述节点信息发送给MQTT服务器，所述节点信息包括传感器节点地址、传感器类型和传感器数据；

所述MQTT服务器，用于将所述LoRa网关汇聚到的节点信息转发给所述Web客户端；

所述Web客户端，用于将传感器数据存储至所述云数据库，并在Web客户端的前端页面进行显示，提供数据的统一查询和管理页面。

进一步的，所述LoRa网关包含主控STM32单片机、LoRa模块、WiFi模块和OLED显示屏，所述LoRa网关通过LoRa模块接收传感器节点发送过来的数据包，对其进行解析，识别新入网的传感器节点和断电重连的传感器节点，并对数据包进行协议转换，通过WiFi模块将数据通过MQTT服务器上传至Web客户端的数据库，所述数据包包括入网请求数据包和传感器数据包。

进一步的，所述LoRa网关工作时执行如下步骤：

步骤a1、上电后，对网关进行初始化；

步骤a2、在初始化完毕后，LoRa网关开始尝试连接WIFI，若连接失败的话，则进入配网模式，否则LoRa网关会自动记录所连接WIFI的账号和密码，以供下次进行自动连接；

步骤a3、联网成功后，自动建立与MQTT服务器的连接，并订阅与Web客户端通信的主题；

步骤a4、连接MQTT服务器成功后，LoRa网关开始进入数据的监听；

步骤a5、当LoRa模块接收到数据后，LoRa网关将对数据帧进行CRC校验，CRC校验正确后，根据帧头判断数据帧类型，若数据帧为检测入网请求，则将传感器节点加入网络，向传感器节点发送ACK应答帧，同时为传感器节点分配一个时间片和ID，同步所有传感器节点的时钟，若数据帧为传感器节点发送的传感器数据，则提取出传感器的数据，组成Json数据包，通过WIFI模块上传至MQTT服务器；

步骤a6、当到达时间同步定时时间后，则发送时间同步数据帧进行全网时间同步。

进一步的，所述传感器节点包含主控STM32单片机，LoRa模块、传感器模块和OLED显示屏，所述传感器节点通过LoRa模块，向所述LoRa网关端发送入网请求和传感器数据，同时解析所述LoRa网关端发送的指令，OLED屏用于显示所述传感器节点的信息状态。

进一步的，所述传感器节点工作时执行如下步骤：

步骤b1、传感器节点上电后，对传感器节点进行初始化；

步骤b2、在传感器节点初始化完毕后，传感器节点产生一个随机入网延时，在延时时间到达后，向LoRa网关发送入网请求，期间若未收到应答，则延时一段时间后继续发送入网请求；

步骤b3、在收到LoRa网关的应答帧后，传感器节点加入网络，并设置自己的时间片；

步骤b4、当到达传感器节点的时间片后，传感器节点采集传感器数据，并将数据组包后通过LoRa模块发送至LoRa网关。

进一步的，所述MQTT服务器，采用EMQX，部署于云服务器，其采用分布式传感器节点集群，并拥有完整的协议支持，负责把从LoRa网关接收到的数据发送给客户端。

进一步的，所述Web客户端使用Django框架进行搭建，其包括首页模块、数据列表模块、API接口模块和后台管理模块；

所述首页模块，用于实时显示各传感器节点最新一次上传的数据；

所述数据列表模块，用于显示传感器节点的历史上传数据，同时对不同传感器节点的数据提供单独查询和筛选功能并进行显示；

所述API接口模块，用于接收MQTT服务器传输过来的Json数据包；

所述后台管理模块，用于对传感器数据进行管理。

本发明具有如下技术效果或优点：

本发明的LoRa网关可以实现自动组网，自动采集节点信息，并对数据进行解析与协议转换，将需要的数据通过MQTT服务器传送给Web客户端，通过Web客户端对数据进行存储和统一管理，本发明利用LoRa网关实现长距离无线通信和超低功耗，提高了无线通信系统的稳定性，同时简化了生产中的通讯过程，缩短了网络建设世界，节约了运营成本。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。

图1为本发明一种基于LoRa无线通信技术的无线网关系统的系统结构示意图。

图2为本发明一种基于LoRa无线通信技术的无线网关系统中LoRa网关工作流程图。

图3为本发明一种基于LoRa无线通信技术的无线网关系统中传感器节点工作流程图。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种基于LoRa无线通信技术的无线网关系统，实现多传感器节点的数据采集汇聚和上报，对多个传感器节点的统一简捷化管理。

在当前的物联网产业中，大部分终端设备为资源受限的嵌入式设备，且部署在环境复杂的区域，分布范围广，由于环境的限制无法采用有线通信方式，在采用无线通信方式时容易受到电磁、噪声等因素的干扰，通信的可靠性不能保证；对于采用电池供电的终端设备，由于通信收发过程产生较大能耗而导致设备需频繁充电。而传统的无线通信方式中，短距离无线通信方式如WIFI、蓝牙、Zigbee等接入速度快，通信速率高，但由于通信距离比较短，通信网络覆盖范围小，其适用的应用场景有限，无法满足未来万物互联互通的通信需求；移动蜂窝通信技术虽可以满足物联网应用中广域覆盖通信的应用需求，但使用电池供电的终端设备无法支撑其通信时产生的较大的能耗，并且其依托运营商网络的部署，在某些地区移动信号覆盖不完善，致使相关的物联网应用无法开展。基于此，本发明实施例提供了一种基于LoRa无线通信技术的无线网关系统。LoRa是一种在低功耗广域网内实现低成本、低速率、低功耗、远距离的新型通信技术。本发明实施例利用LoRa无线通信技术设定网关，将网关与设备传感器节点在低功耗广域网中以星型拓扑结构组网，并在网关端搭载WIFI模块接入互联网，从而实现多传感器节点、远距离、低功耗的无线数据采集传输系统。

为了更好地理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

如图1所示，本实施例提供一种基于LoRa无线通信技术的无线网关系统，所述系统包括传感器节点1、LoRa网关2、MQTT服务器3、云数据库4和Web客户端5；

所述LoRa网关2与复数个传感器节点1组成星型自组网络，并通过私有MAC协议和数据帧格式进行通信，所述MQTT服务器3分别与LoRa网关2和Web客户端5通信连接，所述Web客户端5与云数据库4通信连接；

所述传感器节点1，用于采集不同类型的传感器数据，并通过传感器节点内置的LoRa模块将传感器数据传输至LoRa网关；

所述LoRa网关2，用于将收集多个传感器节点的节点信息，并将所述节点信息发送给MQTT服务器，所述节点信息包括传感器节点地址、传感器类型和传感器数据；

所述MQTT服务器3，用于将所述LoRa网关汇聚到的节点信息转发给所述Web客户端；

所述Web客户端5，用于将传感器数据存储至所述云数据库，并在Web客户端的前端页面进行显示，提供数据的统一查询和管理页面。

较佳的，所述LoRa网关包含主控STM32单片机、LoRa模块、WiFi模块和OLED显示屏，所述LoRa网关通过LoRa模块接收传感器节点发送过来的数据包，对其进行解析，识别新入网的传感器节点和断电重连的传感器节点，并对数据包进行协议转换，通过WiFi模块将数据通过MQTT服务器上传至Web客户端的数据库，所述数据包包括入网请求数据包和传感器数据包。

较佳的，所述传感器节点包含主控STM32单片机，LoRa模块、传感器模块和OLED显示屏，所述传感器节点通过LoRa模块，向所述LoRa网关端发送入网请求和传感器数据，同时解析所述LoRa网关端发送的指令，OLED屏用于显示所述传感器节点的信息状态。

较佳的，所述MQTT服务器，采用EMQX，部署于云服务器，其采用分布式传感器节点集群，并拥有完整的协议支持，负责把从LoRa网关接收到的数据发送给客户端。

较佳的，所述Web客户端使用Django框架进行搭建，其包括首页模块、数据列表模块、API接口模块和后台管理模块；

所述首页模块，用于实时显示各传感器节点最新一次上传的数据；

所述数据列表模块，用于显示传感器节点的历史上传数据，同时对不同传感器节点的数据提供单独查询和筛选功能并进行显示；

所述API接口模块，用于接收MQTT服务器传输过来的Json数据包；

所述后台管理模块，用于对传感器数据进行管理，包括删除、查看、查找操作。

本发明设计基于LoRa无线通信技术的远程低功耗多传感器数据采集上报方法，可应用在各种需要传感器采集的环境中，实现多传感器节点、远距离、低功耗的无线数据采集传输而无需依赖运营商。采用LoRa私有通信协议与MQTT协议，确保通讯高效与安全。为实现上述功能，本发明通过以下技术方案来实现。

LoRa网关的任务框架包含数据解析任务、网络任务、数据上报任务。

具体的，如图2所示，所述LoRa网关工作时执行如下步骤：

步骤a1、上电后，对网关进行初始化，即对STM32单片机外设、LoRa、ESP8266WIFI模块、OLED屏等进行初始化；

步骤a2、在初始化完毕后，LoRa网关开始尝试连接WIFI，若连接失败的话，则进入配网模式，否则LoRa网关会自动记录所连接WIFI的账号和密码，以供下次进行自动连接；

步骤a3、联网成功后，自动建立与MQTT服务器的连接，并订阅与Web客户端通信的主题；由于本申请中LoRa网关与Web客户端的通信采用MQTT协议，双方的通信通过订阅、发布“主题”来完成，比如LoRa网关订阅一主题A，Web客户端向主题A发布消息，则LoRa网关能接收到Web客户端发布的消息，反之同理。

步骤a4、连接MQTT服务器成功后，LoRa网关开始进入数据的监听；

步骤a5、当LoRa模块接收到数据后，LoRa网关将对数据帧进行CRC校验，CRC校验正确后，根据帧头判断数据帧类型，若数据帧为检测入网请求，则将传感器节点加入网络，向传感器节点发送ACK应答帧，同时为传感器节点分配一个时间片和ID，同步所有传感器节点的时钟，若数据帧为传感器节点发送的传感器数据，则提取出传感器的数据，组成Json数据包，通过WIFI模块上传至MQTT服务器；

步骤a6、当到达时间同步定时时间后，则发送时间同步数据帧进行全网时间同步。

在本发明实施例中，为了区分传感网络中传输的不同类型的数据，采用了私有的数据帧格式，其包含了四种类型的数据，分别是传感器节点入网请求、传感器节点入网应答、时间同步和传感器数据。在本发明的实施例中，LoRa网关可用于传感器节点的动态入网、传感器节点时间片的分配、时间同步以及进行传感器的数据解析和协议转换。在网关在收到一条传感器节点入网请求后，会先查询数据帧中传感器节点的地址，如该地址此前不曾入网，则归为新传感器节点，并为其分配时间片后加入网络；因为数据采用TDMA的方式传输，所以所有的设备都需要时刻保持在一个统一的时间基准上，所以每隔一段时间，网关将为全网发送时间同步消息进行时间同步；由于在自组网中采用私有协议通信，为了使数据上云，网关则需要将私有协议转换为MQTT协议进行传输。

为便于更好的理解和实施本发明实施例的上述方案，下面举例相应的应用场景来进行具体说明：当添加一个新传感器节点时，传感器节点通过LoRa模块向网关发送一条入网请求，网关解析出入网请求帧中的传感器节点地址后，判断该地址此前是否入网，若不曾入网，则将传感器节点加入网络，并同步全网时钟，同时通过MQTT服务器向Web客户端发送一条传感器节点新增的Json消息，Web对消息进行解析后，运用JQuery将节点信息动态添加至前端页面，同时在后台进行保存。从而实现传感器节点的动态入网而无需在后台进行手动添加。

本实施例中，传感器节点的任务框架包含数据处理任务、网络处理任务，接下来对传感器节点的工作流程进行举例说明，具体的，如图3所示，新的传感器节点工作时执行如下步骤：

步骤b1、传感器节点上电后，对传感器节点进行初始化，即对STM32单片机外设、LoRa、OLED屏等进行初始化；

步骤b2、在传感器节点初始化完毕后，传感器节点产生一个随机入网延时，在延时时间到达后，向LoRa网关发送入网请求，期间若未收到应答，则延时一段时间后继续发送入网请求；

步骤b3、在收到LoRa网关的应答帧后，传感器节点加入网络，并设置自己的时间片；

步骤b4、当到达传感器节点的时间片后，传感器节点采集传感器数据，并将数据组包后通过LoRa模块发送至LoRa网关。

在本发明实施例中，网关端和传感器节点端的无线射频模块都采用SX1278芯片，所以网络中的各个设备都在同一个信道下进行数据传输，为了解决不同设备之间的信号冲突和同频干扰的问题，使自组网中的数据能够有条不紊的传输，保证通信的稳定性，LoRa无线网关系统采用私有的MAC协议进行通信。其中传感器节点的入网机制采用LBT机制，即传感器节点在发送入网请求之前，先检测当前信道是否有其他传感器节点正在通信，如果信道繁忙的话，则会生成一个随机时间并进行延时，延时结束后再发送入网请求帧，网关在数据监听时若监听到该请求帧，且该数据帧格式解析无误的话，则会向传感器节点发送应答帧ACK，传感器节点收到应答后确认已经入网，则可以进入正常数据上传模式。其次是传感器节点的数据上传机制：传感器节点的数据采集采用的是时分复用机制，即将时间划分成多个时间片，每个设备各自分得其中一个时间片，此后每个设备只能在其规定的时间片内通信，从而达到多路传输的目的。本发明利用时分复用进行数据采集能够最大程度地利用带宽，且不耗费电能。

在本发明的实施例中，Web客户端，用于在前端页面动态添加新入网的节点信息，并实时显示各个传感器节点最新上报的数据，同时，提供查询和数据管理接口。Web客户端可以通过解析网关上报的数据判断传感器节点是否为新增，是的话则在前端页面动态添加一个新增传感器节点。根据传感器节点地址、日期等条件对数据进行查询和筛选，通过查询可以获取到传感器节点地址、上报时间、传感器类型、传感器数据等信息。同时可以在后台管理界面对数据进行管理。

通过以上的实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件的方式来实现，当然也可以通过专用硬件包括专用集成电路、专用CPU、专用存储器、专用元器件等来实现。一般情况下，凡由计算机程序部分完成的功能都可以很容易地用相应的硬件来实现，而且，用来实现同一功能的具体硬件结构也可以是多种多样的，例如模拟电路、数字电路或专用电路等。但是，对有时软件程序实现是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案中以软件形式体现出来的部分，该部分存储在可读取的存储介质中，如计算机的软盘、U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例中的步骤流程。

本申请实施例中提供的技术方案，至少具有如下技术效果或优点：本发明的LoRa网关可以实现自动组网，自动采集节点信息，并对数据进行解析与协议转换，将需要的数据通过MQTT服务器传送给Web客户端，通过Web客户端对数据进行存储和统一管理，本发明利用LoRa网关实现长距离无线通信和超低功耗，提高了无线通信系统的稳定性，同时简化了生产中的通讯过程，缩短了网络建设世界，节约了运营成本。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。

Claims (7)

1.一种基于LoRa无线通信技术的无线网关系统，其特征在于：所述系统包括传感器节点、LoRa网关、MQTT服务器、云数据库和Web客户端；

所述LoRa网关与复数个传感器节点组成星型自组网络，并通过私有MAC协议和数据帧格式进行通信，所述MQTT服务器分别与LoRa网关和Web客户端通信连接，所述Web客户端与云数据库通信连接；

所述传感器节点，用于采集不同类型的传感器数据，并通过传感器节点内置的LoRa模块将传感器数据传输至LoRa网关；

所述LoRa网关，用于将收集多个传感器节点的节点信息，并将所述节点信息发送给MQTT服务器，所述节点信息包括传感器节点地址、传感器类型和传感器数据；

所述MQTT服务器，用于将所述LoRa网关汇聚到的节点信息转发给所述Web客户端；

所述Web客户端，用于将传感器数据存储至所述云数据库，并在Web客户端的前端页面进行显示，提供数据的统一查询和管理页面。

2.根据权利要求1所述的一种基于LoRa无线通信技术的无线网关系统，其特征在于：所述LoRa网关包含主控STM32单片机、LoRa模块、WiFi模块和OLED显示屏，所述LoRa网关通过LoRa模块接收传感器节点发送过来的数据包，对其进行解析，识别新入网的传感器节点和断电重连的传感器节点，并对数据包进行协议转换，通过WiFi模块将数据通过MQTT服务器上传至Web客户端的数据库，所述数据包包括入网请求数据包和传感器数据包。

3.根据权利要求2所述的一种基于LoRa无线通信技术的无线网关系统，其特征在于：所述LoRa网关工作时执行如下步骤：

步骤a1、上电后，对网关进行初始化；

步骤a2、在初始化完毕后，LoRa网关开始尝试连接WIFI，若连接失败的话，则进入配网模式，否则LoRa网关会自动记录所连接WIFI的账号和密码，以供下次进行自动连接；

步骤a3、联网成功后，自动建立与MQTT服务器的连接，并订阅与Web客户端通信的主题；

步骤a4、连接MQTT服务器成功后，LoRa网关开始进入数据的监听；

步骤a5、当LoRa模块接收到数据后，LoRa网关将对数据帧进行CRC校验，CRC校验正确后，根据帧头判断数据帧类型，若数据帧为检测入网请求，则将传感器节点加入网络，向传感器节点发送ACK应答帧，同时为传感器节点分配一个时间片和ID，同步所有传感器节点的时钟，若数据帧为传感器节点发送的传感器数据，则提取出传感器的数据，组成Json数据包，通过WIFI模块上传至MQTT服务器；

步骤a6、当到达时间同步定时时间后，则发送时间同步数据帧进行全网时间同步。

4.根据权利要求3所述的一种基于LoRa无线通信技术的无线网关系统，其特征在于：所述传感器节点包含主控STM32单片机，LoRa模块、传感器模块和OLED显示屏，所述传感器节点通过LoRa模块，向所述LoRa网关端发送入网请求和传感器数据，同时解析所述LoRa网关端发送的指令，OLED屏用于显示所述传感器节点的信息状态。

5.根据权利要求4所述的一种基于LoRa无线通信技术的无线网关系统，其特征在于：所述传感器节点工作时执行如下步骤：

步骤b1、传感器节点上电后，对传感器节点进行初始化；

步骤b2、在传感器节点初始化完毕后，传感器节点产生一个随机入网延时，在延时时间到达后，向LoRa网关发送入网请求，期间若未收到应答，则延时一段时间后继续发送入网请求；

步骤b3、在收到LoRa网关的应答帧后，传感器节点加入网络，并设置自己的时间片；

步骤b4、当到达传感器节点的时间片后，传感器节点采集传感器数据，并将数据组包后通过LoRa模块发送至LoRa网关。

6.根据权利要求1所述的一种基于LoRa无线通信技术的无线网关系统，其特征在于：所述MQTT服务器，采用EMQ X，部署于云服务器，其采用分布式传感器节点集群，并拥有完整的协议支持，负责把从LoRa网关接收到的数据发送给客户端。

7.根据权利要求1所述的一种基于LoRa无线通信技术的无线网关系统，其特征在于：所述Web客户端使用Django框架进行搭建，其包括首页模块、数据列表模块、API接口模块和后台管理模块；

所述首页模块，用于实时显示各传感器节点最新一次上传的数据；

所述数据列表模块，用于显示传感器节点的历史上传数据，同时对不同传感器节点的数据提供单独查询和筛选功能并进行显示；

所述API接口模块，用于接收MQTT服务器传输过来的Json数据包；

所述后台管理模块，用于对传感器数据进行管理。

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