CN114792466A - 基于5G和LoRa联合组网的电网环境监测系统和方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种基于5G和LoRa联合组网的电网环境监测系统和方法，该方法包括：NB‑IoT节点汇聚通信基站覆盖区内的传感器采集的电网环境数据，LoRa节点汇聚通信基站覆盖盲区内的传感器采集的电网环境数据；NB‑IoT节点的电网环境数据通过5G NB‑IoT网关接入5G基站，LoRa节点的电网环境数据通过5G LoRa边缘网关完成LoRa和5G协议转换后接入5G基站；5G基站通过APN专网通道将电网环境数据接入电网中心云服务器。通过本申请，解决了输变电监测时使用NB‑IoT需要运营商信号覆盖，使用LoRa自组网总体传输带宽和覆盖范围受限的问题，实现了LoRa和NB‑IoT的联合组网和补盲。

Description

基于5G和LoRa联合组网的电网环境监测系统和方法

技术领域

本申请涉及电网通讯技术领域，特别是涉及基于5G和LoRa联合组网的电网环境监测系统、方法、计算机设备和计算机可读存储介质。

背景技术

当前，输变电监测正在向全环节、全节点实时监测感知、风险动态评估、故障主动研判发展，对通信网络提出了新的要求。随着5G商用牌照发放，我国已经正式进入5G商用元年，应用5G技术建设电力物联网成为行业关注的焦点。基于5G网络高速率、高容量、高可靠性、低时延与低能耗的特点，可以从万物互联、精准控制、海量量测、宽带通信等方面加速电力物联网的建设步伐。在输变电和配电网监测方面，变压器、输电线路等电气设备的健康运行是整个配电系统运行的重要保障。应用5G技术可以实现海量监测数据及时采集，实时监测电力设备各项参数，感知外界环境变化，评估电力设备运行状态。

但是由于输电线路需要经过山区、电缆沟道、郊区等通信基站覆盖盲区，变电站地理位置偏僻等原因，无线公网信号无法覆盖。因此使用基于移动通信网络的NB-IoT虽然具有实施方便快捷、带宽较高等优点，但是需要运营商信号覆盖，同时需要支付数据流量或带宽费用，运行成本较高，另外所有数据集中在移动运营商平台，限制了数据的进一步使用和扩展。

而使用LoRa等LPWAN(低功耗广域网)自建无线广域传输网络，具备自主可控、运行成本较低、信号覆盖好、组网灵活等优点，但是存在着带宽较低的问题。通常情况下，一个大范围的超出单一节点信号覆盖的区域需要多个节点自组网络，而多级跳点级联的方式，所有的节点是沿着传输线路部署的，这也就意味着整个传输线路上的所有数据只能通过有限的相邻节点进行传输，而且越往前汇聚的数据越大，会产生漏斗效应，这就严重限制了LoRa自组网的总体传输带宽和覆盖范围。

目前针对相关技术中使用基于移动通信网络的NB-IoT进行输变电监测需要运营商信号覆盖，使用LoRa自组网进行输变电监测总体传输带宽和覆盖范围受限的问题，尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本申请实施例提供了一种基于5G和LoRa联合组网的电网环境监测系统、方法、计算机设备和计算机可读存储介质，以至少解决相关技术中使用基于移动通信网络的NB-IoT进行输变电监测需要运营商信号覆盖，使用LoRa自组网进行输变电监测总体传输带宽和覆盖范围受限的问题。

第一方面，本申请实施例提供了一种基于5G和LoRa联合组网的电网环境监测系统，包括：

至少一个NB-IoT节点，所述NB-IoT节点用于汇聚通信基站覆盖区内的传感器采集的电网环境数据；

至少一个LoRa节点，所述LoRa节点用于汇聚通信基站覆盖盲区内的传感器采集的电网环境数据；

5G NB-IoT网关，与所述NB-IoT节点相连接，所述NB-IoT节点汇聚的电网环境数据通过所述5G NB-IoT网关接入5G基站；

5G LoRa边缘网关，与所述LoRa节点相连接，所述LoRa节点汇聚的电网环境数据通过所述5G LoRa边缘网关完成LoRa和5G协议转换后接入所述5G基站；

所述5G基站，用于通过APN专网通道将电网环境数据接入电网中心云服务器。

在其中一些实施例中，所述至少一个LoRa节点进行自组网，在自组网中，第N个LoRa节点通过传感器采集电网环境数据，汇聚前端的N-1个LoRa节点前传的电网环境数据，将N个节点的电网环境数据复用成帧，传输给第N+1个LoRa节点，所述第N+1个LoRa节点将自身的电网环境数据与前端N个LoRa节点前传的电网环境数据复用成帧继续前传，直至传输至所述5G LoRa边缘网关。

在其中一些实施例中，所述LoRa节点包括：

传感器，用于采集电网环境数据；

第一主控芯片，所述传感器通过I/O口与所述第一主控芯片相连接，用于对采集的电网环境数据进行处理；

ATK-LoRa-01模块，用于发送所述第一主控芯片处理后的电网环境数据。

在其中一些实施例中，所述5G LoRa边缘网关包括：

ATK-LoRa-01模块，用于接收所述LoRa节点发送的电网环境数据；

第二主控芯片，用于对接收到的电网环境数据进行处理；

5G模块，通过GPIO与所述第二主控芯片相连接，用于发送所述第二主控芯片处理后的电网环境数据。

第二方面，本申请实施例提供了一种基于5G和LoRa联合组网的电网环境监测方法，包括：

NB-IoT节点汇聚通信基站覆盖区内的传感器采集的电网环境数据，LoRa节点汇聚通信基站覆盖盲区内的传感器采集的电网环境数据；

所述NB-IoT节点汇聚的电网环境数据通过5G NB-IoT网关接入5G基站，所述LoRa节点汇聚的电网环境数据通过5G LoRa边缘网关完成LoRa和5G协议转换后接入所述5G基站；

所述5G基站通过APN专网通道将电网环境数据接入电网中心云服务器。

在其中一些实施例中，所述LoRa节点汇聚的电网环境数据通过5G LoRa边缘网关完成LoRa和5G协议转换后接入所述5G基站包括：

5G LoRa边缘网关控制LoRa自组网中LoRa节点进行路由规划，并按照规划的路由将所述LoRa节点封装的帧进行汇聚；

所述5G LoRa边缘网关执行LoRa网络接入5G网络和/或LoRa协议转5G协议的软硬件适配。

在其中一些实施例中，5G LoRa边缘网关控制LoRa自组网中LoRa节点进行路由规划包括：

针对链路型拓扑结构，首先判断网络的拥塞状态，选择不拥塞的LoRa节点进行路由；

若网络状况良好，则通过距离矢量算法确定最短路径的LoRa节点进行路由。

在其中一些实施例中，所述5G LoRa边缘网关执行LoRa网络接入5G网络和/或LoRa协议转5G协议的软硬件适配包括：

利用适配模块执行LoRa侧和5G侧的网络转换；

在LoRa侧执行LoRa自组网数据接收、LoRa自组网节点控制和带宽分配，并将汇聚监测数据进行CRC校验、身份识别、安全管理和访问控制，组成MQTT数据帧；

在5G侧执行将MQTT数据帧封装到5G数据帧结构。

第三方面，本申请实施例提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上述第二方面所述的基于5G和LoRa联合组网的电网环境监测方法。

第四方面，本申请实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述第二方面所述的基于5G和LoRa联合组网的电网环境监测方法。

相比于相关技术，本申请实施例提供的第二方面所述的基于5G和LoRa联合组网的电网环境监测系统和方法，通过NB-IoT节点汇聚通信基站覆盖区内的传感器采集的电网环境数据，LoRa节点汇聚通信基站覆盖盲区内的传感器采集的电网环境数据；NB-IoT节点汇聚的电网环境数据通过5G NB-IoT网关接入5G基站，LoRa节点汇聚的电网环境数据通过5GLoRa边缘网关完成LoRa和5G协议转换后接入所述5G基站；5G基站通过APN专网通道将电网环境数据接入电网中心云服务器，解决了相关技术中使用基于移动通信网络的NB-IoT进行输变电监测需要运营商信号覆盖，使用LoRa自组网进行输变电监测总体传输带宽和覆盖范围受限的问题，实现了LoRa和NB-IoT的联合组网和补盲。

本申请的一个或多个实施例的细节在以下附图和描述中提出，以使本申请的其他特征、目的和优点更加简明易懂。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是根据本申请实施例的基于5G和LoRa联合组网的电网环境监测系统的示意图；

图2是根据本申请实施例的基于5G和LoRa联合组网的电网环境监测方法的流程图；

图3是根据本申请实施例的基于5G和LoRa联合组网的5G LoRa边缘网关功能模块的示意图；

图4为根据本申请实施例的计算机设备的硬件结构示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行描述和说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。基于本申请提供的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些示例或实施例，对于本领域的普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图将本申请应用于其他类似情景。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力可能是复杂并且冗长的，然而对于与本申请公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本申请揭露的技术内容的基础上进行的一些设计，制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本申请公开的内容不充分。

在本申请中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域普通技术人员显式地和隐式地理解的是，本申请所描述的实施例在不冲突的情况下，可以与其它实施例相结合。

除非另作定义，本申请所涉及的技术术语或者科学术语应当为本申请所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请所涉及的“一”、“一个”、“一种”、“该”等类似词语并不表示数量限制，可表示单数或复数。本申请所涉及的术语“包括”、“包含”、“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含；例如包含了一系列步骤或模块(单元)的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可以还包括没有列出的步骤或单元，或可以还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。本申请所涉及的“连接”、“相连”、“耦接”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电气的连接，不管是直接的还是间接的。本申请所涉及的“多个”是指两个或两个以上。“和/或”描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“A和/或B”可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。本申请所涉及的术语“第一”、“第二”、“第三”等仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序。

本申请提供了一种基于5G和LoRa联合组网的电网环境监测系统和方法。

如图1所示，该基于5G和LoRa联合组网的电网环境监测系统可以包括：

至少一个NB-IoT节点(图1中仅示出1个NB-IoT节点)，所述NB-IoT节点用于汇聚通信基站覆盖区内的传感器采集的电网环境数据。

至少一个LoRa节点(图1中仅示出1个LoRa节点)，所述LoRa节点用于汇聚通信基站覆盖盲区内的传感器采集的电网环境数据。

5G NB-IoT网关，与所述NB-IoT节点相连接，所述NB-IoT节点汇聚的电网环境数据通过所述5G NB-IoT网关接入5G基站。

5G LoRa边缘网关，与所述LoRa节点相连接，所述LoRa节点汇聚的电网环境数据通过所述5G LoRa边缘网关完成LoRa和5G协议转换后接入所述5G基站。

所述5G基站，用于通过APN专网通道将电网环境数据接入电网中心云服务器。

在其中一些实施例中，LoRa节点可以包括：

传感器，包括但并不限于DHT11温湿度传感器，用于采集电网环境数据。

第一主控芯片，例如STM32L1主控芯片，所述传感器通过I/O口与所述主控芯片相连接，用于对采集的电网环境数据进行处理。

ATK-LoRa-01模块，用于发送所述第一主控芯片处理后的电网环境数据。

LoRa节点还可以包括：锂电池、LCD、串口转USB、按键等。

在其中一些实施例中，5G LoRa边缘网关可以包括：

ATK-LoRa-01模块，用于接收所述LoRa节点发送的电网环境数据；

第二主控芯片，例如ARM主控芯片，用于对接收到的电网环境数据进行处理；

5G模块，通过GPIO与所述第二主控芯片相连接，用于发送所述第二主控芯片处理后的电网环境数据。

5G LoRa边缘网关还可以包括：锂电池、操作系统、SD存储卡、USB等。

在其中一些实施例中，所述至少一个LoRa节点进行自组网，在自组网中，第N个LoRa节点通过传感器采集电网环境数据，汇聚前端的N-1个LoRa节点前传的电网环境数据，将N个节点的电网环境数据复用成帧，传输给第N+1个LoRa节点，所述第N+1个LoRa节点将自身的电网环境数据与前端N个LoRa节点前传的电网环境数据复用成帧继续前传，直至传输至所述5G LoRa边缘网关。

如图2所示，该基于5G和LoRa联合组网的电网环境监测方法可以包括以下步骤：

步骤S201，NB-IoT节点汇聚通信基站覆盖区内的传感器采集的电网环境数据，LoRa节点汇聚通信基站覆盖盲区内的传感器采集的电网环境数据；

步骤S202，所述NB-IoT节点汇聚的电网环境数据通过5G NB-IoT网关接入5G基站，所述LoRa节点汇聚的电网环境数据通过5G LoRa边缘网关完成LoRa和5G协议转换后接入所述5G基站；

步骤S203，所述5G基站通过APN专网通道将电网环境数据接入电网中心云服务器。

在其中一些实施例中，LoRa节点汇聚通信基站覆盖盲区内的传感器采集的电网环境数据可以包括如下步骤：

(1)LoRa节点侧主要包括DHT11温湿度传感器、烟雾传感器和光敏传感器等传感器模块，STM32F1主控芯片、ATK-LoRa-01模块(扩频芯片为SX1278)模块。传感器采集数据，通过IO口与STM32F1主控芯片相连接并通过模数转换将数据发送处理，然后将正确格式的数据通过ATK-LoRa-01模块发送。

(2)建立LoRa节点MAC地址-地理信息数据库，每一个节点的MAC地址对应一个物理地址即地理信息编号，在数据传输过程中，源ID将作为一部分参与传输，在数据正确和安全性验证中，如果监测数据报警异常，可以通过源ID确定具体的节点设备，提前预警，及时修复，降低损失，加快反应时间。

(3)封装成帧，节点组帧的具体结构包括源ID和目的ID，其中源ID为节点的MAC地址信息，用于地理位置的映射和准确安全性校验，数据为本节点布控电网设备和环境监测数据。

在其中一些实施例中，所述LoRa节点汇聚的电网环境数据通过5G LoRa边缘网关完成LoRa和5G协议转换后接入所述5G基站可以包括：

5G LoRa边缘网关控制LoRa自组网中LoRa节点进行路由规划，并按照规划的路由将所述LoRa节点封装的帧进行汇聚；

所述5G LoRa边缘网关执行LoRa网络接入5G网络和/或LoRa协议转5G协议的软硬件适配。

具体地，LoRa模块采用的ATK-LoRa-01模块支持透明传输、定向传输、广播与数据监听等多种工作模式；5G LoRa边缘网关作为LoRa网络的中心控制节点，控制接力各LoRa节点执行链路拓扑规划、路由寻址、TDM带宽分配的拼接成帧。LoRa模块的使用方法为AT命令，对模块进行初始化设置，工作模式选择，地址信道分配，速率调整等。在每次启动模块时进行参数配置，之后处于监听状态，正常收发数据。本申请中，LoRa模块的工作模式主要为定向传输，在需要发送的数据前部带上对应目的ID的地址信道，选择相同的速率，可以将数据发送到指定节点。

N个LoRa节点布置于通信基站覆盖盲区，各节点分别连接传感器进行数据采集，通过自组网的方式接力传输至5G LoRa边缘网关，其中LoRa节点支持数据采集汇聚和节点接力通信功能。

在实际电网使用场景中，LoRa节点设备可能存在位置不固定的情况，因此需要特定的路由协议进行自动组网。针对链路型拓扑结构，当节点采集完数据准备传输时，首先判断网络的拥塞状况，优先选择不拥塞的一方进行传输，如果网络状况都良好，则通过距离矢量算法确定最短路径传输：各个LoRa节点可以通过定时广播自己所在的物理地址，将路由信息(自己和相邻节点的距离矢量信息)附加在数据中用来交换，利用距离矢量算法构建各个节点的路由表。

具体算法实现过程如下：

首先是距离矢量算法的核心

DX(Y，Z)＝c(X，Z)+minW{DZ(Y，W)}

其中，节点X经过Z到达Y的距离等于X到邻居Z的距离加上Z到Y的最短距离(经过Z的某个相邻节点W)。计算出每一个节点到其他任意节点的最小距离并作距离矢量表。在本算法下，需要维护每个节点经过相邻节点到所有目的地的路径表，当在交换矢量信息时发现路径成本变化时计算更新路由表。通过这种方式，在节点距离不固定的情况下，也可以动态地选择最合适的路径，进行数据的传输。

当节点采集数据之后，将目的地址(目的ID)和本LoRa节点MAC地址(源ID)以及数据和校验信息等封装成帧，根据路由信息找到下一跳节点，同样附加自己的信息汇聚传递下去至5G LoRa边缘网关。

进一步地，5G LoRa边缘网关执行LoRa网络接入5G网络/LoRa协议转5G协议的软硬件适配，包括以下步骤：

(1)利用适配模块执行LoRa和5G模块的网络转换。通过ATK-LORA-01模块进行LoRa数据的接收，操作系统层上对数据进行处理转发，经由GPIO与5G模块连接并发送。LoRa侧为LoRa自组网，接收前传汇聚电网监测数据；5G侧为5G电网专用网络，将LoRa/5G协议转换数据接入电网中心云服务器。

(2)LoRa侧执行LoRa自组网数据接收以及自组网节点控制和带宽分配；将汇聚监测数据进行CRC校验、身份识别、安全管理和访问控制，组成MQTT协议帧。

(3)5G侧执行将MQTT数据封装到5G数据帧结构，发布者为5G LoRa边缘网关，5GLoRa边缘网关将监控数据发布到云服务器，监控中心可以向它订阅数据，也可以收到云服务器推送的数据。除此之外，MQTT协议支持三种消息发布质量：qos＝0(至多一次，这一级别会产生消息的丢失或者重复，消息的发布依赖于TCP/IP网络)，qos＝1(至少一次，确保消息顺利到达，但可能发生消息重复)，qos＝2(只有一次，确保消息到达一次)。

在其中一些实施例中，所述5G基站通过APN专网通道将电网环境数据接入电网中心云服务器之后，通过控制中心执行5G信号盲区电网的安全管理，具体可以包括以下步骤：

(1)客户机从云服务下载数据，进行数据清洗、设置监控阈值进行核信息提取，提取电网设备和监控系统异常数据。

(2)执行多源数据融合，建立等级评估模型，规范评估等级预警和处理建议。

(3)根据异常数据提取结果，进行源数据追踪，通过MAC地址-地理信息数据库，完成电网故障或者异常状况的溯源和报警。

本申请所设计的5G和LoRa物联网联合组网技术，利用移动通信网络支撑输变电和配电物联网典型场景的环境监控数据传输，利用LoRa自组网进行移动信号盲区的输配电物联网的监控数据传输，利用5G LoRa边缘网关实现5G和LoRa联合组网，以此增强电力物联网全场景的扩展性、适应性和兼容性。

本申请提供的一种基于5G和LoRa联合组网的电网环境监测系统和方法，可以用于山区、电缆沟道、郊区等通信基站覆盖盲区的输配电网络的环境监测。

一种基于5G和LoRa联合组网的电网环境监测方法包括如下步骤：

S1.终端控制模块传感器采集电网环境数据，在移动基站覆盖区接入NB-IoT节点、在通信基站覆盖盲区接入LoRa节点；

S2.NB-IoT汇聚终端采集数据，直连到5G NB-IoT网关；LoRa节点汇聚4G/5G盲区终端采集数据，经由LoRa网关采用多跳级联、路由收敛接力传输，传送到5G LoRa边缘网关；

S3.优选地，电网环境监测数据通过5G NB-IoT网关直接接入5G基站；4G/5G盲区LoRa自组网，优选地，电网环境监测数据通过盲区边缘5G LoRa边缘网关完成LoRa和5G协议转换，接入5G基站；

S4. 5G基站通过APN电网专网通道将数据汇集到电网中心云服务器，接入控制中心。

上述方法中，通过5G和LoRa物联网联合组网技术，针对输变电和配电网在没有移动通信信号，或者区域内移动通信信号覆盖较差，无法依靠单一网络技术实现最优通信网络传输的条件；利用LoRa在没有移动网覆盖的区域内进行自组网，通过LoRa节点汇聚无移动信号区域的数据接力覆盖；另一方面，大范围信号移动信号盲区，输配电线路往往穿越多个4G/5G移动基站，亦或盲区的边缘存在4G/5G移动基站，为克服LoRa自组网带宽限制，通过路由算法和数据优先级调度等方式，实时生成可用的4G/5G移动信道的LoRa自组网数据回传路由；通过设计5G LoRa边缘网关，联合5G网络将回传至中心站，实现LoRa和NB-IoT的联合组网和补盲功能。

基于5G和LoRa联合组网的电网环境监测系统的主要原理：将电缆隧道、无人区等信号盲区的监测传感器与LoRa节点模块完成接口适配，实现输配电网环境数据采集和模数转换，利用LoRa边缘网关功能支持传感器采集数据通过LoRa自组网接力覆盖到移动基站边缘节点，在边缘节点处通过5G LoRa边缘网关功能接入5G电网，传输到中心云平台服务器。联合通信基站覆盖区域广泛连接的5G NB-IoT监控网络，组成5G移动通信与LoRa联合组网的电力传输网络物联网全覆盖监控系统。

如图3所示，所述5G和LoRa联合组网基于5G LoRa边缘网关设计的三个功能模块：

(1)数据采集和汇聚模块，LoRa集成传感器芯片，收集传感器采集环境数据，转换成模拟进行LoRa无线覆盖；

(2)LoRa节点通信模块，LoRa作为数据节点完成LoRa之间的数据通信，通过点对点的多级跳点拓扑结构，完成接力覆盖；

(3)5G LoRa网关模块，开发适配器功能集成LoRa网关侧和5G网关侧，完成LoRa协议转4G/5G协议接入到4G/5G电信网络；统一5G网关侧适配接口，联合NB-IoT网关混合组网传入5G电网专用云平台。

具体地，所述终端采集控制模块通过传感器采集电网环境数据，主要包括温度传感器、湿度传感器和烟感传感器、过电传感器，用以监测环境温度、湿度、沼气和漏电等电网易发事故环境指标。

(1)优选地，当整个电力传输系统处于具备良好的移动信号覆盖的环境，传感器采集环境数据，通过NB-IoT网关布点接入4G/5G网络；

(2)优选地，当整个电力传输系统处于电缆沟道或者无人区等移动信号盲区环境，传感器采集环境数据，监测传感器与LoRa节点模块的接口适配，完成模数转换，通过LoRa节点接入LoRa自组网络。

(3)优选地，通过统一数据适配接口，实现NB-IoT监测数据和LoRa监测网络数据的采集、同步和关联。

进一步地，所述LoRa自组网适用电力传输系统部分或只有两端有移动信号的覆盖，或整个电力传输系统传输路径处于移动信号覆盖不稳定的环境，包括：

(1)所述LoRa节点采用点对点链路型拓扑组网具体为：处于LoRa覆盖边界或节点间有弯道时或节点间有山地遮挡时，设置LoRa边缘网关，通过级联组网方式进行数据接力传输。

(2)第N个LoRa节点通过传感器采集电网环境数据，汇聚前端的N-1个LoRa节点前传监测数据，采用时分复用方式将N个节点的监测数据复用成帧；传输给第N+1个LoRa节点，汇聚并将N+1节点的监测数据复用成帧继续前传；1≤N≤M，M为路由收敛至边缘节点5GLoRa边缘网关的LoRa节点数目。

(3)LoRa自组网通过接力覆盖的方式将移动信号盲区的监测数据前传到存在4G/5G热点的5G LoRa边缘网关，通过最短距离算法进行路由收敛，确定通信路径LoRa节点数目M。

进一步，所述5G LoRa边缘网关，设计适配功能集成LoRa模块和5G模块，通过ARM控制模块完成LoRa协议转换4G/5G协议，接入5G电力专网，包括：

(1)5G LoRa边缘网关LoRa功能侧，接收自组网边缘LoRa节点的扩频信号，进行模数转换获得M路复用LoRa帧，存储汇聚的M个LoRa节点监测环境数据，并完成差错检测、安全和识别认证。

(2)5G LoRa边缘网关5G功能侧，将LoRa节点监测环境数据封装成5G信号帧，完成LoRa协议转换为4G/5G协议，利用5G LoRa边缘网关5G模块APN技术接入电网云平台服务器。

(3)5G NB-IoT网关5G功能侧，将NB-IoT单节点监测环境数据封装成5G信号帧，采用相同的5G模块APN技术传输到电网云平台服务器。

进一步，客户机访问服务器的数据库，使得电网管理人员在远端对电网传输线路的环境数据进行了解以便于实时做出决策，实现LoRa和NB-IoT的联合组网和补盲功能，完成无缝的全覆盖监测，包括：

(1)客户机实时访问中心云服务器数据库，获得环境监测数据。

(2)解复用M路电网环境监测数据；

(3)通过先期建立的NB-IoT、LoRa等节点的识别码-地理信息关联数据库，精确定位监测环境的地理信息。

(4)完成多维监测数据融合、异常数据提取、事故分级预测和灾害定位。

需要说明的是，在上述流程中或者附图的流程图中示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

本申请实施例还提供了一种计算机设备，结合本申请实施例基于5G和LoRa联合组网的电网环境监测方法可以由计算机设备来实现。图4为根据本申请实施例的计算机设备的硬件结构示意图。

计算机设备可以包括处理器51以及存储有计算机程序指令的存储器52。

具体地，上述处理器51可以包括中央处理器(CPU)，或者特定集成电路(Application Specific Integrated Circuit，简称为ASIC)，或者可以被配置成实施本申请实施例的一个或多个集成电路。

其中，存储器52可以包括用于数据或指令的大容量存储器。举例来说而非限制，存储器52可包括硬盘驱动器(Hard Disk Drive，简称为HDD)、软盘驱动器、固态驱动器(SolidState Drive，简称为SSD)、闪存、光盘、磁光盘、磁带或通用串行总线(Universal SerialBus，简称为USB)驱动器或者两个或更多个以上这些的组合。在合适的情况下，存储器52可包括可移除或不可移除(或固定)的介质。在合适的情况下，存储器52可在数据处理装置的内部或外部。在特定实施例中，存储器52是非易失性(Non-Volatile)存储器。在特定实施例中，存储器52包括只读存储器(Read-Only Memory，简称为ROM)和随机存取存储器(RandomAccess Memory，简称为RAM)。在合适的情况下，该ROM可以是掩模编程的ROM、可编程ROM(Programmable Read-Only Memory，简称为PROM)、可擦除PROM(Erasable ProgrammableRead-Only Memory，简称为EPROM)、电可擦除PROM(Electrically Erasable ProgrammableRead-Only Memory，简称为EEPROM)、电可改写ROM(Electrically Alterable Read-OnlyMemory，简称为EAROM)或闪存(FLASH)或者两个或更多个以上这些的组合。在合适的情况下，该RAM可以是静态随机存取存储器(Static Random-Access Memory，简称为SRAM)或动态随机存取存储器(Dynamic Random Access Memory，简称为DRAM)，其中，DRAM可以是快速页模式动态随机存取存储器(Fast Page Mode Dynamic Random Access Memory，简称为FPMDRAM)、扩展数据输出动态随机存取存储器(Extended Date Out Dynamic RandomAccess Memory，简称为EDODRAM)、同步动态随机存取内存(Synchronous Dynamic Random-Access Memory，简称SDRAM)等。

存储器52可以用来存储或者缓存需要处理和/或通信使用的各种数据文件，以及处理器51所执行的可能的计算机程序指令。

处理器51通过读取并执行存储器52中存储的计算机程序指令，以实现上述实施例中的任意一种基于5G和LoRa联合组网的电网环境监测方法。

在其中一些实施例中，计算机设备还可包括通信接口53和总线50。其中，如图4所示，处理器51、存储器52、通信接口53通过总线50连接并完成相互间的通信。

通信接口53用于实现本申请实施例中各模块、装置、单元和/或设备之间的通信。通信接口53还可以实现与其他部件例如：外接设备、图像/数据采集设备、数据库、外部存储以及图像/数据处理工作站等之间进行数据通信。

总线50包括硬件、软件或两者，将计算机设备的部件彼此耦接在一起。总线50包括但不限于以下至少之一：数据总线(Data Bus)、地址总线(Address Bus)、控制总线(Control Bus)、扩展总线(Expansion Bus)、局部总线(Local Bus)。举例来说而非限制，总线50可包括图形加速接口(Accelerated Graphics Port，简称为AGP)或其他图形总线、增强工业标准架构(Extended Industry Standard Architecture，简称为EISA)总线、前端总线(Front Side Bus，简称为FSB)、超传输(Hyper Transport，简称为HT)互连、工业标准架构(Industry Standard Architecture，简称为ISA)总线、无线带宽(InfiniBand)互连、低引脚数(Low Pin Count，简称为LPC)总线、存储器总线、微信道架构(Micro ChannelArchitecture，简称为MCA)总线、外围组件互连(Peripheral Component Interconnect，简称为PCI)总线、PCI-Express(PCI-X)总线、串行高级技术附件(Serial AdvancedTechnology Attachment，简称为SATA)总线、视频电子标准协会局部(Video ElectronicsStandards Association Local Bus，简称为VLB)总线或其他合适的总线或者两个或更多个以上这些的组合。在合适的情况下，总线50可包括一个或多个总线。尽管本申请实施例描述和示出了特定的总线，但本申请考虑任何合适的总线或互连。

另外，结合上述实施例中的基于5G和LoRa联合组网的电网环境监测方法，本申请实施例可提供一种计算机可读存储介质来实现。该计算机可读存储介质上存储有计算机程序指令；该计算机程序指令被处理器执行时实现上述实施例中的任意一种基于5G和LoRa联合组网的电网环境监测方法。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种基于5G和LoRa联合组网的电网环境监测系统，其特征在于，包括：

至少一个NB-IoT节点，所述NB-IoT节点用于汇聚通信基站覆盖区内的传感器采集的电网环境数据；

至少一个LoRa节点，所述LoRa节点用于汇聚通信基站覆盖盲区内的传感器采集的电网环境数据；

5G NB-IoT网关，与所述NB-IoT节点相连接，所述NB-IoT节点汇聚的电网环境数据通过所述5G NB-IoT网关接入5G基站；

5G LoRa边缘网关，与所述LoRa节点相连接，所述LoRa节点汇聚的电网环境数据通过所述5G LoRa边缘网关完成LoRa和5G协议转换后接入所述5G基站；

所述5G基站，用于通过APN专网通道将电网环境数据接入电网中心云服务器。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述至少一个LoRa节点进行自组网，在自组网中，第N个LoRa节点通过传感器采集电网环境数据，汇聚前端的N-1个LoRa节点前传的电网环境数据，将N个节点的电网环境数据复用成帧，传输给第N+1个LoRa节点，所述第N+1个LoRa节点将自身的电网环境数据与前端N个LoRa节点前传的电网环境数据复用成帧继续前传，直至传输至所述5G LoRa边缘网关。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述LoRa节点包括：

传感器，用于采集电网环境数据；

第一主控芯片，所述传感器通过I/O口与所述第一主控芯片相连接，用于对采集的电网环境数据进行处理；

ATK-LoRa-01模块，用于发送所述第一主控芯片处理后的电网环境数据。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述5G LoRa边缘网关包括：

ATK-LoRa-01模块，用于接收所述LoRa节点发送的电网环境数据；

第二主控芯片，用于对接收到的电网环境数据进行处理；

5G模块，通过GPIO与所述第二主控芯片相连接，用于发送所述第二主控芯片处理后的电网环境数据。

5.一种基于5G和LoRa联合组网的电网环境监测方法，其特征在于，包括：

NB-IoT节点汇聚通信基站覆盖区内的传感器采集的电网环境数据，LoRa节点汇聚通信基站覆盖盲区内的传感器采集的电网环境数据；

所述NB-IoT节点汇聚的电网环境数据通过5G NB-IoT网关接入5G基站，所述LoRa节点汇聚的电网环境数据通过5G LoRa边缘网关完成LoRa和5G协议转换后接入所述5G基站；

所述5G基站通过APN专网通道将电网环境数据接入电网中心云服务器。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述LoRa节点汇聚的电网环境数据通过5GLoRa边缘网关完成LoRa和5G协议转换后接入所述5G基站包括：

5G LoRa边缘网关控制LoRa自组网中LoRa节点进行路由规划，并按照规划的路由将所述LoRa节点封装的帧进行汇聚；

所述5G LoRa边缘网关执行LoRa网络接入5G网络和/或LoRa协议转5G协议的软硬件适配。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，5G LoRa边缘网关控制LoRa自组网中LoRa节点进行路由规划包括：

针对链路型拓扑结构，首先判断网络的拥塞状态，选择不拥塞的LoRa节点进行路由；

若网络状况良好，则通过距离矢量算法确定最短路径的LoRa节点进行路由。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述5G LoRa边缘网关执行LoRa网络接入5G网络和/或LoRa协议转5G协议的软硬件适配包括：

利用适配模块执行LoRa侧和5G侧的网络转换；

在LoRa侧执行LoRa自组网数据接收、LoRa自组网节点控制和带宽分配，并将汇聚监测数据进行CRC校验、身份识别、安全管理和访问控制，组成MQTT数据帧；

在5G侧执行将MQTT数据帧封装到5G数据帧结构。

9.一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求5至8中任一项所述的基于5G和LoRa联合组网的电网环境监测方法。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求5至8中任一项所述的基于5G和LoRa联合组网的电网环境监测方法。

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