CN117354960A - 一种基于LoRa技术的组网通信系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及数据传输技术领域，公开了一种基于LoRa技术的组网通信系统及方法，包括一个节点设备以及与所述节点设备双向通信连接的终端设备，其中，所述节点设备包括第一主控制器、第一LoRa模块和人机交互模块，所述第一LoRa模块和人机交互模块分别与所述第一主控制器双向连接；所述终端设备包括第二主控制器和第二LoRa模块，所述第二LoRa模块与所述第二主控制器双向连接；所述第一LoRa模块和所述第二LoRa模块通过RF信号双向连接，且所述第一LoRa模块和所述第二LoRa模块的类型一致。本发明可实现区域内节点设备+多个终端设备的组网形式，并可叠加为多个上述的网络互相交叉覆盖形式。
Description
技术领域
本发明涉及数据传输技术领域，具体涉及一种基于LoRa技术的组网通信系统及方法。
背景技术
LoRa即远距离无线电(Long Range Radio)技术，是semtech公司开发的一种低功耗局域网无线标准，可做到传输距离：城镇可达2-5Km，郊区可达15Km，LoRaWAN是一种基于LoRa远距离通信技术配套设计的一套通讯协议和系统架构。LoRaWAN网络通常以星形拓扑布局，多个终端设备(End Devices)向中心点的网关设备(Getway)发送信息，再由网关设备链接到网络服务器(Server)，用户端挂接在服务器上，实现用户对终端设备的信息获取、控制等应用，具体结构如图4所示，该结构具有如下缺点：
缺点1：对于无需远传或仅需区域内组网场景，组网成本高，硬件设备多。基于上述背景，若LoRa终端设备需组网通信，必需具备多个终端设备、网关设备、服务器、用户端；对于小型物联网络，例如温室大棚内组网传输，仅需将信息从大棚传输至有人值守处，传输距离短(几公里到几十公里)，信息少，上述设备网络拓扑冗长，使用成本高，需要专人维护，不够灵活。
缺点2：缺乏灵活可靠的组网的通信方式。LoRa已规定通信方式，利用此通信方式可以实现由终端设备对终端设备，或终端设备对网关设备的通信；但无多个终端设备之间的组网通信规定，或多个终端与网关设备间的通信方式，这种情形需要依赖各个开发商定制开发。若多个终端设备在同一区域同时传输，则会出现信息干扰情况。
缺点3；网络中缺乏高效的双向通信机制。因LoRa技术本身特点，信息传送速率低(0.3kbps到11kbps之间)，故在现有大多数应用中，例如水表抄录，只设计为终端设备向网关上送少量信息，系统不能够向指定终端设备灵活发送信息，或终端设备主动上送信息(将导致其他终端设备通信错乱)。
发明内容
本发明提供一种基于LoRa技术的组网通信系统及方法，针对上述3个缺点，对于上述无需远传或仅需区域内组网场景设计了一套组网通信方法，该方法优化了局域网结构、通信过程。
本发明通过下述技术方案实现：
一种基于LoRa技术的组网通信系统，包括一个节点设备以及与所述节点设备双向通信连接的终端设备，其中，
所述节点设备包括第一主控制器、第一LoRa模块和人机交互模块，所述第一LoRa模块和人机交互模块分别与所述第一主控制器双向连接；
所述终端设备包括第二主控制器和第二LoRa模块，所述第二LoRa模块与所述第二主控制器双向连接；
所述第一LoRa模块和所述第二LoRa模块通过RF信号双向连接，且所述第一LoRa模块和所述第二LoRa模块的类型一致。
作为优化，所述节点设备还包括第一供电模块、第一采集模块和第一输出模块，所述第一供电模块为所述第一主控制器供电，所述第一采集模块将采集到的外部信号传输给所述第一主控制器，所述第一主控制器通过所述第一输出模块将信号传输至第一执行机构。
作为优化，所述终端设备还包括第二供电模块、第二采集模块和第二输出模块，所述第二供电模块为所述第二主控制器供电，所述第二采集模块将采集到的外部信号传输给所述第二主控制器，所述第二主控制器通过所述第二输出模块将信号传输至第二执行机构。
作为优化，所述第一LoRa模块和所述第二LoRa模块的通信频率至少有两个。
本发明还公开了一种基于LoRa技术的组网通信方法，基于前述的一种基于LoRa技术的组网通信系统上进行数据传输，包括：
S1、初始化发送设备和接收设备，使所述发送设备和接收设备工作在公共频率，用于对所述发送设备和接收设备之间的信道进行监听；
S2、所述发送设备向所述接收设备发送通信请求信号；
S3、判断在规定时间内所述发送设备是否监听到所述接收设备的对所述通信请求信号进行回复的应答信号，若是，说明所述接收设备发送了所述应答信号，并转入工作频率进行监听，跳转至S5，否则，跳转至S4；
S4、判断所述发送设备发送所述通信请求信号的次数是否超过规定次数阈值，若是，则跳转至S1，否则，跳转至S2；
S5、所述发送设备转入工作频率，然后发送数据信号；
S6、判断所述接收设备是否正在规定时间内接收到所述数据信号，若是，则所述接收设备收取所述数据信号，并在接收完所述数据信号后跳转至S1，否则，直接跳转至S1。
作为优化，所述通信请求信号包括通信请求命令字以及组合ID，所述组合ID包括发送设备ID和接收设备ID。
作为优化，所述应答信号包括通信应答命令字以及组合ID，所述组合ID包括发送设备ID和接收设备ID。
作为优化，每一次发送的所述通信请求信号、应答信号和数据信号不超过10帧，每帧数据长度为n。
作为优化，S5中，在建立通信后，在工作频率内所述发送设备使用以下格式发送所述数据信号：起始帧+数据+结束帧，其中，起始帧为0x40+数据长度n，结束帧为0x80+(数据长度按位取反+1)；所述接收设备根据起始帧差长度持续从接收所述数据信号，并用结束帧进行校验。
作为优化，当所述发送设备为节点设备时，所述接收设备为终端设备；当所述发送设备为终端设备时，所述接收设备为节点设备。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1.本发明优化了局域网结构，能够制定终端设备发送信息，或者终端设备能够主动上送信息给节点设备，同时本发明的系统无网关设备、服务器、用户端，仅有终端设备和节点设备，其中终端设备和节点设备可使用同一LoRa模块，无需另购特殊设备，使得实施成本低。
2、通信中使用跳频方式、应答握手模式，即公用频率和工作频率分离，以及收信应答方式建立通信，可以规避相同模块之间的干扰影响。
3、通信数据格式和流程，使得硬件压力降低，可实现区域内节点设备+多个终端设备的组网形式，并可叠加为多个上述的网络互相交叉覆盖形式。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明所述的一种基于LoRa技术的组网通信系统的结构图；
图2为本发明所述的一种基于LoRa技术的组网通信方法的过程图；
图3为利用本发明所述的一种基于LoRa技术的组网通信系统进行组网的组网结构图；
图4为现有技术中的通信系统结构图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-节点设备，1a-第一主控制器，1b-第一LoRa模块，1c-第一采集模块，1d-第一输出模块，1e-第一供电模块，1f-人机交互模块，2-终端设备，2a-第二主控制器，2b-第二LoRa模块，2c-第二采集模块，2d-第二输出模块，2e-第二供电模块。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
本发明对原有星型结构进行优化，将LoRaWAN原有网络拓扑图中网关设备(Getway)网络服务器(Server)及用户端合并为节点设备1(Node devices)。一个典型的区域网络结构为：一个节点设备1和多个终端设备2，如图1所示，本实施例1提供一种基于LoRa技术的组网通信系统，包括一个节点设备1以及与所述节点设备1双向通信连接的终端设备2，其中，
所述节点设备1包括第一主控制器1a、第一LoRa模块1b和人机交互模块1f，所述第一LoRa模块1b和人机交互模块1f分别与所述第一主控制器1a双向连接；
所述终端设备2包括第二主控制器2a和第二LoRa模块2b，所述第二LoRa模块2b与所述第二主控制器2a双向连接；
所述第一LoRa模块1b和所述第二LoRa模块2b通过RF信号双向连接，且所述第一LoRa模块1b和所述第二LoRa模块2b的类型一致。
终端设备2与节点设备1均搭载相同LoRa模块构成，无需按照原LoRaWAN技术中配置网关设备，由节点设备1实现通信链接、仲裁功能，并新增人机交互功能，使得本发明的系统能够更加灵活。
所述节点设备1还包括第一供电模块1e、第一采集模块1c和第一输出模块1d，所述第一供电模块1e为所述第一主控制器1a供电，所述第一采集模块1c将采集到的外部信号传输给所述第一主控制器1a，所述第一主控制器1a通过所述第一输出模块1d将信号传输至第一执行机构。
所述终端设备2还包括第二供电模块2e、第二采集模块2c和第二输出模块2d，所述第二供电模块2e为所述第二主控制器2a供电，所述第二采集模块2c将采集到的外部信号传输给所述第二主控制器2a，所述第二主控制器2a通过所述第二输出模块2d将信号传输至第二执行机构。
所述第一LoRa模块1b和所述第二LoRa模块2b的通信频率至少有两个，第一采集模块1c和第二采集模块2c可以为传感器。
终端设备2和节点设备1均需搭载国家许可的LoRa模块，LoRa模块需包含多个通信频率(至少两个，本发明命名为公共频率、工作频率)，但不可工作在非许可频段，区域内通信距离及通信数量由使用的LoRa模块决定。通信过程中以每帧数据作为分割，每帧数据1byte(8Bit)，长度为n；一次传输数据不超过10帧。
通信过程如实施例2，实施例2的一种基于LoRa技术的组网通信方法，基于实施例1所述的一种基于LoRa技术的组网通信系统上进行数据传输，通信过程中不需区分节点设备1和终端设备2，用A、B设备表示，将A、B互换，下述过程仍成立，即可实现双向通信，即当所述发送设备为节点设备1时，所述接收设备为终端设备2；当所述发送设备为终端设备2时，所述接收设备为节点设备1，可见附图2。
本实施例中，A为发送设备，B为接收设备。
具体包括如下步骤：
S1、初始化发送设备和接收设备，使所述发送设备和接收设备工作在公共频率，用于对所述发送设备和接收设备之间的信道进行监听；
即在初始状态，A、B工作在公共频率，对信道进行监听。
S2、所述发送设备向所述接收设备发送通信请求信号；所述通信请求信号包括通信请求命令字以及组合ID，所述组合ID包括发送设备ID和接收设备ID。
S3、判断在规定时间内所述发送设备是否监听到所述接收设备的对所述通信请求信号进行回复的应答信号，若是，说明所述接收设备发送了所述应答信号，并转入工作频率进行监听，跳转至S5，否则，跳转至S4；所述应答信号包括通信应答命令字以及组合ID，所述组合ID包括发送设备ID和接收设备ID。
S4、判断所述发送设备发送所述通信请求信号的次数是否超过规定次数阈值，若是，则跳转至S1，否则，跳转至S2；
发起通信：A在公共频率发送：通信请求命令字(0x01)+8位组合ID(A设备ID+B设备ID)，用以向A发起通信，随即B监听应答信号，超过等待时间可重试通信，等待时间和重试次数可根据系统自行设定。
其中A设备ID、B设备ID依据LoRa模块性能设定，例：可规定A设备ID占4bit，为1；B设备ID占4bit，为12，则8位组合ID为0x1F。若向ID为1的A设备发起通信请求则B需发送：0x01、0x1F。
应答通信：B收到A的通信请求后，在公用频率发送：通信应答命令字(0x02)+8位组合ID(A设备ID+B设备ID)，完成后转入约定的通信频率进行监听，准备收取数据。若超过等待时间未通信，则转入公共频率继续监听。
S5、所述发送设备转入工作频率，然后发送数据信号，并在发送完毕后所述发送设备转入公共频率，立即进入监听状态；
传输数据：建立通信后，在通信频率内A使用以下格式发送信息：起始帧+数据+结束帧。起始帧为0x40+数据长度(n)，结束帧为0x80+(数据长度按位取反+1)；B根据起始帧差长度持续从接收数据，并用结束帧进行校验。
S6、判断所述接收设备是否正在规定时间内接收到所述数据信号，若是，则所述接收设备收取所述数据信号，并在接收完所述数据信号后跳转至S1，否则，直接跳转至S1。
结束通信：B接收完毕后立即进入监听状态，若B未能成功正确接收所有数据，也应在流程完毕后转入监听状态，A在发送完毕后立即进入监听状态。
应用上述通信方式，在区域内布置布置一节点设备1，多个终端设备2，应用上述通信方法，多个终端即可与节点设备1双向通信
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于LoRa技术的组网通信系统，其特征在于，包括一个节点设备以及与所述节点设备双向通信连接的终端设备，其中，
所述节点设备包括第一主控制器、第一LoRa模块和人机交互模块，所述第一LoRa模块和人机交互模块分别与所述第一主控制器双向连接；
所述终端设备包括第二主控制器和第二LoRa模块，所述第二LoRa模块与所述第二主控制器双向连接；
所述第一LoRa模块和所述第二LoRa模块通过RF信号双向连接，且所述第一LoRa模块和所述第二LoRa模块的类型一致。
2.根据权利要求1所述的一种基于LoRa技术的组网通信系统，其特征在于，所述节点设备还包括第一供电模块、第一采集模块和第一输出模块，所述第一供电模块为所述第一主控制器供电，所述第一采集模块将采集到的外部信号传输给所述第一主控制器，所述第一主控制器通过所述第一输出模块将信号传输至第一执行机构。
3.根据权利要求1所述的一种基于LoRa技术的组网通信系统，其特征在于，所述终端设备还包括第二供电模块、第二采集模块和第二输出模块，所述第二供电模块为所述第二主控制器供电，所述第二采集模块将采集到的外部信号传输给所述第二主控制器，所述第二主控制器通过所述第二输出模块将信号传输至第二执行机构。
4.根据权利要求1所述的一种基于LoRa技术的组网通信系统，其特征在于，所述第一LoRa模块和所述第二LoRa模块的通信频率至少有两个。
5.一种基于LoRa技术的组网通信方法，基于权利要求4所述的一种基于LoRa技术的组网通信系统上进行数据传输，其特征在于，包括：
S1、初始化发送设备和接收设备，使所述发送设备和接收设备工作在公共频率，用于对所述发送设备和接收设备之间的信道进行监听；
S2、所述发送设备向所述接收设备发送通信请求信号；
S3、判断在规定时间内所述发送设备是否监听到所述接收设备的对所述通信请求信号进行回复的应答信号，若是，说明所述接收设备发送了所述应答信号，并转入工作频率进行监听，跳转至S5，否则，跳转至S4；
S4、判断所述发送设备发送所述通信请求信号的次数是否超过规定次数阈值，若是，则跳转至S1，否则，跳转至S2；
S5、所述发送设备转入工作频率，然后发送数据信号；
S6、判断所述接收设备是否正在规定时间内接收到所述数据信号，若是，则所述接收设备收取所述数据信号，并在接收完所述数据信号后跳转至S1，否则，直接跳转至S1。
6.根据权利要求5所述的一种基于LoRa技术的组网通信方法，其特征在于，所述通信请求信号包括通信请求命令字以及组合ID，所述组合ID包括发送设备ID和接收设备ID。
7.根据权利要求5所述的一种基于LoRa技术的组网通信方法，其特征在于，所述应答信号包括通信应答命令字以及组合ID，所述组合ID包括发送设备ID和接收设备ID。
8.根据权利要求5所述的一种基于LoRa技术的组网通信方法，其特征在于，每一次发送的所述通信请求信号、应答信号和数据信号不超过10帧，每帧数据长度为n。
9.根据权利要求5所述的一种基于LoRa技术的组网通信方法，其特征在于，S5中，在建立通信后，在工作频率内所述发送设备使用以下格式发送所述数据信号：起始帧+数据+结束帧，其中，起始帧为0x40+数据长度n，结束帧为0x80+(数据长度按位取反+1)；所述接收设备根据起始帧差长度持续从接收所述数据信号，并用结束帧进行校验。
10.根据权利要求5所述的一种基于LoRa技术的组网通信方法，其特征在于，当所述发送设备为节点设备时，所述接收设备为终端设备；当所述发送设备为终端设备时，所述接收设备为节点设备。
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