CN111107674A - 一种基于野外动物监测设备的LoRa时分组网通信方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于野外动物监测设备的LoRa时分组网通信方法，涉及LoRa通信技术领域，特别涉及一种LoRa通信方法及***。目前LoRa组网针对野外地区存在如下问题：体积大，功耗高，需要接入有线电源；不方便随身携带，不便于野外架设；成本高；LoRaWAN设计复杂，实现技术难度大，可扩展性不强；本发明使用Semtech提供的SX1276 LoRa芯片，利用LoRa基础通信，通过定义一套组网协议流程，进行LoRa之间的组网，采用分时广播机制，建立LoRa组网通信；LoRa网关广播LoRa节点并建立组网通信；LoRa节点处于被动监听状态，监听LoRa网关广播信息并建立组网通信，传输节点数据。LoRa网关和LoRa节点都有唯一的ID，以便在LoRa组网***中进行识别。解决LoRaWAN组网在野外应用存在的问题，以便科研人员实时监控珍稀动物状态。
Description
0、缩略语和关键术语定义
1、技术领域
本发明涉及LoRa通信技术领域，特别涉及一种LoRa通信方法及***。
2、背景技术
2.1技术背景
在当前野外无法被地面网覆盖的地方，会优先选择LoRa进行通信，由于其具备长距离传输，因此也被应用得越来越广泛；当需要在野外监控珍稀动物时，会部署很多传感器，如何通过LoRa将这些传感器的数据传回数据监控中心，以便科研人员实时监控珍稀动物实时状态，面临者巨大的挑战；目前采用的较多的方式是将多个LoRa节点的数据汇总，然后传输到后台服务器；因此如何将多个LoRa节点进行组网，建立一个高效，简单，易用的LoRa组网***，将各节点数据传输到服务器中心，有着很重要的意义。
2.2现有技术
2.2.1现有技术方案
目前市场主推的有LoRaWAN基站技术方案，其具备同时接收和发送多路上行和下行数据，与多个LoRa节点建立组网通信；
2.2.2现有技术方案的缺点
(1)LoRaWAN体积大，功耗高，不适用于野外长时间监测；
(2)LoRaWAN设计比较复杂，实现技术难度大，可扩展性不强；
(3)不便于野外携带和架设；
(4)LoRaWAN成本很高。
3、发明内容
3.1本发明所要解决的技术问题
目前针对LoRa组网，已经有相应的LoRaWAN设备出现；但是针对野外地区，其存在如下问题：
3.2本发明使用Semtech提供的SX1276 LoRa芯片，利用LoRa基础通信，通过定义一套组网协议流程，进行LoRa之间的组网，解决目前LoRaWAN组网在野外应用存在的问题，本发明所能达到的效果：
4、附图说明
为了更清楚地说明现有技术和本申请实施例中的技术方案，下面将对本申请实施例描述中需要使用的附图作简要的介绍。当然，下面有关本申请实施例的附图描述的仅仅是本申请中的一部分实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图，所获得的其他附图也属于本申请的保护范围。
图1 LoRa时分组网方案
图2 LoRa组网通信机制
图3 LoRa组网通信流程
5、具体实施方式
5.1技术方案
本发明的技术方案中，主要采用分时广播机制，来建立LoRa组网通信；在本发明的LoRa组网方案中，有两个必要的角色，LoRa网关，LoRa节点；LoRa网关主要广播LoRa节点并建立组网通信；LoRa节点主要处于被动监听状态，监听LoRa网关广播信息并建立组网通信，传输节点数据。在本发明的LoRa组网方案中，LoRa网关和LoRa节点都有一个唯一的ID，为便于在LoRa组网***中进行识别。
本发明的设计原理：
在LoRa网关中，会包含所有LoRa组网***中LoRa节点的ID信息；在LoRa节点中，会有整个LoRa组网***中唯一的ID编号。
在LoRa网关中，分时广播各LoRa节点；在时刻t[1]广播LoRa节点1，在时刻t[2]广播LoRa节点2，在时刻t[3]广播LoRa节点3，在时刻t[n]广播LoRa节点n，在时刻t[n+1]广播LoRa节点1，依次类推，进行循环广播；在整个LoRa组网***中，在不同时刻，LoRa网关切换不同的ID，广播不同的LoRa节点，各LoRa节点根据接收到的广播信息，确认其中的ID是否与自身匹配来建立组网通信；
本发明LoRa组网通信机制包含四步，在图2中所示：
S1：LoRa网关发出广播信息，广播对应ID的LoRa节点，然后切换到低功耗监听状态；LoRa节点处于低功耗监听状态，当收到LoRa网关广播信息后，解析广播信息，确认广播信息中的ID是否与自身ID相匹配；如果匹配，LoRa切换到正常通信模式，准备发送应答信息；如果不匹配，继续处于低功耗监听状态；
S2：LoRa节点应答LoRa网关广播信息，与之建立组网通信；LoRa网关处于低功耗监听状态，如果在规定时间内无法接收到LoRa节点应答信息，更新广播信息，广播下一LoRa节点；如果在规定时间接收到LoRa节点应答信息，继续接收LoRa节点传输的数据信息；
S3：LoRa节点进行数据传输，LoRa节点切换到低功耗监听状态，监听LoRa网关数据接收确认应答；LoRa网关如果在规定时间无法接收到LoRa节点传输的数据，更新广播信息，广播下一LoRa节点；如果在规定时间内接收到LoRa节点传输的数据，LoRa网关发送数据接收确认信息；
S4：LoRa节点如果在规定时间内无法收到LoRa网关的数据接收应答确认信息，切换到LoRa低功耗监听广播信息状态；如果在规定时间内接收到LoRa网关的数据接收应答确认信息，切换到LoRa低功耗监听广播信息状态；LoRa网关更新广播信息，广播下一LoRa节点。
上面执行流程具体的流程图如图3所示：
5.2实施方式
根据上面LoRa组网通信流程，给出具体实施例：
定义：当前LoRa组网***中有N个节点(1个LoRa网关+n-1个LoRa节点)，***中每一个LoRa分配一个ID号；具体执行步骤如下：
步骤S1：在进行LoRa组网时，首先在LoRa网关中将整个LoRa组网将要接入的LoRa节点ID号配置进去，并计算广播所有LoRa节点所需要花费的时间T；
步骤S2：LoRa网关开始启动广播，首先广播第一个LoRa节点，然后切换到监听LoRa低功耗状态，监听LoRa节点应答广播信息；第一个LoRa节点当前处于低功耗监听LoRa广播信息状态；
步骤S3：如果第一个LoRa节点接收到LoRa广播信息，对广播信息中的ID进行匹配，如果与自身ID一致，则与LoRa网关建立通信组网，并切换到LoRa正常通信模式；如果ID不匹配，继续处于低功耗模式进行监听广播信息；
步骤S4：在第一个LoRa节点与LoRa网关的ID匹配以后，立即给LoRa网关发送广播应答信息；当前LoRa网关处于应答信息监听状态，如果在规定时间未收到应答信息，则更新广播信息中ID，进行下一个LoRa节点的广播；如果LoRa网关在规定时间内收到广播应答信息，则进入正常通信模式，准备接收LoRa节点传输过来的数据；
步骤S5：在第一个LoRa节点发送完广播应答信息以后，再次发送LoRa数据，然后切换到LoRa低功耗监听LoRa网关接收数据应答信息；当前LoRa网关处于正常接收数据状态，如果在规定时间内未接收到数据，则更新广播信息中ID，进行下一个LoRa节点的广播；如果LoRa网关在规定时间内收到LoRa节点传输的数据，立即给LoRa节点发送数据接收确认信息；
步骤S6：第一个LoRa节点处于低功耗监听LoRa网关接收数据应答信息，如果在规定时间接收到LoRa网关的数据接收应答信息，设定深度睡眠时间T，等到睡眠时间到达，监听下一次LoRa网关广播信息；如果在规定时间内未收到LoRa网关接收数据应答信息，进行规定时间内接收到LoRa网关接收数据应答信息同样的处理。
步骤7：根据前面S1-S6同样的步骤，LoRa网关依次广播剩下的所有LoRa节点，直到广播到LoRa节点n-1，然后又从LoRa节点1开始广播。
6、本发明技术方案带来的有益效果
本发明技术方案主要是根据Semtech提供的SX1276 LoRa芯片来完成LoRa组网通信，相比LoRaWAN，技术实现方面更简单，可扩展性强，同理本发明方案也适用于当前半双工通信技术中，需要建立自组网的***中。
在应用方面，本发明技术方案相对目前市面上的LoRaWAN来说，成本低，对于野外无地面网覆盖的地方，易用性更好，体积小，功耗更低，便于野外携带和架设。
Claims (10)
1.一种基于野外动物监测设备的LoRa时分组网通信方法，其特征在于，包括：
本发明的技术方案中，Lora通信组网中需要两个角色，Lora网关和Lora节点；Lora网关主动广播各Lora节点，Lora节点被动监听并响应Lora网关，来建立组网通信；在整个Lora组网***中，每个节点都要一个唯一的ID编号，其中Lora网关中会存储全部Lora节点的ID，Lora节点存储自身ID；同时，在硬件资源条件允许的情况下，本发明中Lora网关对接入的Lora节点无限制。
2.根据权利要求1，其特征在于，Lora网关在本发明中会一直向整个组网***中的Lora节点进行广播，每次广播的节点ID不同。
3.根据权利要求1，其特征在于，Lora网关与Lora节点之间进行每一次通信都有最短时间要求，并且每个Lora节点中会设置此最短时间。
4.根据权利要求1，其特征在于，Lora节点首次开机处于低功耗监听模式，等待Lora网关广播自身节点，通过广播消息中的ID，进行对比来唤醒Lora节点到工作模式，与Lora网关进行数据交互。
5.根据权利要求1，4，其特征在于，Lora节点与Lora网关完成数据交互后，Lora节点切换到低功耗状态，等待下一次Lora网关的广播消息。
6.根据权利要求1，其特征在于，Lora组网通信中，每个节点的ID唯一。
7.根据权利要求1，其特征在于，Lora每个节点进行一次数据交互后，都会切换到低功耗状态。
8.根据权利要求1，其特征在于，在Lora网关所使用的硬件资源条件允许的情况下，Lora网关对接入的Lora节点无数量限制。
9.根据权利要求1，2，3，4，5，其特征在于，Lora网关与Lora节点完成一次数据交互，需要进行四步同步通信操作，Lora网关广播，Lora节点应答，Lora节点数据传输，Lora网关应答。
10.根据权利要求1，4，7，9，其特征在于，整个Lora通信组网方案，在通信过程中，各Lora节点通信不会相互干扰。
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