CN112512006B - 基于lora技术的户外通信监控装置及其应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于LORA技术的户外通信监控装置及其应用方法，包括：监控设备；LORA终端，其上设置有用于采集用户信息的传感器网络，以及与监控设备进行数据通信的LORA通信模块；其中，所述LORA终端上还设置有北斗定位模块；所述传感器网络、北斗定位模块通过LORA终端上的数据汇聚单元与LORA通信模块连接；所述监控设备上设置有与各LORA终端通信连接的LORA数据收发单元、MPU数据处理单元；所述监控设备通过相配合的LTE模块以及以太网PHY模块与外部的公共网络实现连接。本发明通过提供一种基于LORA技术的户外通信及监控装置及其应用方法，基于LORA技术的通信装置可以实时的实现人体的身体状态检测和位置信息的上报，能有效提高户外活动安全性。

Description

基于LORA技术的户外通信监控装置及其应用方法

技术领域

本发明涉及通信领域。更具体地说，本发明涉及一种基于LORA技术的户外通信监控装置及其应用方法。

背景技术

LORA，是一种基于扩频技术的超远距离无线传输方案，属于物联网通信技术之一。LORA技术具有传输距离远、功耗低、接入节点容量大、硬件成本低等特点，在物联网领域得到了广泛的使用。

LORA技术可用于很多场合，例如隧道通信、电网监视、电表、水表、智能农业、智能水利、智能交通、智能社区、环境监视、工业自动化测试、水产养殖等电表的数据收集等。

现有的LORA网络构架由终端节点、网关、网络服务器和应用服务器四部分组成，应用数据可双向传输。这种技术必须依托现有的传输网络，如无线LTE/5G、有线传输网络等，且网关设备需符合标准的LORAWAN协议，适用于符合标准LORAWAN的终端和NetworkServer。对于公有网络受限的地方，这种网络构建方式，就抑制了数据的采集，不能实现远端监控设备对节点终端的监控。

当前，确保户外活动或作业的人员安全，已经成为组织者或企业的共识。因此，与户外人员的通信或了解其身体状况，已成为户外作业的必要条件。而在运营商网络不能覆盖的工作环境下，组织中心不能通过现有公有网络与户外工作人员进行通信，对于户外人员的身体状态信息不能及时获取，在出现问题时不能及时营救，无法提升户外工作的安全性。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种基于LORA技术的户外通信监控装置，包括：

监控设备；

与监控设备通信连接的多个穿戴式LORA终端，其上设置有用于采集用户信息的传感器网络，以及与监控设备进行数据通信的LORA通信模块；

其中，所述LORA终端上还设置有北斗定位模块；

所述传感器网络、北斗定位模块通过LORA终端上的数据汇聚单元与LORA通信模块连接；

所述监控设备上设置有与各LORA终端通信连接的LORA数据收发单元、MPU数据处理单元；

所述监控设备通过相配合的LTE模块以及以太网PHY模块与外部的公共网络实现连接,监控设备采用LORA WAN技术对LORA数据收发单元的数据进行封装，并通过LTE或以太网接入广域网，实现数据的传输功能；。

优选的是，所述LORA终端上设置有通信连接至控制单元的呼叫按钮；

其中，所述控制单元被配置为分别与传感器网络、北斗定位模块、数据汇据单元、LORA通信模块通信连接；

在LORA终端的数据接收通路上，所述LORA通信模块通过协议解封装与控制单元通信连接；

在LORA终端的数据发送通路上，数据汇据单元通过相配合的协议封装与LORA通信模块通信连接。

优选的是，所述传感器网络被配置为包括与人体接触的心率传感器和体温传感器。

优选的是，所述数据收发单元被配置为包括：MCU以及与其通信连接的接收组件以及发送组件；

其中，所述接收组件被配置为包括与MCU通信连接的LORA网关芯片SX1301，以提供与LORA终端通信连接的两个SX1255前端，构成监控终端的接收通道；

所述发送组件被配置为包括与MCU通信连接的LORA芯片SX1278，构成监控终端的发送通道前端。

优选的是，所述监控终端被配置为还包括：

与MPU数据处理单元通信连接的存储单元EMMC、缓存器DDR3；

通过I2C接品、MIPI接口与与MPU数据处理单元通信连接的显示触摸屏组。

一种应用基于LORA技术的户外通信监控装置的方法，在手动工作模式下装置的工作流程被配置为包括：

监控终端根据菜单命令进行操作；

用户点击显示触摸屏组中菜单的查询命令，MPU数据处理单元对此命令进行封装，通过串口发给LORA数据收发单元，LORA数据收发单元进行广播；

LORA终端的LORA通信模块收到监控终端的数据时，通过协议解封装进行解析，并上报给控制单元；

控制单元根据任务指令，通过传感器网络、北斗***获取当前的传感器数据和定位数据，并通过数据汇据单元、协议封装模块对数据进行协议转换、封装，通过LORA通信模块进行发送；

监控设备通过LORA数据收发单元的接收组件收到终端数据时，存入存储单元，显示界面自动刷新当前显示内容，呈现LORA终端当前的传感器数据和定位数据。

优选的是，在自动工作模式下装置的工作流程被配置为包括：

监控设备周期性的将查询命令封包，通过串口发给LORA数据收发单元，LORA数据收发单元通过发送组件进行广播；

LORA终端的LORA通信模块收到监控终端的数据时，通过协议解封装进行解析，并上报给控制单元；

控制单元根据任务指令，通过传感器网络、北斗***获取当前的传感器数据和定位数据，，并通过数据汇据单元、协议封装模块对数据进行协议转换、封装，通过LORA通信模块进行发送；

监控设备通过LORA数据收发单元的接收组件收到终端数据时，存入存储单元，显示界面自动刷新当前显示内容，呈现LORA终端当前的传感器数据和定位数据，并对当前存入存储单元的数据进行路由选择和封装，通过LTE模块或以太网接口，将终端数据送到云端，供远端监控设备查看。

优选的是，还包括在用户通过LORA终端的呼叫按钮发送呼救信息时，LORA终端主动向监控设备发送当前的地址信息和求救信号；

监控设备收到求救信号时，会在界面显示该LORA终端的位置信息，并以声光电或图形标记的形式进行报警提醒。

本发明至少包括以下有益效果：本发明通过提供一种基于LORA技术的户外通信及监控装置，可以在网络覆盖区域实现网关的数传功能，在网络不能覆盖区域，可以通过该装置实现对佩戴该节点终端进行数据监控和管理功能，即基于LORA技术的通信装置可以实时的实现人体的身体状态检测和位置信息的上报，能有效提高户外活动安全性。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明的一个实施例中基于LORA技术的户外通信及监控装置功能框图；

图2为本发明的LORA终端的工作流程图；

图3为本发明监控设备的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1示出了根据本发明的一种基于LORA技术的户外通信监控装置的实现形式，其中包括：

监控设备1，监控设备可作为网关使用，并兼容现有LORA网关设备，将获取的LORA终端数据传至云端，远端监控设备通过云端获取监控数据；；

与监控设备通信连接的多个穿戴式LORA终端2，LORA终端采集人体特征数据和定位信息，其上设置有用于采集用户信息的传感器网络3，以及与监控设备进行数据通信的LORA通信模块4；

其中，所述LORA终端上还设置有北斗定位模块5，通过在LORA终端上内置北斗定位模块，进行实时的户外定位，获取终端所在位置的定位数据信息(节点位置信息)，并通过LORA通信模块送给监控设备；

所述传感器网络、北斗定位模块通过LORA终端上的数据汇聚单元6与LORA通信模块连接，数据汇聚单元用于将传感器数据、北斗定位数据和呼叫信息的并行数据通过TDM方式汇聚成串行数据，并发送到协议封装及解封装单元；

所述监控设备上设置有与各LORA终端通信连接的LORA数据收发单元7、MPU数据处理单元8，MPU数据处理单元完成LORA终端数据的显示屏界面显示、数据格式转换、以太网封包、LORA数据存储等功能；

所述监控设备通过相配合的LTE模块9以及以太网PHY模块10与外部的公共网络实现连接，在这种结构中，监控设备的线路传输侧置有LTE模块和以太网PHY，可通过LTE模块无线单元或以太网接口接入公有运营商网络，实现远端监控设备对LORA终端数据的监控，在这种方案中，LORA终端采集人体特征数据和定位信息，监控设备采用LORA WAN技术对LORA数据收发单元的数据进行封装，并通过LTE或以太网接入广域网，实现数据的传输功能，用于构建一种基于LORA技术的户外通信及监控装置，可以在网络覆盖区域实现网关的数传功能，在网络不能覆盖区域，可以通过该装置实现对佩戴该节点终端进行数据监控和管理功能，通过基于LORA技术的通信装置可以实时的实现人体的身体状态检测和位置信息的上报，可有效提高户外活动安全性，在实际操作中，监控设备采用android操作***，***内安装有终端节点监控的应用程序，用户可根据应用程序查看当前节点的数据，也可以查看历史获取的数据。监控设备可工作于手动模式或自动模式，模式的设置是通过监控设备的屏幕按键实现，而LORA的终端工作流程如图2所示。

如图1，在另一种实例中，所述LORA终端上设置有通信连接至控制单元11的呼叫按钮12，其用于使得LORA终端具备一键呼叫功能，发送求救信号，并通过LORA通信模块发送给监控设备，控制单元将从监控设备发送的数据进行解析，如收到查询命令时，控制单元打开传感器网络和定位模块，进行数据采集和定位数据获取；当控制单元检测到呼叫按键操作时，将呼叫信息送给数据汇聚单元汇聚；

其中，所述控制单元被配置为分别与传感器网络、北斗定位模块、数据汇据单元、LORA通信模块通信连接，在这种结构中，LORA通信模块用于将传感器网络数据和定位数据通过LORA模块的无线单元发送出去，并接收监控设备发送的数据。LORA通信模块与控制单元连接，并受控制单元管理控制，如设置LORA的工作频段、扩频因子等工作参数；

如图1，在LORA终端的数据接收通路上，所述LORA通信模块通过协议解封装13与控制单元通信连接；

在LORA终端的数据发送通路上，数据汇据单元通过相配合的协议封装14与LORA通信模块通信连接，在这种结构中，协议封装及解封装单元，与数据汇聚单元和控制单元相连，并将接收到的串行数据进行协议封装，转换成满足LORA WAN协议的数据并将数据发送到LORA通信模块；协议封装及解封装单元将从LORA通信模块接收到数据解封装，送给控制单元。

在另一种实例中，所述传感器网络被配置为包括与人体接触的心率传感器和体温传感器，LORA终端为人体穿戴设备，内置人体特征的传感器网络，传感器网络包括心率传感器和体温传感器，可采集人体心率和体温数据，通过LORA通信模块送给监控设备。

如图1，在另一种实例中，所述数据收发单元被配置为包括：MCU以及与其通信连接的接收组件以及发送组件，在这种结构中，LORA数据收发单元包括1个LORA数据接收组件、1个LORA数据发送组件和MCU单元构成。LORA数据接收单元可同时接收8个终端节点发送的数据包，同一时刻，LORA发送单元能实现1路LORA数据的发送，MCU完成各节点(终端)数据包的汇聚并发送到MPU数据处理单元，并接收控制命令，进行广播操作等，LORA无线数据收发单元是一款全双工LoRa通信模块，为工业级标准设计，实现LoRa网络数据的高速透传，无需二次开发即可快速部署LoRa网络，实现远距离低功耗的控制和数据采集的目的；

其中，所述接收组件被配置为包括与MCU 18通信连接的LORA网关芯片SX1301 15，以提供与LORA终端通信连接的两个SX1255前端16，构成监控终端的接收通道，模块核心部件采用Semtech公司SX1301进行设计，搭载2个SX1255前端,作为模块的接收通道，包含8个接收通道，其中8个接收通道可同时接收数据。具有低功耗，高灵敏度等特点。采用SX1278作为模块的发送通道的前端，模块可以全双工同时工作，支持数据透明传输，通过配置软件用户可以灵活设定相关配置参数；

所述发送组件被配置为包括与MCU通信连接的LORA芯片SX1278 17，构成监控终端的发送通道前端，采用SX1278作为模块的发送通道的前端，模块可以全双工同时工作，支持数据透明传输，通过配置软件用户可以灵活设定相关配置参数，在这种方案中，监控设备的LORA数据收发单元工作于全双工模式，提供8个接收通道和1个发送通道，其中8个接收通道可同时接收数据，1个数据通道发送数据，具有低功耗，高灵敏度等特点，在实际工作中，LORA数据收发单元通过串口与MPU模块进行数据的透明传输，内部MPU模块对LORA无线收发功能模块串口发送过来的数据进行分类和汇集，并将数据存储于内部存储单元中，用户可根据使用安装应用程序APP实现数据的分类显示，也可以通过界面操作给远端设备发送管理和控制指令。

如图1，在另一种实例中，所述监控终端被配置为还包括：

与MPU数据处理单元通信连接的存储单元EMMC 19、缓存器DDR3 20，其使得监控设备对于公有网络受限地方，该装置可作为监控设备使用，将LORA终端的采集数据保存于本地存储单元中，并在设备的显示触控屏模组显示，监控设备也可以实现对各节点终端的管理控制；

通过I2C接品、MIPI接口与与MPU数据处理单元通信连接的显示触摸屏组21，在这种方案中，监控终端将采集的数据保存于存储单元中，通过显示触控屏模组，操作内置应用软件，实现对获取的终端数据进行管理和监控，更进一步地监控设备可采用内部电池供电或采用交流220V转+12V的交流适配器供电，当内部电池和适配器同时供电时，优先选择适配器供电，内部电池可以取下通过太阳能板进行充电，也可以通过适配器充电，可放置于机房及办公场所，也可以作为手持设备工作于野外环境，设备内部电池可更换，适用于野外环境的长时间使用。

在实际应用中，监控设备的工作流程如图3所示，包括：

1、监控设备的工作模式置于手动模式，设备根据菜单命令进行操作；

用户点击菜单的查询命令，并对此命令进行封装，通过串口发给LORA数据收发单元，LORA数据收发单元进行广播操作；

LORA终端的LORA通信模块收到监控终端的数据时，自动解析，并自动上报给其控制单元，控制单元根据任务指令，获取传感器数据和定位数据，并对数据进行协议转换，送到LORA通信模块发出。

监控设备通过LORA数据收发单元收到终端数据时，存入存储单元，显示界面自动刷新当前显示内容，呈现LORA终端当前的传感器数据和定位数据。

2、监控设备的工作模式置于自动模式，设备工作步骤如下：

监控设备周期性的将查询命令封包，通过串口发给LORA数据收发单元，LORA数据收发单元进行广播操作；

LORA终端的LORA通信模块收到监控终端的数据时，自动解析，并自动上报给其控制单元，控制单元根据任务指令，获取传感器数据和定位数据，并对数据进行协议转换，送到LORA通信模块发出。

监控设备通过LORA数据收发单元收到终端数据时，存入存储单元，显示界面自动刷新当前显示内容，呈现LORA终端当前的传感器数据和定位数据。同时当前存入存储单元的数据进行路由选择和封装，通过LTE模块或以太网接口，将终端数据送到云端，供远端监控设备查看。

3、LORA终端还有一种应用为求救功能，LORA终端按呼叫键，LORA终端主动向监控设备发地址信息和求救信号。监控设备收到求救信号时，会在界面显示该LORA终端的位置信息，并以红色的圆点闪烁时显示。集结中心根据监控设备显示位置进行救援活动。

在具体实施中，本发明与设备连接的各节点LORA终端可以为LORA WAN终端，也可以为私有协议的LORA终端。对于符合LORA WAN协议的节点终端数据，MPU模块对数据进行重新封装和路由选择，选择通过LTE或有线广域网络进行传输。对于不符合LORA WAN协议的节点终端数据，设备可通过节点终端的ID号进行节点区分，MPU模块对接收的数据进行协议转换，使LORA物理层的数据转换为满足LORA WAN协议的数据，并能通过LTE功能单元或有线RJ45接口连接公共网络，将节点数据上传至云端，远端监控设备可通过访问云端对节点设备进行监控。

以上方案只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。

这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (4)

1.一种基于LORA技术的户外通信监控装置，其特征在于，包括：

监控设备；

与监控设备通信连接的多个穿戴式LORA终端，其上设置有用于采集用户信息的传感器，以及与监控设备进行数据通信的LORA通信模块；

其中，所述LORA终端上还设置有北斗定位模块；

所述传感器、北斗定位模块通过LORA终端上的数据汇聚单元与LORA通信模块连接；

所述监控设备上设置有与各LORA终端通信连接的LORA数据收发单元、MPU数据处理单元；

所述监控设备通过相配合的LTE模块以及以太网PHY模块与外部的公共网络实现连接；

所述LORA终端上设置有通信连接至控制单元的呼叫按钮；

其中，所述控制单元被配置为分别与传感器、北斗定位模块、数据汇聚单元、LORA通信模块通信连接；

在LORA终端的数据接收通路上，所述LORA通信模块通过协议解封装与控制单元通信连接；

在LORA终端的数据发送通路上，数据汇聚单元通过相配合的协议封装与LORA通信模块通信连接；

与监控设备连接的各节点LORA终端可以为LORA WAN终端，也可以为私有协议的LORA终端，对于符合LORA WAN协议的节点LORA终端数据，MPU模块对数据进行重新封装和路由选择，选择通过LTE或有线广域网络进行传输；对于不符合LORA WAN协议的节点LORA终端数据，设备可通过节点LORA终端的ID号进行节点区分，MPU模块对接收的数据进行协议转换，使LORA物理层的数据转换为满足LORA WAN协议的数据，并能通过LTE功能单元或有线RJ45接口连接公共网络，将节点数据上传至云端，远端监控设备可通过访问云端对节点LORA终端进行监控；

监控设备采用android操作***，***内安装有对节点LORA终端进行监控的应用程序，用户可根据应用程序查看当前节点的数据或历史获取的数据；

监控设备可工作于手动模式或自动模式；

在手动工作模式下监控设备的工作流程被配置为包括：

监控设备根据菜单命令进行操作；

用户点击显示触摸屏模组中菜单的查询命令，MPU数据处理单元对此命令进行封装，通过串口发给LORA数据收发单元，LORA数据收发单元进行广播；

LORA终端的LORA通信模块收到监控设备的数据时，通过协议解封装进行解析，并上报给控制单元；

控制单元根据任务指令，通过传感器、北斗***获取当前的传感器数据和定位数据，并通过数据汇聚单元、协议封装模块对数据进行协议转换、封装，通过LORA通信模块进行发送；

监控设备通过LORA数据收发单元的接收组件收到终端数据时，存入存储单元，显示界面自动刷新当前显示内容，呈现LORA终端当前的传感器数据和定位数据；

在自动工作模式下监控设备的工作流程被配置为包括：

监控设备周期性的将查询命令封包，通过串口发给LORA数据收发单元，LORA数据收发单元通过发送组件进行广播；

LORA终端的LORA通信模块收到监控设备的数据时，通过协议解封装进行解析，并上报给控制单元；

控制单元根据任务指令，通过传感器、北斗***获取当前的传感器数据和定位数据，并通过数据汇聚单元、协议封装模块对数据进行协议转换、封装，通过LORA通信模块进行发送；

监控设备通过LORA数据收发单元的接收组件收到终端数据时，存入存储单元，显示界面自动刷新当前显示内容，呈现LORA终端当前的传感器数据和定位数据，并对当前存入存储单元的数据进行路由选择和封装，通过LTE模块或以太网接口，将终端数据送到云端，供远端监控设备查看；

LORA终端还可以在用户通过LORA终端的呼叫按钮发送呼救信息时，LORA终端主动向监控设备发送当前的地址信息和求救信号；

监控设备收到求救信号时，会在界面显示该LORA终端的位置信息，并以声光电或图形标记的形式进行报警提醒。

2.如权利要求1所述的基于LORA技术的户外通信监控装置，其特征在于，所述传感器被配置为包括与人体接触的心率传感器和体温传感器。

3.如权利要求1所述的基于LORA技术的户外通信监控装置，其特征在于，所述数据收发单元被配置为包括：MCU以及与其通信连接的接收组件以及发送组件；

其中，所述接收组件被配置为包括与MCU通信连接的LORA网关芯片SX1301，以提供与LORA终端通信连接的两个SX1255前端，构成监控设备的接收通道；

所述发送组件被配置为包括与MCU通信连接的LORA芯片SX1278，构成监控设备的发送通道前端。

4.如权利要求1所述的基于LORA技术的户外通信监控装置，其特征在于，所述监控设备被配置为还包括：

与MPU数据处理单元通信连接的存储单元EMMC、缓存器DDR3；

通过I2C接口、MIPI接口与MPU数据处理单元通信连接的显示触摸屏模组。

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