一种星载物联网网关及物联网通信方法与流程

本发明涉及物联网通信
技术领域：
，尤其涉及一种星载物联网网关及物联网通信方法。
背景技术：
：物联网(internetofthings，iot)是指通过各种信息传感设备(如射频识别、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等)，按约定的协议，把任何物品通过物联网域名相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络概念。随着物联网技术应用越来越广泛，lpwan(low-powerwide-areanetwork，低功耗广域网)技术成为主流发展趋势，nb-iot(narrowbandinternetofthings，窄带物联网)与lora(longrange，长距离)数据传输技术是lpwan技术的典型代表。nb-iot和lora都需要在地面布设基站接收其覆盖区域内的物联网终端数据，但针对海洋、山区、沙漠等无人区及自然灾害等恶劣环境下的数据通信与控制需求，由于空间、环境等限制，地面无法布设基站或者布设基站成本太高。对此，可以构建天基物联网，利用基于卫星的广域物联网技术，通过天基物联网载荷和终端设备，将复杂环境下的传感器连入天基物联网，实现物联信息的跨地域传输。然而，传统的物联网地面通信技术与卫星通信技术不相同，无法互联互通。技术实现要素：有鉴于此，本发明提出一种物联网网关及物联网通信方法，以解决上述技术问题。首先，为实现上述目的，本发明提出一种星载物联网网关，所述星载物联网网关包括处理器以及与所述处理器连接的收发器，所述收发器用于接收物联网终端发送的数据或者向物联网终端发送数据，所述处理器还与星载计算机通信连接，采用远距离广域网lorawan协议建立物联网终端与星载计算机之间的通信。可选地，所述处理器采用远距离广域网lorawan协议建立物联网终端与星载计算机之间的通信，包括：采用啁啾扩频ccs调制体制建立物联网终端与星载计算机之间的物理信道。可选地，所述处理器通过至少两个串行外设接口spi与至少两个相互独立的收发器分别连接。可选地，每个收发器包括一个基带芯片以及与所述基带芯片分别连接的两个射频前端芯片，所述基带芯片与所述处理器的spi连接，所述射频前端芯片用于将同相正交数字信号转换为无线电模拟信号。可选地，每个基带芯片还与所述处理器的两个通用输入/输出gpio连接，所述处理器通过所述两个gpio分别向所述基带芯片提供复位信号以及卫星导航授权秒脉冲。可选地，每个基带芯片的多个中频调制解调器通道带宽固定为预设带宽，每个中频调制解调器通道的中心频率不同，每个中频调制解调器通道用于接收或者发送多种不同速率的信号。可选地，所述处理器采用速率自适应adr机制实现与物联网终端之间的通信。可选地，所述处理器采用adr机制实现与物联网终端之间的通信，包括：获取所述星载物联网网关与目标物联网终端之间的目标距离；获取与所述目标距离对应的目标扩频因子sf以及目标传输速率；以所述目标sf以及目标传输速率向所述目标物联网终端发送数据。可选地，所述处理器的控制器局域网络can总线与所述星载计算机通信连接。进一步地，为实现上述目的，本发明还提供一种物联网通信方法，应用于星载物联网网关，所述方法包括：采用远距离广域网lorawan协议建立物联网终端与星载计算机之间的通信。可选地，所述采用远距离广域网lorawan协议建立物联网终端与星载计算机之间的通信，包括：采用啁啾扩频ccs调制体制建立物联网终端与星载计算机之间的物理信道。可选地，所述采用远距离广域网lorawan协议建立物联网终端与星载计算机之间的通信，包括：采用速率自适应adr机制实现与物联网终端之间的通信。可选地，所述采用adr机制实现与物联网终端之间的通信，包括：获取所述星载物联网网关与目标物联网终端之间的目标距离；获取与所述目标距离对应的目标扩频因子sf以及目标传输速率；以所述目标sf以及目标传输速率向所述目标物联网终端发送数据。相较于现有技术，本发明所提出的星载物联网网关包括处理器以及与所述处理器连接的收发器，所述收发器用于接收物联网终端发送的数据或者向物联网终端发送数据，所述处理器还与星载计算机通信连接，采用远距离广域网lorawan协议建立物联网终端与星载计算机之间的通信。这样，本发明提供的星载物联网网关使用相同的协议与物联网终端以及星载计算机进行通信，从而能够直接实现物联网终端与星载计算机之间的互联互通，而不需要在地面布设基站，从而实现天基物联网技术。附图说明图1是实现本发明各个实施例的一种星载物联网网关的应用环境示意图；图2是本发明实施例提供的一种星载物联网网关的结构示意图；图3是本发明实施例提供的另一种星载物联网网关的结构示意图；图4是本发明实施例提供的另一种星载物联网网关的结构示意图；本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。具体实施方式应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。在后续的描述中，使用用于表示元件的诸如“模块”、“部件”或“单元”的后缀仅为了有利于本发明的说明，其本身没有特定的意义。因此，“模块”、“部件”或“单元”可以混合地使用。物联网是新一代信息技术的重要组成部分，也是“信息化”时代的重要发展阶段。物联网通过智能感知、识别技术与普适计算等通信感知技术，广泛应用于网络的融合中，也因此被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮。根据数据流向和处理方式可将物联网以下三层：传感层：用于感知、识别物体或环境状态并且实时采集、捕获信息，它由包括二维码标签、识读器、rfid(radiofrequencyidentification，射频识别)标签、读写器、摄像头、gps(globalpositioningsystem，全球定位系统)、传感器、计量器等器件以及m2m(machine-to-machine，机器对机器)终端、传感器网络和传感网关等构成，通过传感器获取信息，并通过接收网关获得控制命令。物联网在传感层所面临的挑战是如何使传感器更敏感、拥有更全面的感知能力并且具备低功耗、体积小及低成本的属性。网络层：用于通过无线或有线的通信方式接入网络，如互联网、电信网等通信网络，实现信息在传感层与应用层之间的传递。网络层要具备网络运营和信息运营的能力，网络层中也包括对海量信息进行智能处理的部分，如云计算平台、物联网管理中心等。网络层所面临的挑战是大规模m2m连接对系统容量及qos(qualityofservice，服务质量)带来的特别要求。应用层：用于实现物联网信息技术与终端行业专业技术的深度接触，完成物体信息的协同、共享、分析、决策等功能，从而形成智能化应用的解决方案，由包括电脑、手机等终端组成的输入输出控制终端组成。应用层所面临的挑战是信息共享及信息安全问题。传统的物联网接入手段，如wi-fi(wirelessfidelity，无线局域网)、zigbee(低功耗局域网)、蓝牙等的传输距离太短，要通过用户移动终端、中继网关或ap(accesspoint，访问接入点)将数据发送至基站，从而容易导致数据准确率低、功耗较高的问题。而移动通信网络(例如：2g、3g、4g)虽然可用于低数据量的传感器数据的传输，但成本和功耗都比较高。为了推动物联网向低成本低功耗领域发展，新型窄带物联网技术的研发在近几年被逐渐提上日程。与传统蜂窝通信的需求不同，目前占物联网市场60％以上的是带宽低于100kb/s的低速率、低功耗、广域应用，即lpwan技术。这类应用需要物联网具有支持海量连接数、低终端成本、低终端功耗和超强覆盖能力等能力。目前lpwan技术可被分为授权频段的广域网技术及非授权频段的广域网技术两类，不同的lpwan技术在接入网络、部署方式、技术特点、功耗性能及服务模式上都有所差异。nb-iot与lora是lpwan低功耗广域网技术的典型代表，也是最有发展前景的两个低功耗广域网通信技术，这两种lpwan技术都有覆盖广、连接多、速率低、成本低、功耗少等特点，都适合低功耗物联网应用。nb-iot是在基于fddlte(frequencydivisionduallongtermevolution，频分双工长期演进)技术上改造而来的，物理层设计大部分沿用lte系统技术，如上行采用sc-fdma(single-carrierfrequency-divisionmultipleaccess，单载波频分多址)，下行采用ofdm(orthogonalfrequencydivisionmultiplexing，即正交频分复用)。高层协议设计沿用lte(longtermevolution，长期演进)协议，针对其小数据包、低功耗和大连接特性进行功能增强。lora是由semtech公司开发的一种技术，典型工作频率在美国是915mhz，在欧洲是868mhz，在亚洲是433mhz。lora的物理层(phy)使用了一种独特形式的带前向纠错(fec)的ccs(啁啾)扩频技术。这种扩频调制允许多个无线电设备使用相同的频段，只要每台设备可以采用不同的扩频比和数据速率，其典型范围是2km至5km，最长距离可达15km，具体取决于所处的位置和天线特性。nb-iot和lora都是需要地面布设基站接收其覆盖区域内的物联网终端数据，但针对海洋、山区、沙漠等无人区及自然灾害等恶劣环境下的数据通信与控制需求，由于空间、环境等限制，地面无法布设基站或或成本太高，在这些应用场景下基于基站的地面物联网将无能为力。可以构建天基物联网，利用基于卫星的广域物联网技术优势，通过天基物联网载荷和终端设备，将复杂环境下的传感器连入天基物联网，实现物联信息的跨地域传输，解决目前地面物联网短板。基于卫星的广域物联网技术，即天基物联网相比于传统物联网增加了许多独特的优势，包括通信网络覆盖地域广，可实现全球覆盖，传感器的布设几乎不受空间限制；几乎不受天气和气候影响，全天时全天候系统抗毁性强，自然灾害、突发事件等应情况下依旧能够正常工作；系统抗毁性强，自然灾害、突发事件等应急情况下依旧能够正常工作。天基物联网实质上是一种低速窄带卫星通信系统，其功能是将分散于全球各地的有用信息，特别是针对无人区或海洋上的相关气象、水文，海洋探测、环境监测、科学与管理数据等应用，通过卫星采集接收并转发给相应的使用与管理部门，可在短时间内获取大量资料和数据，是一种新型的实时收集数据的有效手段。需求分析表明，在环境监测保护、地震监测预报、森林防护、海洋监测、大中型水情测报、气象预报、油气田、油气管道网、农业、铁路、公路、航运交通管理、铁路、公路、航运交通管理、野生动物保护、工业与军用广域实时协同控制等行业具有广阔的应用前景。根据卫星轨道高度可将天基物联网划分为两类：地球静止轨道卫星的天基物联网业务(geo)和低轨卫星的天基物联网业务(leo)。近地轨道的天基物联网因为卫星轨道低、作用距离近，天基物联网天基物联网射和接收设备简便价廉；天线指向精度要求较低；可收集全球任何地区的数据资料，取得了广泛的应用。低轨卫星天基物联网系统具有传输时延短、路径损耗小、易实现全球覆盖及避开了静止轨道的拥挤等优点。基于上述应用场景，下面结合具体实施例对本发明提供的星载物联网网关进行详细描述。请参阅图1，图1为本发明实施例提供的一种星载物联网网关的应用环境示意图，如图1所示，星载物联网网关100包括处理器101以及与所述处理器101连接收发器102，所述收发器102用于接收物联网终端300发送的数据或者向物联网终端300发送数据，所述处理器101还与星载计算机200通信连接，采用lorawan(longrangewide-areanetwork，远距离广域网)协议建立所述物联网终端300与所述星载计算机200之间的通信。所述物联网终端300的个数可以为多个，图1所示的实施例为两个为例，但并不以此为限。本发明实施例中，所述星载物联网网关100采用lorawan协议建立所述物联网终端300与所述星载计算机200之间的通信，从而能够实现所述物联网终端300与所述星载计算机200之间的互联互通，不需要在地面布设基站，从而实现天基物联网技术。可以理解的是，目前主流物联网技术聚焦在nb-iot和lorawan两种体制上，其中，nb-iot基于lteofdm技术，其子载波带宽为15khz，数百公里高度的地轨卫星在uhf(ultrahighfrequency，特高频)载波频率情况下最大多普勒达到10khz，此时nb-iot无法进行正常解调。此外，由于nb-iot依赖于传统通信基站系统，其入网流程复杂，在卫星上实现难度极大。本发明实施例中，lorawan采用ccs调制体制，也就是说，所述星载物联网网关100采用lorawan协议建立物联网终端300与星载计算机200之间的通信的方式具体可以为采用ccs调制体制建立所述物联网终端与星载计算机之间的物理信道，由于ccs调制体制多多普勒不敏感，因此，本发明提供的星载物联网网关可以适应低轨卫星情况下的动态应用。此外，本发明提供的星载物联网网关采用的lorawan协议开销小，对于构建低轨物联网星座具有优势。所述处理器101可以为高性能集成处理器，例如可以是型号为“zynq-7000soc”的处理器，该型号的处理器的可编程逻辑可以由用户配置，这样可以提供用户自定义的任意逻辑功能，从而扩展处理系统的性能及功能，该型号的处理器采用arm+fpga组合架构，其中arm为双核cotex-a9，运行linux操作系统，称为ps；fpag为可编程逻辑，称为pl。参见图2，图2为本发明实施例提供的一种星载物联网网关的结构示意图，如图2所示，本发明实施例中，所述收发器102的个数为至少两个，需要说明的是，图2所示的实施例以收发器102的个数为两个为例，但并不一次为限。所述处理器101通过至少两个spi(serialperipheralinterface，串行外设接口)与至少两个相互独立的收发器分别连接，其中，每个收发器102通过一个spi与所述处理器101连接。参阅图3，图3为本发明实施例提供的另一种星载物联网网关的结构示意图，如图3所示，每个收发器102包括一个基带芯片1021以及与所述基带芯片1021连接的两个射频前端芯片1022，所述基带芯片1021与所述处理器101的spi连接，所述射频前端芯片1022用于将i/q(in-phase/quadrature，同相正交数字信号)转换为无线电模拟信号。参阅图4，图4为本发明实施例提供的另一种星载物联网网关的结构示意图，如图4所示，每个基带芯片(如图4中的sx1301)还与所述处理器101的两个gpio(generalpurposeinputoutput，通用输入/输出)连接，所述处理器101通过所述两个gpio分别向所述基带芯片提供复位信号以及卫星导航授权秒脉冲信号。如图4所示，所述基带芯片可以为如图4所示的型号为“sx1301”的基带芯片，所述射频前端芯片可以为如图4所示的型号为“sx125x”的射频前端芯片，需要说明的是，型号“sx125x”可以为型号“sx1255”，也可以为型号“sx1257”。所述收发器102还包括与射频前端芯片连接的滤波器、功放、切换开关等，由于收发器102的构造属于现有技术范畴，此处不对其他结构进行详细描述，所述收发器102用于对寄存器配置的数据或调制解调数据的接收与发送。所述星载物联网网关100还包括与所述处理器101连接的卫星导航接收机103，用于接收信号，并向所述处理器101发送时间信号以及秒脉冲信号。本发明实施例中，所述gpio为32bitgpio。本发明实施例中，每个基带芯片1021的多个中频调制解调器通道带宽固定为预设带宽，每个中频调制解调器通道的中心频率不同，每个中频调制解调器通道用于接收或者发送多种不同速率的信号。这样，每个中频调制解调器可以接收或者发送多种不同速率的信号，能够有效扩大物联网覆盖范围。假设所述基带芯片为sx1301，预设带宽为125khz，具体地，每个sx1301的if0～if7调制解调器通道带宽固定为125khz，if0～if7调制解调器中的每个通道设置不同的中心频率，这样，每个通道可以接收sf7～sf12共6种速率的lora信号，其中，sf7～sf12表示多个不同的速率等级。sx1301的if8调制解调器通道带宽支持125khz、250khz以及500khz，if9调制解调器通道用于收发(g)fsk【(gauss)frequencyshiftkeying，高斯频移键控】信号。由于lora是扩频调制技术，不同扩频因子的无线信号是正交的，因此同一个信道中的sf(spreadfactor，扩频因子)中sf7～sf12(对应速率分别为dr7～dr12)的6个无线电信号彼此之间不相冲突。这样，一个型号为“sx1301”的基带芯片可以构建6*8＝48个虚拟信道。假设一个星载物联网网关中包括n个收发器，则该星载物联网网关支持的虚拟信道数可达48*n个。例如，当一个星载物联网网关中包括2个收发器，则该星载物联网网关支持的虚拟信道数量为48*2＝96个。这样，本发明实施例提供的星载物联网网关能够有效提高物联网的容量以及频段覆盖性，单星节点容量可达到10万以上，非常适用于低轨卫星面向的广域大容量物联覆盖应用。此外，由于lorawan在不同的地区使用的频率是不同的，其支持频段包括434mhz、470、510mhz、780mhz、868mh和915mhz。因此在低轨卫星用于全球不同区域物联连接时，通过设置多个收发器，可以实现多频段的组合覆盖，增强覆盖能力。本发明实施例中，所述处理器101采用adr(adaptivedatarate，速率自适应)机制实现与物联网终端之间的通信。具体地，所述处理器101可以获取所述星载物联网网关100与目标物联网终端之间的目标距离，然后获取与所述目标距离对应的目标sf以及目标传输速率，然后以所述目标sf以及目标传输速率向所述目标物联网终端发送数据。可以理解的是，低轨卫星由于围绕地球运动的原因，星地通信距离变化剧烈，最近距离与最远距离差别较大，不同位置的物联网终端由于与星载物联网网关之间的距离不同，在星载物联网网关端节点信号间容易产生强弱信号干扰，降低了接入概率，减少了系统容量。基于adr的物联节点接入技术能够根据物联网终端与星载物联网网关之间的距离为不同的物联网终端配置不同空中速率，每次通信可以根据物联网终端与星载物联网网关之间通信距离预算信号强度，选择不同的扩频因子sf和传输速率来发送数据。这样，物联网终端在每次通信时可以切换到8个频率中任意一种，有效降低同频干扰和远近效应影响；此外，每次通信时可以根据物联网终端与星载物联网网关之间的距离使用不同的扩频因子和传输速率，距离越远采用的扩频因子越高、传输速率越低，距离越近采用的扩频因子越低、传输速率越高。这样在不同的通信距离上同样信息量的传感器数据传输时间可随机化，并且通信距离近的物联网终端因为采用高速率可以大大缩短无线电的空中时间，从而给其他物联网终端通信留下宝贵的带宽，大幅扩展了网络容量。本发明实施例中，所述星载物联网网关100中可以预先存储有多个不同的距离范围，以及每个距离范围对应的sf以及传输速率，所述处理器101在获取到所述星载物联网网关100与目标物联网终端之间的目标距离后，判断所述目标距离落入的距离范围，然后获取落入的距离范围对应的sf以及传输速率。举例而言，假设低轨卫星轨道高度为712千米，星载物联网网关的天线张角为120度，多个物联网终端与所述星载物联网网关之间的最大距离为1819千米，最小距离为712千米，对应的链路损耗相差8.15分贝，对应的信息速率差异为6.5倍，所述星载物联网网关可以根据下表查询对应的目标sf以及目标传输速率。表1：距离与传输速率对应关系表这样，所述星载物联网网关能够根据物联网终端与物联网网关之间的距离配置最佳的传输速率，能够有效降低同频干扰以及远近效应影响，并且能够大幅扩展网络容量。需要说明的是，当物联网终端需要向所述星载物联网网关发送数据时，也可以根据上述方式配置传输速率。如图4所示，本发明实施例中，所述处理器101的can(controllerareanetwork，控制器局域网络)总线与所述星载计算机200连接，实现所述星载物联网网关100与星载计算机200之间的通信。可以理解的是，星载物联网网关运行在复杂的空间环境中，系统总线作为各分系统之间的数据传输枢纽，不仅要求能实现数据传输功能，还要具有较强的空间环境环境适应能力。本发明采用所述处理器101的can总线控制作为can通信接口，通过该can总线和相应的运行于arm内核的设备驱动实现了can协议的物理层和数据链路层，可完成对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余校验、优先级判别等工作。如图4所示，所述处理器101还通过所述can总线与测控应答机400以及其他载荷500连接，从而实现网关载荷的遥测遥控功能。本发明实施例中的，所述星载物联网网关100可以采用如下两表中的遥测参数或者遥控指令进行遥测遥控。表2：遥测参数表3：遥控参数指令代号指令描述类型zcfg_cmd工作配置指令传送指令grst_cmdgw模块复位指令传送指令zpwr_cmd设备开关机指令传送指令zbtmd_cmd设备引导模式指令传送指令zrst_cmd整机复位指令传送指令本发明实施例还提供一种物联网通信方法，应用于上述星载物联网网关100中，所述方法采用lorawan协议建立物联网终端与星载计算机之间的通信。可选地，所述采用远距离广域网lorawan协议建立物联网终端与星载计算机之间的通信，包括：采用啁啾扩频ccs调制体制建立物联网终端与星载计算机之间的物理信道。可选地，所述采用远距离广域网lorawan协议建立物联网终端与星载计算机之间的通信，包括：采用速率自适应adr机制实现与物联网终端之间的通信。可选地，所述采用adr机制实现与物联网终端之间的通信，包括：获取所述星载物联网网关与目标物联网终端之间的目标距离；获取与所述目标距离对应的目标扩频因子sf以及目标传输速率；以所述目标sf以及目标传输速率向所述目标物联网终端发送数据。所述物联网通信方法实现的各个步骤已经在上述星载物联网网关的描述中进行了详细描述，此处不再赘述。需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如rom/ram、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端设备(可以是手机，计算机，服务器，空调器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的
技术领域：
，均同理包括在本发明的专利保护范围内。当前第1页12