一种基于LoRa设备的无线通信网络组网方法及系统与流程

本发明涉及无线通信技术领域，尤其是涉及基于lora设备的无线通信网络组网方法及系统。

背景技术：

低功耗广域网络lpwan(lowpowerwideareanetwork)是一种专为低带宽、低功耗、远距离、大量连接的物联网应用而设计的无线网络。lpwan可分为两类：一类是工作于未授权频谱的lora、sigfox等技术；另一类是工作于授权频谱下，3gpp支持的2/3/4/5g蜂窝通信技术，比如ec-gsm、ltecat-m、nb-iot等。

其中，lora是由美国semtech公司开发的一种基于1ghz以下的低功耗远距离数据传输技术，具有低功耗、低成本与传输距离远等特点，传输距离可达1～20公里，城区内1～2公里。随着2015年lora联盟成立以及lora芯片的推出，物联网呈现了爆发式发展的态势。但是经过5年的发展，物联网项目落地难，实施周期长的问题始终未得到有效的解决。目前在国内主要应用的lora技术存在以下问题：lora技术对lorawan网关资源要求高，导致网关成本高；而且由于采用星型网架构而不支持无线中继，在诸多无线环境恶劣的行业或场景中无法实现终端的百分百接入，若是为了几个无法接入的终端额外增加lorawan网关，将导致成本大幅增加。

技术实现要素：

本发明提供一种基于lora设备的无线通信网络组网方法，以解决现有无线通信网络组网方法成本过高的技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种基于lora设备的无线通信网络组网方法，所述lora设备包括lora网关、lora中继器、lora终端；

所述lora网关分别与lora中继器、lora终端无线连接，并与后台服务器通讯；所述lora中继器在所述lora设备之间做无线数据转发；所述lora终端连接多个485设备；

所述组网方法，包括以下步骤：

对所述lora设备配置用于无线空中寻址的无线设备id，根据所述无线设备id对空中数据进行收发处理；

响应于接收到的同步唤醒信号，将所述lora设备从休眠模式切换为工作模式以进行无线数据传输；

根据在无线空中协议的配置码中预设的加密方式配置位进行公钥加密/解密或私钥加密/解密，以确保无线数据传输的数据安全；

通过在发送方和接收方的空中协议数据中增设预设字节的信道号以防信道数据串扰；

在所述lora设备上设置固定配置频点并控制所述lora设备在以最低无线速率侦听到目标地址所属的数据包时，根据接收到的跳频命令改变当前信道；

在所述lora设备发送无线数据之前，若检测到当前发送频点满足预设的自动跳频条件时，则切换所述当前发送频点到预设干净频点进行通信；

在所述lora设备的所述lora网关接收到所述后台服务器下发的命令时，将所述命令中的流水号填入所述空中协议中，将接收方根据所述命令生成的命令应答的流水号填入到所述控制协议中，根据所述控制协议中的流水号识别每一命令以及对后台服务器的命令作出对应的应答。

在本发明的其中一种实施例中，所述对所述lora设备配置用于无线空中寻址的无线设备id，根据所述无线设备id对空中数据进行收发处理；具体为：

发送方设置空中数据，并将所述空中数据发送至接收方；其中，所述空中数据包括但不限于接收无线设备id、发送无线设备id和无线路由；

接收方收到所述空中数据后，若所述空中数据的接收无线设备id是自身无线设备id或广播设备id则进行处理，否则不予处理；处理时，若所述空中数据中的接收无线设备id是自身无线设备id则处理数据并返回应答，否则根据所述空中数据中的无线路由进行转发。

在本发明的其中一种实施例中，所述响应于接收到的同步唤醒信号，将所述lora设备从休眠模式切换为工作模式以进行无线数据传输，具体为：

设定所述lora设备的统一信道号，在根据预设的周期控制所述lora设备进入休眠模式后，在检测到所述lora设备的统一信道号中存在所述lora设备自身的同步唤醒信号时，控制所述lora设备由休眠模式切换为工作模式。

在本发明的其中一种实施例中，所述根据在无线空中协议的配置码中预设的加密方式配置位进行公钥加密/解密或私钥加密/解密，以确保无线数据传输的数据安全，还包括：

若所述lora设备预设的加密方式为私钥加密，则根据所述lora设备预设的公钥检测所述lora设备的状态信息以及信号强度。

在本发明的其中一种实施例中，所述在所述lora设备发送无线数据之前，若检测到当前发送频点满足预设的自动跳频条件时，则切换所述当前发送频点到预设干净频点进行通信，具体为：

在所述lora设备发送无线数据之前，若检测到当前发送频点不干净，则等待预设的时间重新检测，在等待次数超过预设次数时，切换所述当前发送频点到预设干净频点进行通信。

本发明的第二实施例提供了一种基于lora设备的无线通信网络组网系统，所述lora设备包括lora网关、lora中继器、lora终端；

所述lora网关分别与lora中继器、lora终端无线连接，并与后台服务器通讯；所述lora中继器在所述lora设备之间做无线数据转发；所述lora终端连接多个485设备；

所述后台服务器，包括：

无线寻址模块，用于对所述lora设备配置用于无线空中寻址的无线设备id，根据所述无线设备id对空中数据进行收发处理；

模式切换模块，用于响应于接收到的同步唤醒信号，将所述lora设备从休眠模式切换为工作模式以进行无线数据传输；

加密/解密模块，用于根据在无线空中协议的配置码中预设的加密方式配置位进行公钥加密/解密或私钥加密/解密，以确保无线数据传输的数据安全；

信道号预设模块，用于通过在发送方和接收方的空中协议数据中增设预设字节的信道号以防信道数据串扰；

信道改变模块，用于在所述lora设备上设置固定配置频点并控制所述lora设备在以最低无线速率侦听到目标地址所属的数据包时，根据接收到的跳频命令改变当前信道；

频点切换模块，用于在所述lora设备发送无线数据之前，若检测到当前发送频点满足预设的自动跳频条件时，则切换所述当前发送频点到预设干净频点进行通信；

并发处理模块，用于在所述lora设备的所述lora网关接收到所述后台服务器下发的命令时，将所述命令中的流水号填入所述空中协议中，将接收方根据所述命令生成的命令应答的流水号填入到所述控制协议中，根据所述控制协议中的流水号识别每一命令以及对后台服务器的命令作出对应的应答。

在本发明的其中一种实施例中，所述无线寻址模块，具体用于：

发送方设置空中数据，并将所述空中数据发送至接收方；其中，所述空中数据包括但不限于接收无线设备id、发送无线设备id和无线路由；

接收方收到所述空中数据后，若所述空中数据的接收无线设备id是自身无线设备id或广播设备id则进行处理，否则不予处理；处理时，若所述空中数据中接收无线设备id是自身无线设备id则处理数据并返回应答，否则根据所述空中数据中的无线路由进行转发。

在本发明的其中一种实施例中，所述模式切换模块，具体用于：

设定所述lora设备的统一信道号，在根据预设的周期控制所述lora设备进入休眠模式后，在检测到所述lora设备的统一信道号中存在所述lora设备自身的同步唤醒信号时，控制所述lora设备由休眠模式切换为工作模式。

在本发明的其中一种实施例中，所述加密/解密模块，具体用于：

若所述lora设备预设的加密方式为私钥加密，则根据所述lora设备预设的公钥检测所述lora设备的状态信息以及信号强度。

在本发明的其中一种实施例中，所述频点切换模块，具体用于：

在所述lora设备发送无线数据之前，若检测到当前发送频点不干净，则等待预设的时间重新检测，在等待次数超过预设次数时，切换所述当前发送频点到预设干净频点进行通信。

相比于现有技术，本发明实施例的有益效果在于，通过无线组网方法将多种技术进行融合，能够在无需额外增加lorawan网关的情况下，使无线组网系统满足各种复杂环境下的无线传输需求，从而有效地降低设备部署的成本。

附图说明

图1是本发明实施例中的基于lora设备的无线通信网络组网方法的流程示意图；

图2是本发明实施例中的无线组网系统的拓扑示意图；

图3是本发明实施例中的基于lora设备的无线通信网络组网系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-2，在本发明实施例中，图1示出了一种基于lora设备的无线通信网络组网方法，lora设备包括lora网关、lora中继器、lora终端；

需要说明的是lora中继器是lora无线组网系统中的中继设备，在lora终端和lora网关之间做信号中继，以扩大lora网关的接入范围。本发明实施例中lora终端本身可以作为中继，本发明实施例可以通过依次连接8个lora终端实现8级中继器的连接，有利于扩大网络传输的距离以及提高网络传输的稳定性和可靠性。

lora网关分别与lora中继器、lora终端无线连接，并与后台服务器通讯；lora中继器在lora设备之间做无线数据转发；lora终端连接多个485设备。

在本发明实施例中，lora终端能够提供包括rs485、rs232、uart、i2c、spi、gpio等的硬件接口，还能够提供包括标准的modbus、mqtt、coap协议以及各种私有协议，且多接口协议可以单独使用也可以融合在一起使用，能够便捷接入485接口和modbus协议，实现被监测485协议与后台服务器的透明传输，快速地进行各种物物相连，解决物联网项目落地难的关键问题。

组网方法，包括以下步骤：

s1、对lora设备配置用于无线空中寻址的无线设备id，根据无线设备id对空中数据收发处理；

s2、响应于接收到的同步唤醒信号，将lora设备从休眠模式切换为工作模式以进行无线数据传输；

s3、根据在无线空中协议的配置码中预设的加密方式配置位进行公钥加密/解密或私钥加密/解密，以确保无线数据传输的数据安全；

s4、通过在发送方和接收方的空中协议数据中增设预设字节的信道号以防信道数据串扰；

s5、在lora设备上设置固定配置频点并控制lora设备在以最低无线速率侦听到目标地址所属的数据包时，根据接收到的跳频命令改变当前信道；

在本发明实施例中，采用最低的无线速率收发调频命令，能够有效增强信道的抗干扰能够，从而减少信道受到干扰，提高信道数据通信的效率。

s6、在lora设备发送无线数据之前，若检测到当前发送频点满足预设的自动跳频条件时，则切换当前发送频点到预设干净频点进行通信；

s7、在lora设备的lora网关接收到后台服务器下发的命令时，将命令中的流水号填入空中协议中，将接收方根据命令生成的命令应答的流水号填入到控制协议中，根据控制协议中的流水号识别每一命令以及对后台服务器的命令作出对应的应答。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，还可以根据流水号分析当前网络的丢包率。

作为本发明的一种具体实施方式，对lora设备配置用于无线空中寻址的无线设备id，根据无线设备id对空中数据收发处理；具体为：

发送方设置空中数据，并将空中数据发送至接收方；其中，空中数据包括但不限于接收无线设备id、发送无线设备id和无线路由；

接收方收到空中数据后，若空中数据的接收无线设备id是自身无线设备id或广播设备id则进行处理，否则不予处理；处理时，若空中数据中接收无线设备id是自身无线设备id则处理数据并返回应答，否则根据空中数据中的无线路由进行转发。

作为本发明的一种具体实施方式，无线空中协议编码格式为：1个接收无线设备id、1个发送无线设备id，1字节帧类型，1字节信道号，2字节控制码，2字节流水号，0～40字节无线路由地址，0～202字节负载数据。在无收发操作时，发送方指定接收无线设备id并附上自身无线设备id，接收方只接收接收无线设备id作为自身的空中数据，在应答时把收到的发送无线设备id作为接收无线设备id并附上自身设备id作为发送无线设备id。接收方收到有无线路由的空中数据，则取无线路由中下一个无线设备id进行转发，实现无线中继功能。请参阅下表1，为本发明实施例提供的一种无线空中协议编码格式表：

表1:无线空中协议编码格式表

作为本发明的一种具体实施方式，响应于接收到的同步唤醒信号，将lora设备从休眠模式切换为工作模式以进行无线数据传输，具体为：

设定lora设备的统一信道号，在根据预设的周期控制lora设备进入休眠模式后，在检测到lora设备的统一信道号中存在lora设备自身的同步唤醒信号时，控制lora设备由休眠模式切换为工作模式。

在本发明实施例中，需要说明的是，每个信道号分成数据频点和同步频点，lora设备定期侦听信道号中的同步频点是否存在目标id为自身的同步唤醒信号，若有，则切换休眠模式为工作模式。本发明实施例通过对lora设备模式的切换，能够实现低功耗完成正常工作，有利于降低无线组网的成本。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，根据在无线空中协议的配置码中预设的加密方式配置位进行公钥加密/解密或私钥加密/解密，以确保无线数据传输的数据安全，还包括：

若lora设备预设的加密方式为私钥加密，则根据lora设备预设的公钥检测lora设备的状态信息以及信号强度。

在本发明实施例中，需要说明的是，每个lora设备在出厂时均会设置初始的公钥，在实际应用时lora设备可设置专用的私钥。如果配置的加密方式为公钥加密，则采用公钥解密，如果是私钥，则采用私钥解密，如果秘钥配对不成功则丢弃该数据包，能够避免无线网络被非法入侵，从而提高数据传输的安全性。

为了进一步提高数据传输的安全性，存储在lora设备中的私钥需要结合每个对应的lora设备的唯一标志进行加密后才能存储，使得即使私钥被读出也无法被其他设备使用。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，在lora设备发送无线数据之前，若检测到当前发送频点满足预设的自动跳频条件时，则切换当前发送频点到预设干净频点进行通信，具体为：

在lora设备发送无线数据之前，若检测到当前发送频点不干净，则等待预设的时间重新检测，在等待次数超过预设次数时，切换当前发送频点到预设干净频点进行通信。

本发明实施例在lora设备发送无线数据之前对当前发送频点是否干净进行检测，能够有效避免lora无线信号在空中的碰撞现象，不仅能够提高信号传输的效率，还能够有效降低设备的功耗。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，后台服务器将定时采集命令发送至lora网关，使lora网关根据预设的时间定时执行采集命令，并将采集的数据上传至后台服务器。在lora设备出现电池低压警报、电池掉电警报、无线干扰警报时，自动生成对应的报警信息；对于接入到lora终端的被监测设备，通过下载该设备的报警查询命令以及报警条件到lora网关或lora终端，由lora终端或lora网关定期执行报警查询命令并匹配报警条件进行自动报警。

请参阅2，在本发明的其中一种实施例中，提供了一种无线组网系统拓扑图，其中，后台服务器接入3个lora网关，第二lora网关接入3个lora终端和1个lora中继，第一lora终端接入3个被测485设备，第五lora终端通过第三lora终端、第四lora终端2级中继接入到第二lora网关，第二lora终端通过lora中继1级中继方式接入lora网关。

实施本发明实施例，具有以下有益效果：

本发明实施例通过无线组网方法将多种技术进行融合，能够在无需额外增加lorawan网关的情况下，使无线组网系统满足各种复杂环境下的无线传输需求，从而有效地降低设备部署的成本。

请参阅图3，本发明的第二实施例提供了一种基于lora设备的无线通信网络组网系统，lora设备包括lora网关20、lora中继器30和lora终端40；

需要说明的是lora中继器30是lora无线组网系统中的中继设备，在lora终端40和lora网关20之间做信号中继，以扩大lora网关20的接入范围。本发明实施例中lora终端本身可以作为中继，本发明实施例可以通过依次连接8个lora终端实现8级中继器的连接，有利于扩大网络传输的距离以及提高网络传输的稳定性和可靠性。

lora网关20分别与lora中继器30、lora终端40无线连接，并与后台服务器10通讯；lora终端40连接多个485设备50。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，还设置有lora终端40与lora中继器30无线连接，lora终端40还连接有485终端50。可以理解的是，连接于lora网关20的lora终端40与连接于lora中继器的lora终端40为不同的lora终端40。

在本发明实施例中，lora终端40能够提供包括rs485、rs232、uart、i2c、spi、gpio等的硬件接口，还能够提供包括标准的modbus、mqtt、coap协议以及各种私有协议，且多接口协议可以单独使用也可以融合在一起使用，能够便捷接入485接口和modbus协议，实现被监测485协议与后台服务器10的透明传输，快速地进行各种物物相连，解决物联网项目落地难的关键问题。

所述后台服务器10，包括：

无线寻址模块，用于对lora设备配置用于无线空中寻址的无线设备id，根据无线设备id对空中数据进行收发处理；

模式切换模块，用于响应于接收到的同步唤醒信号，将lora设备从休眠模式切换为工作模式以进行无线数据传输；

加密/解密模块，用于根据在无线空中协议的配置码中预设的加密方式配置位进行公钥加密/解密或私钥加密/解密，以确保无线数据传输的数据安全；

信道号预设模块，用于通过在发送方和接收方的空中协议数据中增设预设字节的信道号以防信道数据串扰；

信道改变模块，用于在lora设备上设置固定配置频点并控制lora设备在以最低无线速率侦听到目标地址所属的数据包时，根据接收到的跳频命令改变当前信道；

在本发明实施例中，采用最低的无线速率收发调频命令，能够有效增强信道的抗干扰能够，从而减少信道受到干扰，提高信道数据通信的效率。

频点切换模块，用于在lora设备发送无线数据之前，若检测到当前发送频点满足预设的自动跳频条件时，则切换当前发送频点到预设干净频点进行通信；

并发处理模块，用于在lora设备的lora网关20接收到后台服务器10下发的命令时，将命令中的流水号填入空中协议中，将接收方根据命令生成的命令应答的流水号填入到控制协议中，根据控制协议中的流水号识别每一命令以及对后台服务器的命令作出对应的应答。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，还可以根据流水号分析当前网络的丢包率。

在本发明的其中一种实施例中，无线寻址模块，具体用于：

发送方设置空中数据，并将空中数据发送至接收方；其中，空中数据包括但不限于接收无线设备id、发送无线设备id和无线路由；接收方收到空中数据后，若空中数据的接收无线设备id是自身无线设备id或广播设备id则进行处理，否则不予处理；处理时，若空中数据中的接收无线设备id是自身无线设备id则处理数据并返回应答，否则根据空中数据中的无线路由进行转发。

作为本发明的一种具体实施方式，无线空中协议编码格式为：1个接收无线设备id、1个发送无线设备id，1字节帧类型，1字节信道号，2字节控制码，2字节流水号，0～40字节无线路由地址，0～202字节负载数据。在无收发操作时，发送方指定接收无线设备id并附上自身无线设备id，接收方只接收接收无线设备id作为自身的空中数据，在应答时把收到的发送无线设备id作为接收无线设备id并附上自身设备id作为发送无线设备id。接收方收到有无线路由的空中数据，则取无线路由中下一个无线设备id进行转发，实现无线中继功能。请参阅下表1，为本发明实施例提供的一种无线空中协议编码格式表：

表1:无线空中协议编码格式表

在本发明的其中一种实施例中，模式切换模块，具体用于：

设定lora设备的统一信道号，在根据预设的周期控制lora设备进入休眠模式后，在检测到lora设备的统一信道号中存在lora设备自身的同步唤醒信号时，控制lora设备由休眠模式切换为工作模式。

在本发明实施例中，需要说明的是，每个信道号分成数据频点和同步频点，lora设备定期侦听信道号中的同步频点是否存在目标id为自身的同步唤醒信号，若有，则切换休眠模式为工作模式。本发明实施例通过对lora设备模式的切换，能够实现低功耗完成正常工作，有利于降低无线组网的成本。

在本发明的其中一种实施例中，加密/解密模块，具体用于：

若lora设备预设的加密方式为私钥加密，则根据lora设备预设的公钥检测lora设备的状态信息以及信号强度。

在本发明实施例中，需要说明的是，每个lora设备在出厂时均会设置初始的公钥，在实际应用时lora设备可设置专用的私钥。如果配置的加密方式为公钥加密，则采用公钥解密，如果是私钥，则采用私钥解密，如果秘钥配对不成功则丢弃该数据包，能够避免无线网络被非法入侵，从而提高数据传输的安全性。

为了进一步提高数据传输的安全性，存储在lora设备中的私钥需要结合每个对应的lora设备的唯一标志进行加密后才能存储，使得即使私钥被读出也无法被其他设备使用。

在本发明的其中一种实施例中，频点切换模块，具体用于：

在lora设备发送无线数据之前，若检测到当前发送频点不干净，则等待预设的时间重新检测，在等待次数超过预设次数时，切换当前发送频点到预设干净频点进行通信。

本发明实施例在lora设备发送无线数据之前对当前发送频点是否干净进行检测，能够有效避免lora无线信号在空中的碰撞现象，不仅能够提高信号传输的效率，还能够有效降低设备的功耗。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，后台服务器10将定时采集命令发送至lora网关20，lora网关20根据预设的时间定时执行采集命令，并将采集的数据上传至后台服务器10。在lora设备出现电池低压警报、电池掉电警报、无线干扰警报时，自动生成对应的报警信息；对于接入到lora终端40的被监测485设备50，通过下载该设备的报警查询命令以及报警条件到lora网关20或lora终端40，由lora终端40或lora网关20定期执行报警查询命令并匹配报警条件进行自动报警。

实施本发明实施例，具有以下有益效果：

本发明实施例通过无线组网方法将多种技术进行融合，能够在无需额外增加lorawan网关的情况下，使无线组网系统满足各种复杂环境下的无线传输需求，从而有效地降低设备部署的成本。

以上是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。