本发明涉及基于lora通信的物联网通信技术。
背景技术
随着各种无线通讯技术、传感器技术和计算机技术等现代化技术的高速发展，各种各样的智能无线传输系统层出不穷。lora作为目前主流低功耗无线传输技术的一种，具有成本低、功耗低、传输距离远的特点。通常，lora的点对点传输距离为5km，距离越远相对的衰减越多，信噪比越差。为了增加传输距离，有时会采用纯模拟信号加强的放大器，可以将接收到的lora无线信号不通过调试解调直接放大信号，扩展传输距离，但是信噪比会随着经过的级数的增加而越来越弱。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题在于提供一种传输距离在20km以上、传输可靠的基于lora通信的长距离无线传输系统。
本发明所要解决的又一技术问题在于提供一种基于lora通信的长距离无线传输系统的通信方法。
根据本发明的一个实施例，提供了一种基于lora通信的长距离无线传输系统，包括上位控制装置、lora无线网关、多个lora无线中继以及与多个lora无线中继一一对应的多个lora无线终端组；每个lora无线终端组具有一个或多个lora无线终端，该一个或多个lora无线终端与所属的lora无线中继无线通信；上位控制装置与lora无线网关通信连接。
根据本发明的另一个实施例，提供了一种基于lora通信的长距离无线传输系统的通信方法，包括以下步骤：
上位控制装置向lora无线网关下发任务指令；
lora无线网关将接收的任务指令转换为符合lora通信协议的任务指令报文并向外广播；
第一级lora无线中继对lora无线网关发送的任务指令报文进行接收处理，判断任务指令报文是否是发给自身所对应的lora无线终端组，若是发给自身所对应的lora无线终端组，则按照预设的发送顺序将任务指令报文中与第一个目标lora无线终端相对应的数据发送给第一个目标lora无线终端，在向第一个目标lora无线终端发送完任务指令报文之后，将工作状态切换为终端反馈接收状态，等待第一个目标lora无线终端的任务反馈报文；
第一个lora无线终端根据所属lora无线中继发送给自己的任务指令报文执行相应的任务，并生成任务反馈报文后向外广播，任务反馈报文中的发送源地址为当前lora无线终端的地址；
第一级lora无线中继在收到第一个lora无线终端发送的任务反馈报文之后，判断是否还需要向其它的lora无线终端发送任务指令报文，如果需要则继续向下一个lora无线终端发送任务指令报文并等待该下一个lora无线终端反馈的任务反馈报文，直到完成向任务指令报文中指定的所有lora无线终端发送任务指令报文，随后第一级lora无线中继将所有目标lora无线终端所反馈的数据组合成一帧任务反馈报文并向外广播，并将工作状态切换为下行传输状态；lora无线网关将来自于第一级lora无线中继的任务反馈报文转换为符合上位控制装置通信格式的任务反馈信息并发送给上位控制装置；
若第一级lora无线中继判断任务指令报文不是发给自身所对应的lora无线终端组，则把任务指令报文中的发送源地址改为自身的地址后将任务指令报文向外广播，并将工作状态切换为上行传输状态；
第二级lora无线中继对第一级lora无线中继发送的任务指令报文进行接收处理，判断任务指令报文是否是发给自身所对应的lora无线终端组，依此类推；
各处于上行传输状态的lora无线中继依次对下一级lora无线中继发送的任务反馈报文进行接收处理，把任务反馈报文的发送源地址改为自身的地址后将任务反馈报文向外广播，并将工作状态切换为下行传输状态，直到第一级lora无线中继向外广播任务反馈报文，并将自身的工作状态切换为下行传输状态；所述lora无线网关将来自于第一级lora无线中继的任务反馈报文转换为符合上位控制装置通信格式的所述任务反馈信息并发送给所述上位控制装置。
本发明至少具有以下优点：
1、根据本发明实施例的基于lora通信的长距离无线传输系统完全使用lora无线技术，建立了传输距离在20km以上、甚至可达到50km的长距离传输网络，该系统的网络结构能够实现大面积的覆盖；
2、根据本发明实施例的基于lora通信的长距离无线传输系统结合要数回数模式实现了实时控制。现有的lora通信系统是通过lora无线通信终端主动上传数据，而在本实施例中，是通过上位控制装置下发任务指令，由相应的lora无线终端针对任务指令进行处理后生成任务反馈报文后，回传给上位控制装置；
3、根据本发明实施例的基于lora通信的长距离无线传输系统可采用单天线lora无线网关、单天线lora无线中继和单天线lora无线终端来实现，从而降低实施成本。
附图说明
图1示出了本发明的基于lora通信的长距离无线传输系统的一个实施例的原理图。
图2示出了本发明的基于lora通信的长距离无线传输系统的一个实施例的数据传输示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做出进一步说明。
请参考图1。根据本发明一实施例的一种基于lora通信的长距离无线传输系统，包括上位控制装置1、lora无线网关2、多个lora无线中继3以及与多个lora无线中继3一一对应的多个lora无线终端组4。每个lora无线终端组4具有一个或多个lora无线终端41，该一个或多个lora无线终端41与所属的lora无线中继3无线通信。上位控制装置1与lora无线网关2通信连接。
上位控制装置1用于向lora无线网关下发任务指令、以及接收lora无线网关2发送的任务反馈信息。在本实施例中，上位控制装置1为计算机，该计算机通过以太网连接到lora无线网关2。上述的任务指令常见的例如可以是指令某一lora无线中继3下的某一个或某几个lora无线终端41将采集的测量数据上报给计算机、或者是指令某一lora无线中继3下的某一个或某几个lora无线终端41执行某些动作操作(例如开关阀门等等)。当上位控制装置1接收到针对不同lora无线终端组4的任务时，可以将针对不同lora无线终端组4的任务分别构建为不同的任务指令，以只将属于同一lora无线终端组4的任务数据信息汇集在同一条任务指令中。举例来说，假如上位控制装置1接收来自外部的任务是要获得第一个lora无线终端组4下属的第一个lora无线终端41的数据以及第二个lora无线终端组4下属的第二个lora无线终端41的数据，那么上位控制装置1会根据该任务构建第一任务指令和第二任务指令，其中第一任务指令是获得第一个lora无线终端组4下属的第一个lora无线终端41的数据，第二任务指令是获得第二个lora无线终端组4下属的第二个lora无线终端41的数据。
lora无线网关2用于将接收的任务指令转换为符合lora通信协议的任务指令报文并向外广播，以及将来自于第一级lora无线中继的任务反馈报文转换为符合上位控制装置通信格式的任务反馈信息。对通过以太网连接到lora无线网关2的计算机而言，则lora无线网关2会将来自于第一级lora无线中继的任务反馈报文转换为符合以太网通信格式的任务反馈信息。
在本实施例中，lora无线网关2采用单天线lora无线网关，各lora无线中继3采用单天线lora无线中继，各lora无线终端41采用单天线lora无线终端，且lora无线网关2、所有lora无线中继3和所有lora无线终端41的频段相同，均为433mhz。在其它的实施例中，lora无线网关2、lora无线中继3和lora无线终端41也可采用双天线设备，频段也不限于433mhz。
请参阅图2。lora无线网关2在接收到上位控制装置下达的多条任务指令时，会以队列的方式逐一通过lora无线传输向后级发送，发送任务指令报文后lora无线网关2的无线端会进入数据接收模式，接收到对应的数据后开始下一指令发送，一直到队列空为止。任务指令报文的报文头具有报文类型的识别号0x10和任务序号，任务指令报文的数据区信息包含作为接收目标的目标lora无线终端的地址及其所对应的lora无线中继的地址。
由lora无线网关2传输报文至lora无线终端41的方向为下行传输方向，由lora无线终端41传输报文至lora无线网关2的方向为上行传输方向。各lora无线中继3具有上行传输状态、下行传输状态和终端反馈接收状态，且默认初始工作状态为下行传输状态；各lora无线中继3用于根据所接收到的报文内容进行相应的处理后生成新的报文并向外广播，并且对自身的工作状态进行相应的切换,新的报文中的发送源地址为该lora无线中继自身的地址。
各lora无线终端41用于接收所属lora无线中继3广播的与自己有关的报文，执行相应的处理并生成反馈报文后向外广播，反馈报文中的发送源地址为当前lora无线终端的地址。上述的与自己有关的报文是指lora无线中继3广播的报文中的接收目标地址为该lora无线终端41的地址。在本实施例中，多个lora无线终端41与所属的lora无线中继3组成星型网络。
各lora无线中继3处于下行传输状态时，仅对上一级节点（该上一级节点对第一级lora无线中继来说是lora无线网关2，对其余lora无线中继来说是一个lora无线中继）发送的任务指令报文进行接收处理，判断上一级节点发送的任务指令报文是否是发给自身所对应的lora无线终端组：若是，则按照预设的发送顺序将任务指令报文中与每个目标lora无线终端相对应的数据分别逐帧发送给各目标lora无线终端，在向第一个目标lora无线终端发送完任务指令报文之后，将工作状态切换为终端反馈接收状态，在终端反馈接收状态下在向一个目标lora无线终端发送完报文之后只有在接收到该目标lora无线终端反馈的报文之后才向下一个目标lora无线终端发送报文，将任务指令报文中指定的所有目标lora无线终端所反馈的数据组合成一帧任务反馈报文并向外广播，并将工作状态切换为下行传输状态；若不是，把任务指令报文中的发送源地址改为自身的地址后将任务指令报文向外广播，并将工作状态切换为上行传输状态；各lora无线中继3处于上行传输状态时，仅对下一级lora无线中继3发送的任务反馈报文进行接收处理，把任务反馈报文的发送源地址改为自身的地址后将任务反馈报文向外广播，并将工作状态切换为下行传输状态；
各lora无线终端41用于接收所属lora无线中继3广播的与自己有关的任务指令报文，执行相应的任务并生成任务反馈报文后向外广播，任务反馈报文中的发送源地址为当前lora无线终端的地址。
举例而言，lora无线网关2传输的任务指令报文中的目标lora无线终端的地址为第二级lora无线中继3下的1号lora无线终端的地址和2号lora无线终端的地址。第一级lora无线中继3根据该任务指令报文中的目标lora无线终端的地址以及目标lora无线中继的地址，可以判断出该任务指令不是发给自身所对应的lora无线终端组4，因此，把任务指令报文中的发送源地址由lora无线网关2改为该第一级lora无线中继3的地址后将任务指令报文向外广播，并将工作状态切换为上行传输状态。一旦改为上行传输状态，意味着该第一级lora无线中继3只会对第二级lora无线中继3发送的任务反馈报文进行接收处理。而处于下行传输状态的第二级lora无线中继3只会对第一级lora无线中继3发送的任务指令报文进行接收处理，该第二级lora无线中继3判断出任务指令报文是发给自身所对应的lora无线终端组4，则按照预设的发送顺序将任务指令报文中与每个目标lora无线终端相对应的数据分别逐帧发送给各目标lora无线终端。在本示例中，预设的发送顺序为按照lora无线终端的序号从小到大的顺序发送。因此，第二级lora无线中继3在第一帧发送给lora无线终端的任务指令报文中的接收目标地址是1号lora无线终端的地址，报文中的数据也是只跟1号lora无线终端相关的数据。发送完该帧任务指令报文之后，第二级lora无线中继3将工作状态切换为终端反馈接收状态。1号lora无线终端41接收到该帧任务指令报文后，会执行相应的任务并生成任务反馈报文后向外广播，任务反馈报文的报文头中发送源地址为1号lora无线终端的地址。任务反馈报文的报文头具有报文类型的识别号0x30和任务序号。第二级lora无线中继3在收到1号lora无线终端的任务反馈报文后，向2号lora无线终端发送第二帧报文，与上述的流程相类似，之后，2号lora无线终端也会向第二级lora无线中继3发送任务反馈报文。第二级lora无线中继3将所接收到的两帧任务反馈报文中的数据组合成一帧任务反馈报文并向外广播，并将工作状态切换为下行传输状态。新合成的这一帧任务反馈报文中的发送源地址是该第二级lora无线中继3的地址。如果之前的任务指令报文中所指定的任务是要获得1号lora无线终端和2号lora无线终端所采集的数据，那么新合成的这一帧任务反馈报文中的数据区中会同时包含1号lora无线终端和2号lora无线终端所采集的数据。第一级lora无线中继接收到第二级lora无线中继发送的任务反馈报文后，把任务反馈报文的发送源地址改为自身的地址后将任务反馈报文向外广播，并将工作状态切换为下行传输状态。
可选地，lora无线网关2用于在向外广播一帧任务指令报文后，如果在预设的时间t1内未收到第一级lora无线中继发送的任务反馈报文时，则向上位控制装置1发送表示第一级lora无线中继发生了故障的故障通知报文，故障通知报文的数据区中具有第一级lora无线中继的故障数据，t1大于等于lora无线网关从广播该帧任务指令报文之时起到接收到任务反馈报文的理论传输时间。各lora无线中继3用于在下行传输状态或终端接收反馈状态下向外广播一帧任务指令报文后，如果未在预设的时间t2内收到下一级节点发送的任务反馈报文时，则向外广播表示下一级节点发生了故障的任务反馈报文，并把工作状态切换为下行传输状态，任务反馈报文的发送源地址为该lora无线中继3的地址，该任务反馈报文的数据区中具有下一级节点（lora无线中继或lora无线终端）的故障数据，t2大于等于lora无线中继从广播任务指令报文之时起到接收到任务反馈报文的理论传输时间。
上述的t1和t2可以根据预先测量的两个节点之间的通讯时间计算获得。该通讯时间是指一个节点向另一个节点发出报文的时刻到接收另一个节点反馈的报文的时刻之间的时间间隔（即一来一回）。假定任意两个节点之间的通讯时间为t，一共有四个lora无线中继，而任务指令需要最后一个中继下属的3个lora无线终端的数据，那么第二级lora无线中继广播完任务指令报文之时起到接收到任务反馈报文的理论传输时间t2为2t加上3t，2t为第二级lora无线中继与最后一个lora无线中继之间的通讯时间，3t为最后一个lora无线中继与三个lora无线终端之间的通讯时间。t例如可以是200ms。
根据本发明的另一实施例，还提供了一种基于lora通信的长距离无线传输系统的通信方法，包括以下步骤：
上位控制装置1向lora无线网关2下发任务指令；
lora无线网关2将接收的任务指令转换为符合lora通信协议的任务指令报文并向外广播；
第一级lora无线中继3对lora无线网关2发送的任务指令报文进行接收处理，判断任务指令报文是否是发给自身所对应的lora无线终端组4，若是发给自身所对应的lora无线终端组4，则按照预设的发送顺序将任务指令报文中与第一个目标lora无线终端41相对应的数据发送给第一个目标lora无线终端，在向第一个目标lora无线终端发送完任务指令报文之后，将工作状态切换为终端反馈接收状态，等待第一个目标lora无线终端的任务反馈报文；
第一个lora无线终端41根据所属lora无线中继发送给自己的任务指令报文执行相应的任务，并生成任务反馈报文后向外广播，任务反馈报文中的发送源地址为当前lora无线终端的地址；
第一个lora无线中继在收到第一级lora无线终端发送的任务反馈报文之后，判断是否还需要向其它的lora无线终端发送任务指令报文，如果需要则继续向下一个lora无线终端发送任务指令报文并等待该下一个lora无线终端反馈的任务反馈报文，直到完成向任务指令报文中指定的所有lora无线终端发送任务指令报文，随后第一级lora无线中继3将所有目标lora无线终端所反馈的数据组合成一帧任务反馈报文并向外广播，并将工作状态切换为下行传输状态；lora无线网关2将来自于第一级lora无线中继的任务反馈报文转换为符合上位控制装置通信格式的所述任务反馈信息并发送给上位控制装置1；
若第一级lora无线中继3判断任务指令报文不是发给自身所对应的lora无线终端组，则把任务指令报文中的发送源地址改为自身的地址后将任务指令报文向外广播，并将工作状态切换为上行传输状态；
第二级lora无线中继对第一级lora无线中继发送的任务指令报文进行接收处理，判断任务指令报文是否是发给自身所对应的lora无线终端组，其工作过程与第一级lora无线中继的工作过程类似，依此类推；
各处于上行传输状态的lora无线中继依次对下一级lora无线中继发送的任务反馈报文进行接收处理，把任务反馈报文的发送源地址改为自身的地址后将任务反馈报文向外广播，并将工作状态切换为下行传输状态，直到第一级lora无线中继向外广播任务反馈报文，并将自身的工作状态切换为下行传输状态；lora无线网关2将来自于第一级lora无线中继的任务反馈报文转换为符合上位控制装置通信格式的任务反馈信息并发送给上位控制装置1。
根据本发明实施例的基于lora通信的长距离无线传输系统完全使用lora无线技术，建立了传输距离在20km以上、甚至可达到50km的长距离传输网络。