一种基于LoRaWAN协议的小型发电机定位方法与流程

本发明属于物联网技术领域，涉及一种基于lorawan协议的小型发电机定位方法。

背景技术：

近年来，生活水平的提升与脱贫攻坚的政策让更多偏远地区的用电需求大大提升，从而也带来了中小型发电企业的蓬勃发展。由于中小型企业对投入成本有着较高的敏感度，发电机的防盗与定位需求越来高。传统的设备定位系统一般使用gps/3g系统，其中gps系统的耗电量较大，模块成本也偏高；3g通讯模块的耗电量较大，流量成本较高；同时在偏远地区基站没有完全覆盖，定位的稳定性并不能保证。这些问题都制约了传统定位技术在小型发电机的应用。

lora技术作为一个物理层的协议被广泛应用，在定位系统上也有着其独特的优势，lora拥有着远距离、低功耗、低成本的特点，在工业环境下是一种非常优秀的解决方案。由于lora工作在非授权频段，故采用lora协议通讯的解决方案种类繁多，导致了在lora定位的应用中，数据利用率很低，往往只针对同一家企业开放对应的定位系统，软件与硬件的搭建成本都比较高。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于解决现有定位技术中系统不通用、定位系统搭建成本高、定位所消耗功率大、定位要求终端连接基站数量高的问题，提供一种基于lorawan协议的小型发电机定位方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于lorawan协议的小型发电机定位方法，所需设备包括lorawan节点、lorawan网关、云端服务器、应用网页端，包括以下步骤：

s1：lorawan节点持续向区域内所有lorawan网关发送lorawan数据帧用于定位；

s2：lorawan网关接收到数据帧，并对数据帧到达时间和数据帧的到达角度进行计算，将处理后的新数据帧上传至云端服务器；

s3：云端服务器将同一个lorawan节点通过不同lorawan网关发送的数据帧进行归类，并根据发送数据帧的网关数量选择定位模式，若网关数量为1，则通过接收到的lorawan网关位置对节点进行粗定位，将网关接收数据的范围作为定位的范围并返回给服务器；若网关数量为2，则提取数据帧到达网关的角度信息，通过aoa定位方法进行定位；若网关数量大于或等于3，则提取数据帧到达网关的时间信息，通过tdoa定位方法进行定位。在完成定位后，将定位信息存储在新的数据库中；

s4：将定位数据返回给应用网页端供用户查看。

进一步，步骤s1中，所述lorawan节点上传的数据报文中，phypayload层中的速率自适应控制adr统一设置为0，即关闭速率自适应控制，且lorawan节点工作在classc模式下，以便节点持续在低功耗下进行定位工作。

进一步，步骤s2中，lorawan网关通过wi-fi或4g网络将处理后的新数据帧发送至云端服务器。

进一步，步骤s3中所述aoa定位方法中，通过获取数据帧到达网关的角度，找到节点发送信号角度的交点，从而获得确定的位置，是一种精度较高的定位方式；tdoa定位方法中，通过获取数据帧到达网关的时间，计算距离网关的距离，作出以距离为半径的圆环，圆环的交点即为确定的位置，是一种高精度的定位方式。

进一步，所述lorawan节点设置在小型发电机中，通过锂电池进行供电，锂电池通过小型发电机发电作业进行充电。

进一步，所述lorawan网关中设有gps模块。

进一步。所述lorawan节点的上行数据报文格式为：preamble、phdr(2字节)、phdr_crc(4字节)、phypayload(可定义字长)、crc(2字节)。

本发明的有益效果在于：

本发明中所采用的lorawan协议，是一种通用的无线传感器网络协议，协议成本较低。同时所采用的lora通信技术，设备价格较低，无线通讯工作在非授权频段，无需支付额外的通信频段使用费用。

本发明中所涉及的lorawan数据帧向覆盖范围内的所有lorawan网关发送，随着加入平台的客户数量增加，定位的精度也大大增加。通用的平台也使得建设网关的成本大大降低。

本发明中采用了自适应定位精度的定位模式，在接收数据帧网关数量较少，即在较偏远地区进行定位时也能进行定位操作。同时采用了锂电池供电，保证了小型发电机在失窃后较长时间内也可以发送定位信息。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为基于lorawan协议的小型发电机定位方法的流程图；

图2为本发明中lorawan节点的数据帧格式示意图；

图3为本发明中到达网关的角度(aoa)定位方法的示意图；

图4为本发明中到达网关的时间(tdoa)定位方法的示意图；

图5为本发明中数据传播路径的数据流向示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等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，而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，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

参照图1，一种基于lorawan协议的小型发电机定位方法，包括lorawan节点、lorawan网关、云服务端、应用网页端组成。定位系统所使用的服务器架设在通用的云平台上，可供不同的发电机供应商接入统一的定位平台。其中lorawan节点是安装在小型发电机上的终端设备，用于将信息发射系统的数据帧实时发送到结构中的下一层；lorawan网关用来接收lorawan节点的数据帧，lorawan网关必须实时对节点发送的数据帧进行处理，需要处理的信息包括数据帧到达网关所需时间、数据帧到达网关的到达角度、lorawan网关的实时gps定位信息，并将这些信息封装为新的数据帧发送给云服务端，由此需求可以得出lorawan网关必须具有gps模块、可以接入互联网的通信模块作为场景实现的辅助；云服务器用来接收lorawan网关的数据帧，并将数据帧进行设备归类、定位计算、位置信息返回，由此需求可以得出，云服务器可以根据接入设备的数量弹性的选择运算能力大小，以达到节省成本的效果；应用网页端作为位置的展示端，也是整个系统的最后一层，用户可以通过移动手机、电脑、平板设备等访问应用网页，查看小型发电机的实时位置信息。

lorawan节点是一种嵌入在小型发电机中的嵌入式设备。在小型发电机的发电场景中，小型发电机的工作环境一般是在室外且分布较为分散，解决节点的供电问题成为了很重要的一环。在本发明中，lorawan节点通过锂电池进行供电，锂电池具有能量密度大的优势，能够为节点提供长时间的电量支持。同时，小型发电机产出的电量也可以为锂电池进行充电，保证了更长时间的续航。在小型发电机失窃的场景中，锂电池也为节点的正常工作提供了电力保证。

为了保证定位的准确度、减少节点的电量消耗，在本发明中，对lorawan节点发送的数据帧进行了定义，见图2，其中在标准的lorawan数据帧发送格式中，preamble、phdr、phdr_crc、crc字段为终端自生成字段，在phypayload字段中，包含了一个名为adr的速率自适应控制字段，在本发明中，为了保证设备之间数据帧格式的统一性与减少节点的电量消耗，将adr字段置0，即关闭速率自适应控制，且lorawan节点工作在classc模式下，以便节点持续在低功耗下进行定位工作。lorawan节点的上行数据报文格式为：preamble、phdr(2字节)、phdr_crc(4字节)、phypayload(可定义字长)、crc(2字节)。

lorawan网关接收到数据帧后，将数据帧进行解析，同时将数据帧到达的时间、数据帧到达网关的角度进行计算，并将计算后的数据帧通过wi-fi或4g网络发送至云端服务器。

在本发明中，在云服务器的定位计算中，首先云服务器接收到来自于lorawan网关的数据帧，并将数据帧解析后放入mysql数据库中，将相同小型发电机节点发送的数据帧进行归类并判断接收到数据帧的网关数量，若网关数量为1，则通过接收到的lorawan网关位置对节点进行粗定位，将网关接收数据的范围作为定位的范围并返回给服务器；若网关数量为2，则提取数据帧到达网关的角度信息，通过aoa定位方法进行定位；若网关数量大于或等于3，则提取数据帧到达网关的时间信息，通过tdoa定位方法进行定位。在完成定位后，将定位信息存储在新的数据库中。其中，aoa算法中，通过获取数据帧到达网关的角度，找到节点发送信号角度的交点，从而获得确定的位置，是一种精度较高的定位方式，模式见图3；tdoa算法中，通过获取数据帧到达网关的时间，计算距离网关的距离，作出以距离为半径的圆环，圆环的交点即为确定的位置，是一种高精度的定位方式，模式见图4。

在本发明中，云服务器同时采用linux、nginx、mysql、php作为网页端搭建的环境来搭建网页服务器，运行在linux系统中，通过nginx作为web服务器，将接收到的数据帧和计算后的位置信息保存在mysql数据库中，使用php作为网页设计的编程语言，将定位的结果展示在web网页上，供电机组运维人员查看。

如图5所示，本发明的使用流程如下：用户将上文提到的lorawan节点装入小型发电机中，接入lorawan网关后，网关对数据帧进行分析并将新的数据帧发送至云服务器，云服务器对新的数据帧进行定位运算，得出定位信息，并通过web网页的形式展示给用户，用户可以通过手持智能设备、计算机等设备访问网页，获取实时的小型发电机定位信息。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。