一种基于4G与LoRa的无序分层传感网的制作方法

一种基于4g与lora的无序分层传感网
技术领域
1.本发明属于无线传感网络领域，具体涉及一种基于4g与lora的无序分层传感网。


背景技术：

2.随着4g通信、云计算技术与行业应用的发展与普及，在scada数据采集领域，基于广域网的“4g+云平台”逐渐成为稳定、可靠、成本低的首选架构。在传感网拓扑结构的具体方案实现上，一般分为集群式与单点式两种。
3.方案1
‑‑
集群式传感网络：一般采用lora、蓝牙、zigbee、rs485等技术本地自建通信网络，网络中网关设备下行通信通过本地通信网络获取传感器节点数据后，上行通信将所有收集到的传感器数据统一4g上传云平台。
4.方案2
‑‑
单点式数据采集：数据采集产品本身带4g通信及传感监测功能，采集到传感器数据后，直接上传云平台。
5.目前业内常采用的各种通信方式均有各自优缺点，单一的组网方案无法满足所有应用场景。
6.(1)4g网络覆盖范围广，流量费用低，4gcat.1通信模块的大批量出货使产品实现成本越来越低，但4g属于运营商建设的蜂窝移动网络，在信号覆盖弱的场景，4g的传感网应用将不可用或不稳定。同时，4g通信耗电量较大，无法满足传感网络中需要低功耗、电池长期供电的需求；
7.(2)lora网络可以自建，空旷环境可远距离传输15km，但功耗较高，且不适合大批量实时通信；
8.(3)ble因在消费性电子行业亿级以上的年出货量，使各种ble soc成本低、功耗低，极为适合用于低功耗传感器通信，但ble在传输距离上基本限定在一个房间以内；
9.(4)rs485采用有线通信，相对无线通信稳定性更好，但现场施工需布线，不够美观且人工成本更高，在有些场合甚至不具备有线施工条件；
10.(5)zigbee的网络协议复杂，在国内采用2.4ghz频段，通信距离短，完整的方案实现需要多种节点产品，传输距离不如lora，低功耗特性不如ble，且应用领域比较小众，市场份额已越来越小。
11.比如在制药与医疗行业，常见有地下实验室或钢结构实验室，此类实验室传感网络的部署经常会遇到以下问题：
12.因建筑结构特性，4g信号难以完全覆盖；
13.实验室建设后，新增在线传感监测需求，但房间内未预留以太网口；
14.传感器安装位置无供电口，只能采用电池供电；
15.同一建筑内，有的房间内需一个传感监测点，有的房间内需多个传感监测点；
16.施工人员不具备专业的技术能力，产品安装运维需简单。


技术实现要素：

17.针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种基于4g与lora的无序分层传感网，设计合理，克服了现有技术的不足，具有良好的效果。
18.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
19.一种基于4g与lora的无序分层传感网，包括基站和传感节点；
20.基站也称为网关，每个基站有唯一id，其上行通信采用4g与云平台交互，其下行通信采用ble或rs485从传感节点获取传感器数据；
21.每个传感节点有唯一id，自带数据存储功能，通过ble或rs485与基站通信，传送采集到的传感器数据；
22.当现场有多个网关，且部分网关4g通信中断情况下，现场范围内的网关能够采用lora分层自组网，组成一个网关群，网关群内通过lora共享网关群的4g通信；网关通过ble或rs485接收到传感器数据后，通过4g上行通信上传云平台，当网关的4g信号欠佳时，借助lora的自建网络能力，实现网关之间的自组网，借助其他4g信号正常网关的4g通信将数据上传至云平台。
23.优选地，基站采用4g与云平台交互，采用ble或rs485从传感节点获取传感器数据；
24.数据上传云平台方式：
25.基站ble方式获取数据：ble传感节点通过ble广播发送监测数据，基站通过ble抓取广播包中的监测数据及该节点的id后，一并通过4g上传云平台；
26.基站rs485方式获取数据：基站通过rs485向rs485传感节点发送数据请求，传感节点返回传感器数值及该传感节点的id后，一并通过4g上传云平台；
27.云平台指令下发方式：
28.ble方式：如果云平台有某ble传感节点特定时间段的数据获取请求，将请求发送给基站，基站通过ble与该id对应的传感器节点通过蓝牙配对，配对后，传感节点回复该时间段数据；
29.rs485方式：如果云平台有某rs485传感节点特定时间段的数据获取请求，将请求发送给基站，基站通过rs485读取该传感节点特定时间段数据。
30.优选地，当现场4g网络信号覆盖良好，基站与云平台通信正常时，无需lora分层自组网；
31.当现场4g网络信号质量参差不齐，部分基站4g信号不稳定或无信号、通信故障时，此部分基站借助lora分层自组网，实现现场所有基站共享4g信号良好的基站与云平台的通信能力；
32.lora分层自组网的数据转发说明：
33.单次数据上行通信：
34.当前基站即源基站获取感知域数据，与云平台通信不成功时，源基站通过lora模块发起数据转发请求，借助lora分层自组网寻找4g通信可用基站，向云平台发送数据，当网络中某基站通过4g向云平台传输成功后，该基站被称为本次通信的终点基站；
35.单次数据下行通信：
36.当云平台向传感节点请求数据或进行参数设置时，将通信请求发送给该节点最近一次上行通信的终点基站，该基站未寻找到对应传感节点，则借助lora分层自组网寻找该
节点；
37.lora分层自组网的信号层级机制：
38.每个基站本地存储一项指标：信号层级i，默认值为0，代表源基站通过lora请求网关群数据转发数据的次数，i越大代表该基站与云平台直接通信的能力越弱；
39.当源基站与云平台通信成功时，i置为0，表明该基站无需借助lora网络转发即能够直接实现与云平台的通信；
40.如与云平台通信不成功，则i加1，从0变为1，同时将数据通过lora转发给网关群，如没有信号层级为0的基站承接该数据转发请求，则i加1，从1变为2，再次将数据通过lora转发给网关群，如没有信号层级为1的基站承接该数据转发请求，则i加1，从2变为3，i的递增依此类推；
41.当i达到系统预设的i最大值m时，源基站停止发送数据转发请求，代表本地lora自组网的网关群不能实现对该源基站的数据转发；
42.如源基站当前信号层级为i，通过lora请求数据转发时，同时收到i-1、i-2、i-3基站的数据转发承接响应，则i优先更新为i-2，i的动态变小按最小优先处理；
43.此指标用户防止源基站无限循环不断请求对数据转发；
44.lora分层自组网的信号转发限制：
45.lora网络内数据包的转发带次数标志位j，默认值为0，转发一次加1，当j达到系统预设的j最大值n时停止转发；
46.当所有基站4g信号均不稳定，标志位j用于避免数据包在lora网络内的无限循环转发。
47.优选地，传感节点与基站的位置具有无序性；
48.lora分层自组网具有无序性；lora采取了广播通信方式，每次通信动态组网，动态更新基站的通信层级的策略。
49.本发明所带来的有益技术效果：
50.本发明结合了lora、4g分别具有远距离、可自建、流量费用低及广泛覆盖的优点，同时又规避或弥补了各自的缺点，实现了传感网络的去中心化、自组网、网络拓扑动态变化等特性，尤其是室内应用时，结合ble可实现低功耗场景下功耗与通信距离兼顾的最佳方案：
51.1、网络域的硬件设备均采用外部电源供电，尤其适用室内实验室场景，一般室内均有电力供电，采用外部电源供电后，无需为低功耗应用采取各种繁琐的通信策略，通信实时性更好，开发难度低；
52.2、感知域可采用ble通信，ble在消费性电子行业具有大批量应用，方案成熟，相对zigbee、lora、433(fsk)、wifi等通信方式功耗更低、成本更低；
53.3、感知域可采用rs485与ble混合组网，可低成本实现单点或集群监测，对多样的场景需求灵活匹配最低成本方案；
54.4、基于4g cat.1通信模块的广泛应用，基站的硬件成本持续走低，在4g信号欠佳的场景，本发明基站群的策略具有明显优势，可用最低成本实现无线传感网络的深入覆盖。
55.5、本发明的组网策略逻辑简单，开发难度低，易推广。
附图说明
56.图1为本发明单台基站传感网络应用图；
57.图2为本发明完整网络拓扑示意图；
58.图3为本发明基站群组网图；
59.图4为网络域中采用ble方式进行上行通信流程图；
60.图5为当前基站lora截获可转发数据流程图；
61.图6为当前基站请求其他基站转发数据流程图；
62.图7为网络域中采用ble方式进行下行通信流程图；
63.图8为当前基站lora截获其他基站获取某传感节点数据流程图；
64.图9为当前基站请求其他基站获取某传感节点数据流程图；
65.图10为网络域中采用rs485方式进行上行通信流程图；
66.图11为网络域中采用rs485方式进行下行通信流程图；
67.图12为基站产品定义示例图；
68.图13为现场位置示意图。
具体实施方式
69.下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：
70.本发明属于一种集群式传感网络。当现场有多个4g网关，且部分网关4g通信中断情况下，现场范围内的网关可采用lora自组网，组成一个网关群，网关群内通过lora共享网关群的4g通信。以基于本发明构建的传感网络的一种产品实现为例：传感器节点采用ble通信，解决低功耗问题，网关通过ble接收到传感器数据后4g上行通信上传云平台，当4g信号欠佳时，借助lora的自建网络能力，实现网关之间的自组网，解决不能自建网络的问题。
71.(一)本发明中涉及的单台基站传感网络应用图示及描述
72.基站：对应图1中base station，非运行商基站，即前文所述网关角色，本发明中称为基站，每个基站有唯一id，上行通信采用4g与云平台交互，下行通信采用ble或rs485从传感节点获取传感器数据。
73.当前基站：当前基站指运行该流程的基站，即运行当前本次流程的基站。
74.传感节点：对应图1中digital probe，每个节点有唯一id，本身自带数据存储功能，通过ble或rs485与基站通信，传送采集到的传感器数据。
75.主要原理如下：
76.上行通信：
77.①
ble方式：传感节点通过ble广播发送监测数据，基站通过ble抓取广播包中的监测数据及该节点的id后，一并通过4g上传云平台。
78.rs485方式：基站通过rs485向传感节点发送数据请求，节点返回传感器数值及该节点的id后，一并通过4g上传云平台。
79.下行通行：
80.①
ble方式：如云平台有某ble传感节点特定时间段的数据获取请求，将请求发送给基站，基站通过ble与该id对应的传感器节点通过蓝牙配对，配对后，传感节点回复该时间段节点。
81.②
rs485方式：如云平台有某rs485传感节点特定时间段的数据获取请求，将请求发送给基站，基站通过rs485读取该传感节点特定时间段数据。
82.(二)本发明中完整网络拓扑示意，如图2所示。
83.感知域的两种实现示例：传感节点可监测、保存、发送传感器数据，采用ble或rs485通信，ble节点电池供电，rs485节点由基站供电。
84.网络域：收集传感节点的数据，根据云平台指令对传感节点进行设置或读取数据，外接电源供电，一般自带后备电源。
85.lora分层自组网适用情况说明：
86.当现场4g网络信号覆盖良好，与云平台通信正常时，无需lora网络。
87.当现场4g网络信号质量参差不齐，部分基站4g信号不稳定或无信号、通信故障时，可借助lora网络实现现场所有基站共享4g信号良好的基站与云平台的通信能力。
88.冗余性说明：当一个传感节点的数据，多个基站均上传云平台时，云平台做冗余性处理，去掉多余数据。因4g流量成本越来越低，此冗余性策略，有利于保证数据完整性。
89.适用场景举例：
90.(1)分层的地下建筑：地下一层4g信号尚可，但地下二层4g信号不可用，地下二层的传感器数据可通过基站的lora通信发送至地下一层基站，然后转发至云平台。
91.(2)嵌套式的生物实验室：因防护性等要求，较多实验室采用钢板式结构建设，多间实验室房间通过小窗或门连通，距室外最近的房间4g信号可用，但建筑最内层的房间4g信号不可用，最内层房间的传感器数据可通过lora通信发送到建筑内4g可用的基站转发至云平台。
92.(三)本发明中的所述基站群组网图示及lora分层自组网机制阐述，如图3所示；
93.1、lora分层自组网数据转发简要说明
94.(1)单次数据上行通信：
95.以网络中某一基站发起数据上传为例，该基站获取感知域数据，在本次通信中被称为源基站，源基站与云平台通信不成功时，源基站通过lora模块发起数据转发请求，借助lora分层自组网寻找4g通信可用基站，向云平台发送数据，当网络中某基站通过4g向云平台传输成功后，该基站被称为本次通信的终点基站；
96.(2)单次数据下行通信：
97.当云平台向传感节点请求数据或进行参数设置时，将通信请求发送给该节点最近一次上行通信的终点基站，该基站未寻找到对应节点，则借助lora分层自组网寻找该节点。
98.2、lora分层自组网的信号层级机制：
99.每个基站本地存储一项指标：信号层级i，默认值为0，代表源基站通过lora请求网关群数据转发数据的次数，i越大代表该基站与云平台直接通信的能力越弱。一般的，此指标在基站首次上行通信时会改变，如本地网关数量、位置及4g信号网络稳定，后续通信中i不变，同时为应对无线网络的不稳定性，i也可动态变化。
100.(1)当源基站与云平台通信成功时，i置为0，表明该基站无需借助lora网络转发即可直接实现与云平台的通信；
101.(2)如与云平台通信不成功，则i加1，从0变为1，同时将数据通过lora转发给网关群，如没有信号层级为0的基站承接该数据转发请求，则i加1，从1变为2，再次将数据通过
lora转发给网关群，如没有信号层级为1的基站承接该数据转发请求，则i加1，从2变为3，i的递增依此类推；
102.(3)当i达到系统预设的i最大值m时，源基站停止发送数据转发请求，代表本地lora自组网的网关群不能实现对该源基站的数据转发；
103.(4)如源基站当前信号层级为i，通过lora请求数据转发时，同时收到i-1、i-2、i-3基站的数据转发承接响应，则i优先更新为i-2，i的动态变小按最小优先处理。
104.此指标用户防止源基站无限循环不断请求对数据转发。
105.系统预设的i最大值m为根据lora通信的信号传输距离特性而定的经验值，一般场景中，i可取的系统预设最大值为3，实际应用案例中用户可调整该系统预设最大值。
106.3、lora分成自组网的信号转发限制：
107.lora网络内数据包的转发带次数标志位j，默认值为0，转发一次加1，当j达到系统预设最大值n时停止转发。本发明假设所有基站4g信号均不稳定，标志位j用于避免数据包在lora网络内的无限循环转发，该预设最大值n默认为6。
108.4、健壮性说明：
109.(1)当通信设备安装完成后，为避免现场lora网络一直不能寻找到4g可用的基站，在每个基站预存有层级最大值m，等组网过程中层级达到最大值m，则退出lora组网，通信失败。
110.(2)为避免通信碰撞，所有的lora模块采用具有载波侦听功能的通信模块实现。当信道空闲时，在一定时间段内随机发起广播通信。
111.(3)lora网络数据包中含有转发标记j，当转发次数达到预设最大值n时，停止转发，避免数据包转发死循环。
112.(4)为区分上行通信与下行通行，每个lora广播包中用p，q分别代表上行通信与下行通行。
113.(四)网络域上行与下行通信流程说明
114.1、网络域上行通信流程(ble方式)，如图4、图5、图6所示；
115.2、网络域下行通信流程(ble方式)，如图7、图8、图9所示；
116.3、网络域上行通信流程(rs485方式)，如图10所示；
117.图10中的“当前基站lora截获可转发数据流程”与图5流程相同，“当前基站请求其他基站转发流程”与图6流程相同。
118.4、网络域下行通信流程(rs485方式)，如图11所示；
119.图11中的“当前基站lora截获其他基站的源基站x上传感节点y数据包β请求”与图8流程相同，“当前基站请求其他基站获取源基站x上传感节点y的数据包β”与图9流程相同。
120.rs485方式与ble方式主要区别：
121.rs485节点是有线通信，与基站点有固定对应关系，数据包α中除传感节点id、传感器数据外，还包括基站id。
122.(五)低功耗应用方案实现
123.1、一种基站产品定义示例，如图12所示；
124.(1)基站规格：
125.上行通信：4g cat.1；
126.数据采集：标配蓝牙与rs485信号采集通道，根据现场特点选配rs485传感器或蓝牙ble传感器；
127.其他：显示屏、2个按键、蜂鸣器、lora模块、外接电源供电、自带可充电锂电池；
128.(2)通信配置说明：
129.①
基站采用广和通4g模块l610-cn实现，该模块支持open mcu方式开发，无需增加主控mcu，标配4g cat.1与ble两种通信方式。
130.②
基站具有两路rs485通道，采用航空插头，分别连接lora模块与rs485传感器。
131.③
如有需要可通过按键自定义信号层级m。
132.④
lora模块采用rs485连接，理论上可延长1000m以上，实际中至少可以延长100m，便于通过施工经验，选取最佳安装点。
133.(3)场景应用
‑‑‑
根据场景匹配最低成本方案：
134.①
当需要单点监测或现场4g网络覆盖较好时，无需外接lora模块。
135.②
当现场监测位置不适合布线时，在监测位置安装ble传感器。
136.③
如不需rs485传感器，该通道可空闲，不接。
137.④
当现场4g信号较差时，外接lora模块。
138.⑤
传感网络可实现有线与无线混合组网。
139.2、现场位置，如图13所示；
140.(1)网络的位置无序性特点：
141.因无线信号的辐射范围特性，现场施工无法判断信号范围，本发明对传感节点与基站的位置相对关系，无要求，现场安装无序严格考究产品的位置关系。
142.(2)网络的组网无序性特点：
143.因项目运行过程中，必然有基站故障或关闭、新装基站等情况，且无线通信信道本身的不稳定特性，本发明为避免lora入网、退网的开发复杂性，采取了广播通信方式，每次通信动态组网，动态更新基站的通信层级的策略。
144.本发明创新点：
145.①
分别结合了ble功耗低与实时性好、lora远距离可自建、4g流量费用低及广泛覆盖的优点，同时又规避或弥补了各自的缺点，实现了一种超低功耗、实时性强、普适性强的无线传感网络，尤其适合室内应用。
146.②
基于此网络的产品实现成本低，功能模块复用性好，易于扩展，用更少的开发工作量实现更多的场景适用。
147.③
感知域可结合rs485传感节点，实现有线与无线混合组网或单独组网，方案灵活，针对用户现场多样环境匹配最低成本方案。
148.④
通过lora的组网，实现了对现场基站群4g信号的共享。
149.⑤
通过整体网络组网策略的无序特点满足了传感网络的去中心化、自组网、网络拓扑动态变化等特性。
150.本发明关键技术点：
151.①
lora分层自组网策略；
②
整体网络组网策略的无序性。
152.当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的
保护范围。