一种LoRa自组网络方法及系统

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种LoRa自组网络方法及系统。

背景技术

目前已有无线组网传输方案中有基于semtech传统的LoRaWAN标准协议的星型网络和基于zigbee,wifi、蓝牙、nb-iot等技术的自主网络。但是Zigbee、wifi、蓝牙工作在高频段，在常见的复杂环境中，传输距离有限难以覆盖更大的区域，并且基于其自身技术特点无法大量组成网络。而基于semtech的LoRaWAN星型网络三种标准协议中：1.CLASS A 无法满足平台对大量设备（1000台）的配置需求，根据LoRaWAN标准，设备上下行有1S的时延(即设备上发数据后等待至少1S打开接收窗口接收下行数据)，理想状态下全部配置一遍至少需要花费16min(实测30min)；2.CLASS B需要网关和平台对时时间精确到毫秒，部分定位场景处于内网状态无法对时，并且平台实现起来难度颇大；3.CLASS C无法满足设备（NODE）低功耗的要求，CLASS C是设备发射完毕数据后一直处在接收状态，功耗极高。另外LoRaWAN协议最快支持到SF7(扩频因子)，以传输8字节用户数据为例空口时间51ms，相对于大量设备（1000台）自由上行来说同一时刻存在比较大的碰撞几率。因此亟需一种全新的LoRa自组网络方法实现无线网络维持低功耗、中远距离、大规模、高并非、低延时的传输。

中国专利文献CN112969211A公开了“一种网状结构的LoRa自组网方法及系统”。组网步骤包括入网设备按照从上到下的路由层级顺序，逐级发送入网请求，直到该入网设备收到某上级设备分配的网络信息，网络信息包括网络号、路由层级、工作信道，若所述入网设备是中继模块，网络信息还包括路由编号；其中，网络号设置为上级设备所属的网络号，路由层级设置为上级设备所属路由层级的下一层级别，路由编号设置为上级设备管理直接下级的设备编号；当入网设备收到上级设备分配的网络信息后，依据信号强度绑定上级，并向上级设备上报绑定成功的数据，若所述入网设备为中继模块，上报的数据包括目的地址、设备地址、网络号、路由层级、路由编号；若所述入网设备为终端模块，则上报的数据包括目的地址、设备地址；上级设备收到入网设备的上报数据后，若入网设备在上级设备管理的路由编号范围内，进行路由表的更新，然后按照从下到上的层级顺序，逐级上报直接上级设备；若入网设备不在上级设备管理的路由编号范围内，且存储有入网设备的路由信息，则删除路由信息。但是该专利无法实现大规模、低延时的LoRa网络自组。

发明内容

本发明主要解决原有LoRa网络自组延时高、规模小的技术问题，提供一种LoRa自组网络方法及系统，本发明中系统包括设备端和网关端以及服务器，网关端使用上下行异频的方式同时与服务器和设备端进行数据传输，扩大了空口容量，加快了数据传输的速率，同时在组网过程中采用的自研协议将设备端所需数据提前聚集在网关端形成数据队列，网关端在得到服务器确认后直接从数据队列中调取设备端所需数据，无需再从服务器中获取数据，加快了设备端的网络配置，加快了网络自组速度。自研协议还采用了SF5作为扩频因子进行传输，SF5比现有的SF7拥有更大的空口容量以及更短的传输速度，进一步降低了LoRa网络自组时的延迟，由于网络配置速度加快，因此本专利可以搭建规模更大的LoRa网络。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：本发明包括

S1网关端接收设备端上行数据并确定是否需要下放下行数据至设备端；

S2服务器根据上行数据决定是否发送下行数据至网关端；

S3网关端接收到服务器下行数据后调取数据队列内的数据发送到设备端实现网络自组。

现有LoRa网络可以通过zigbee,wifi、蓝牙、nb-iot方式实现网络自组，但是由于zigbee,wifi、蓝牙、nb-iot均需要在高频段工作，因此该方式组成网络需要在较为稳定的环境中才能进行正常工作，而现实网络使用环境一般都较为复杂，因此通过该方式无法组成较大规模的网络，限制了网络的使用环境。而通过semtech组成传统的LoRaWAN标准协议的星型网络同样存在一些问题。该方式组件的网络在配置组件过程中需要遵循LoRaWAN协议内的1S延时，因此当组网规模较大时，整个网络配置等待时间就会很漫长，极其影响网络的使用，同时在使用过程中多个设备端的LoRaWAN协议内的1S延时多层叠加也会使得整个网络延时较大，网络的实时性受到很大的影响。另外该方式组建网络需要网关端和服务器在时间精度上达到毫秒级别，而现有的LoRaWAN协议最快仅能采用SF7，在数据传输过程中存在数据碰撞，因此当网络内的设备规模提升到一个较大的数量后，实现该方式的网络组建的难度比较大，同时也无法实现低功耗的要求。因此本发明的自组网络系统中网关端采用上下异频传输与服务器和设备端进行连接，在组网时，使用自研协议将服务器需要传输至设备端的数据事先集中在网关端形成数据队列，当服务器需要给设备端发送下行数据时可以直接从网关端的数据队列中调取所需数据，无需再重新经过服务器，加快了传输效率，同时网关端需要按照时间戳处理服务器和设备端的数据，原有的LoRa网络为了能够提高适应性，因此LoRaWAN协议在传输数据过程中增加了1S的时延，本专利中的自研协议在维持网络适应性的基础上取消了1S的时延限制，进一步加快了网络自组的速度以及数据传输的速度，实现了低延时、大规模、低功耗的LoRa网络自组。

作为优选，所述步骤S3中，自研协议提前将设备端数据存储到网关端形成数据队列，当服务器需要给设备端发送数据进行设备配置时，网关端检索数据队列内数据并将所需数据下发至设备端。现有的网络组建中，数据一般存储在服务器内，当网关端确认设备端上传的上行数据并需要发送对应下行数据后，网关端需要重新向服务器发送请求数据，服务器得到请求数据后，将对应设备端所需要的数据传输到网关端，网关端再将所需要的数据传输到对应的设备端。整个过程较为繁琐，极大地延缓了网络自组的速度，本专利的自研协议会将设备端配置所需要的数据事先集中在网关端形成一个数据队列，网关端在得到服务器的确认后，网关端检索数据队列将对应的数据下发至对应的设备端。按照本专利的执行方式，网关端在确认设备端传输的上行数据无误后只需得到服务器的确认数据后即可直接从数据队列内发送下行数据至对应设备端，无需再次重新从服务器调取数据，由于数据事先存储在网关端，因此网关端以及服务器之间传输次数减少，LoRaWAN协议内1S限制也就减少，加快了设备端获取配置所需数据的速度，加快了网络自组的速度。

作为优选，所述步骤S1-S3中，网关端和设备端以及服务器之间传输时，自研协议采用扩频因子SF5。现有的LoRaWAN协议中使用SF7-SF12作为扩频因子进行传输，扩频因子为数据通信的传输速率，而在传输同样长度数据时，SF5速率最大，SF12速率最小，因此本发明中自研协议使用速率更快地SF5进行数据传输，加快LoRa网络配置。

作为优选，所述步骤S1中，网关端线程1接收到设备端的上行数据，在确认数据为非干扰数据后，网关端检索数据队列内是否存在所需下行数据，若存在所需下行数据，相关下行数据划出数据队列附带时间戳发送，剩余数据队列进行重新排序。本专利的自研协议将网络配置所需的数据汇集在网关端附近，因此当网关端确认设备端发送过来的上行数据为非干扰数据后，网关端在得到服务器的确认后即可从数据队列中检索出设备端所需要的数据并以下行数据的方式传输到对应设备端实现设备端的网络配置。当数据队列中有数据发送出去后，数据队列内剩余的数据进行重新排列，并重复上述步骤。

作为优选，所述步骤S2中，网关端线程2扫描服务器传输的下行数据，扫描完成后对其进行加锁，加锁后进入数据队列，当下行数据进入数据队列后再进行解锁。随着网络自组规模 扩大，会有新的设备端加入，因此服务器通过线程2以下行数据的方式向网关端发送新的设备端所需要的数据，下行数据传输至网关端时会进行加锁，当下行数据进入数据队列后解锁，确保下行数据安全进入网关端的数据队列进行集中。

作为优选，所述步骤S3中网关端连接有若干个设备端，每个设备端均通过线程1传输上行数据至网关端，通过线程2接收网关端传输的下行数据。为了便于网关端和各个设备端进行信息的传输，加快传输速率，每个设备端均和网关端通过线程1进行上行数据的传输，线程2进行下行数据的传输。

一种适配于权利要求1-6的LoRa自组网络方法的LoRa自组网络系统，其特征在于，包括服务器端和设备端，所述服务器端和设备端之间设有网关端，所述网关端连接有若干设备端。LoRa自组网络系统中服务器与网关端直接相连进行数据传输，同一网关端可以搭配多个设备端，同时为多个设备端进行网络配置。

作为优选，所述网关端包括线程1和线程2，所述服务器与网关端通过线程2相连接，所述设备端通过线程1和线程2与网关端相连接。网关端采用上下行异频通信方式同时与服务器和设备端进行数据传输。

本发明的有益效果是：本发明中利用自研协议将设备端网络配置所需要的数据预先设置在网关端，进行网络配置时，网关端可直接发送数据给设备端，规避了传统LoRaWAN的一秒时延限制，大大缩短了了设备端网络配置的时间，同时自研协议使用扩频因子为SF5，传输速度远远大于现有的扩频因子SF7，使得现有传输数据过程中在相同时间内中可以传输更多的数据。更快的传输数据使得网络自组速度大大提高，进而可以搭建更大规模的网络。

附图说明

图1是本发明的一种LoRa自组网络方法的流程图。

图2是本发明的一种网关端线程收发数据的流程图。

图3是本发明的一种LoRa自组网络系统的结构图。

图4将是本发明的一种LoRa自组网络系统数据传输的结构图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：本实施例的一种LoRa自组网络方法及系统，如图1和图2所示，包括

S1网关端接收设备端上行数据并确定是否需要下放下行数据至设备端；

S2服务器根据上行数据决定是否发送下行数据至网关端；

S3网关端接收到服务器下行数据后调取数据队列内的数据发送到设备端实现网络自组。

步骤S1-S3中，网关端和设备端以及服务器之间传输时，自研协议采用扩频因子SF5。步骤S1中，网关端线程1接收到设备端的上行数据，在确认数据为非干扰数据后，网关端检索数据队列内是否存在所需下行数据，若存在所需下行数据，相关下行数据划出数据队列附带时间戳发送，剩余数据队列进行重新排序。步骤S2中，网关端线程2扫描服务器传输的下行数据，扫描完成后对其进行加锁，加锁后进入数据队列，当下行数据进入数据队列后再进行解锁。步骤S3中，自研协议提前将设备端数据存储到网关端形成数据队列，当服务器需要给设备端发送数据进行设备配置时，网关端检索数据队列内数据并将所需数据下发至设备端。步骤S3中网关端连接有若干个设备端，每个设备端均通过线程1传输上行数据至网关端，通过线程2接收网关端传输的下行数据。

传统的基于LoRaWAN星型网络一般在服务器进行数据解析，但是网关端和设备端或者服务器之间进行数据传输存在网络质量的不确定性，进而导致数据传输的不稳定，为了能够使得数据传输更加稳定，提高网络的适应性，LoRaWAN标准规定不同节点发收数据的最小时间间隔是1秒钟。该设定虽然能够确保网络的稳定性，但是在实际场景中，既有大量设备端需要上报位置信息，服务器又需要对部分设备端进行网络配置，LoRaWAN标准1秒钟的限制加上网关半双工特征致使服务器需要花费大量的时间在设备配置上，最终导致网络自组速度较慢，较长的前置配置时间也使得LoRa网络无法实现较大规模的自组。而另一种基于zigbee,wifi,蓝牙，nb-iot等技术进行网络自组的方式，由于zigbee,wifi，蓝牙工作在高频段，在现有复杂的环境中无法覆盖较大的区域，致使自组网络的规模极其受限，并不是一个很好的选择。本实施例中在网络自组过程中采用自研协议规避了传统LoRaWAN的一秒时延限制。LoRaWAN标准规定的1S 原理：当LoRa网络中网关端的线程1（thread1）收到设备端（node）的上行数据后会打上时间戳tmst,然后把上行数据送给服务器（NS），服务器收到上行数据后整理出需要发送的下行数据，下行数据里面时间戳是A tmst + 1秒钟，然后网关端的线程2（thread2）收到下行数据后按照下行数据的时间戳写进网关端，网关端即可以按照时间戳发送下行数据。设备端的逻辑为发送上行数据后等待1S打开接收窗口，此时正好收到网关下发的下行数据。而本实施例中服务器会先把要下发给某个设备端的下行数据预先汇集在网关端，网关端会形成一个由不同下行数据组成的数据队列，当网关线程1收到设备端的上行数据后，会检索网关端存储的数据队列，检索到设备端所需要的数据后直接将对应数据发送至对应的设备端，设备端打开接收窗口即可收到网关发送的下行数据。因此LoRaWAN协议的1S是为了兼容解决在不同网络环境下均可以正常使用LoRaWAN协议的问题，而自研协议由于提前把设备端网络配置所需的数据存储到网关端，网关端收到设备端的上行数据后在网关扫描到对应下行数据后下发即可，数据不需要经过NS，也不需要重复受到LoRaWAN协议的1S限制，当大量的设备端需要进行网络配置时能够节省大量的时间根据实测利用本发明的网络每秒钟可以同时接收80个设备同时上行，同时在测试过程中平台对1000个设备配置仅需要不足3min即可配置完毕，极大地降低了网络自组过程中的岩石，由于本实施例网络自组过程中的延时较低，因此网络自组的规模可以根据实际环境需求进行扩张，极大的满足了客户的实际使用场景，实现了低延时、大规模的LoRa网络自组。

现有的LoRaWAN协议使用的扩频因子是SF7 - SF12,而自研协议中使用的扩频因子是SF5-SF12,在传输同样长度数据前提下，扩频因子即为数据传输速率，而SF5速率最大，SF12速率最小，因此自研协议使用的SF5传输数据速率最快。本实施例中自研协议使用扩频因子为SF5，以传输8字节用户数据为例，需要11ms，而传统LoRaWAN使用SF7传输相同数据则需要51ms,空口传输时间几乎是传统LoRaWAN的五分之一，意味着同一时刻空中可以传输更多的数据。LoRa信号抗干扰性强，传输比较远的优势满足了定位网络中的大量节点上报数据的场景。因此使用SF5进行传输,意味着空口传输时间短，意味着可以扩大设备容量，大大缩短了网络自组过程总对多个设备端配置的时间。因此在本实施例进行LoRa网络自组时，在自研协议的作用下服务器将网络内已经连接的设备端配置所需要的数据汇集到网关端，在网关端形成数据队列，设备端发送上行数据至网关端，当网关端验证上行数据为非干扰包后，网关端检索数据队列内的该设备端所需的数据并将其划出队列并盖上时间戳以下行数据的形式发送至对应的设备端，数据队列剩下的数据进行重新排列。当整个网络中有新的设备端接入待配置时，在配置前，自研协议会使服务器将该设备端所需的数据以下行数据的方式发送到网关端，网关端在扫描从服务器发送来的下行数据后会将其进行加锁，将锁住的下行数据汇集至网关端的数据队列后再对上锁的下行数据进行解锁。设备端进行网络配置时，设备端会发送上行数据至网关端，网关端在确认上行数据无误后从数据队列划出相关数据以下行数据的方式发送到对应设备端实现网络配置。

如图3和图4所示，一种适配于权利要求1-6的LoRa自组网络方法的LoRa自组网络系统，其特征在于，包括服务器端和设备端，服务器端和设备端之间设有网关端，网关端连接有若干设备端。网关端包括线程1和线程2，服务器与网关端通过线程2相连接，设备端通过线程1和线程2与网关端相连接。本实施例中的LoRa自组网系统中网关端作为枢纽，在服务器和设备端之间传输数据，设备端和网关端之间通过线程1传输上行数据至网关端，网关端通过线程2传输下行数据至设备端。同时由于一个网络之中设有多个设备端，为了能够使得网关端能够全面地和设备端之间进行数据传输，因此网关端和所有设备端都设有双向地传输通道，实现双线程数据传输。而网关端和服务器之间通过线程2传输下行数据至网关端。