一种面向大面积水产养殖的无线通信系统和无线通信方法技术方案

本发明专利技术公开了一种面向大面积水产养殖的无线通信系统，包括集成在网关的第一Lora2.4G模块和第二Lora2.4G模块，以及集成在若干终端节点的第三Lora2.4G模块；所述第一Lora2.4G模块与第三Lora2.4G模块构成信道一，信道一用于终端节点上传周期性的养殖环境常规数据；所述第二Lora2.4G模块与第三Lora2.4G模块构成信道二，信道二用于终端节点报警或紧急数据上传，网关控制命令发送，新节点加入，网络时间同步维护。本发明专利技术系统网关设计成本低，在保证大面积水产养殖监测网络覆盖的同时，大大降低了无线信道碰撞的概率，提高了紧急数据上传的实时性，和无线监测网络的工作寿命。

【技术实现步骤摘要】
一种面向大面积水产养殖的无线通信系统和无线通信方法
本专利技术涉及水产养殖领域，具体地说，特别涉及到一种面向大面积水产养殖的无线通信系统和无线通信方法。
技术介绍
基于物联网技术设计的大面积水产养殖监控无线通信方案大多使用了Zigbee和GPRS技术。Zigbee的单跳通信距离为10-100m，如需大面积的网络覆盖，则需依赖于路由节点和Mesh协议，随着路由跳数的增加，实时性和可靠性都会下降，且路由节点能耗大，多跳路由协议复杂，路由节点难以采用电池供电，因此适用于小范围的渔业环境监测。有些方案采用GPRS技术来实现渔业环境的远距离数据传输和大范围监测，GPRS模块功耗大，且数据通信按流量计费，而有些偏远地区或近海海域的网络信号较弱，或尚未覆盖到。以Lora为代表的LPWAN(低功耗广域网)技术以其低功耗、长距离、低成本、大网络容量等特点无疑将拥有巨大的水产物联网应用空间。目前，还没有专用的Lora2.4G网关芯片。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术中的不足，提供一种面向大面积水产养殖的无线通信系统和无线通信方法，采用两个lora2.4G芯片SX1280，自行设计低成本网关，并通过设计优化无线通信协议，使其完全满足大面积水产养殖监控应用需求，从而解决现有技术中存在的问题。本专利技术所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：一种面向大面积水产养殖的无线通信系统，包括集成在网关的第一Lora2.4G模块和第二Lora2.4G模块，以及集成在若干终端节点的第三Lora2.4G模块；所述第一Lora2.4G模块与第三Lora2.4G模块构成信道一，信道一用于终端节点上传周期性的养殖环境常规数据；所述第二Lora2.4G模块与第三Lora2.4G模块构成信道二，信道二用于终端节点报警或紧急数据上传，网关控制命令发送，新节点加入，网络时间同步维护。进一步的，所述信道一的功能如下：网关根据测距引擎测得的距离、信噪比和接收信号强度样本均值为节点进行分组，距离越近，信噪比越高，信号强度越强，采用的扩频因子越低；网关根据节点的分布和数量，将信道一的数据采样周期Ts分为若干个时间段，在不同时间段内网关切换为不同的扩频因子；在每个时间段内为处于同一组的节点分配时隙θn，每个节点在自己的时隙内进行上传数据。进一步的，所述信道二的功能如下：a)终端节点在上电初始化阶段工作在信道二，首先节点周期性地进入信道活动检测模式，当检测到信道忙时，节点进入短暂休眠状态，当连续两次检测到信道空闲时，节点向网关发送加入请求；b)网关在确认请求时，将本地定时器当前值、信标周期TB以及下一次发送信标的时间偏移量信息附加在确认帧的尾部；当节点接收到确认帧的前导码时产生中断通知MCU，记录本地定时器的当前值；当节点接收完该帧，计算出两端定时器的差值；接下来终端节点首先从本地定时器中减去该差值，然后再减去一个小的同步退避值τ；τ的设置值应正好满足捕捉到前导码所需的时间；c)网关以TB为周期发送信标，终端节点加入网络后，在信标接收时间切换到信道二，完成信标接收后再切换回信道一；d)终端节点有报警数据上传时，立即切换到信道二上传数据。进一步的，所述信道二的原理如下：所述网关与终端节点通过信道二进行数据交互，根据交互过程中测得的距离、上行和下行数据信噪比和接收信号强度样本的均值以及均值权重WU、WD，计算当前通信的和然后根据和的取值范围确定终端节点的扩频因子，并返回给终端节点。一种面向大面积水产养殖的无线通信系统，包括如下步骤：1)在网关上初始化信道一和信道二，并在信号二上以TB为周期发送信标；2)给终端节点上电，并将终端节点通过信道二向网关发送加入请求；3)网关确认加入请求时，将本地定时器当前值、信标周期TB、以及下一次发送信标的时间偏移量信息附加在确认帧的尾部，使得终端节点能够完成时间同步；4)网关根据测距引擎测得的距离、信噪比和接收信号强度样本均值为入网节点进行分组；距离越近，信噪比越高，信号强度越强的节点组，分配的扩频因子越低；网关根据节点和节点组的数量，将信道一的数据采样周期Ts分为若干个时间段，在不同时间段内网关切换为不同的扩频因子；在每个时间段内为处于同一组的节点分配时隙θn；5)各终端节点在信道一自己的分配时隙内切换到分配的扩频因子进行周期性常规数据上传；6)各终端节点在信标接收时间切换到信道二，完成信标接收后再切换回信道一，以维护与网关的时间同步；7)若终端节点有报警数据上传，则立即切换到信道二上传数据，由于采用了不同的信道，不会和其它节点通过信道一周期性上传的数据产生通信碰撞；8)终端节点连续n次上传数据，未接收到网关返回的ACK，则切换到信道二，通过数据测试重新评估扩频因子；网关根据测试数据重新为终端节点分配扩频因子和时隙。与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：无线通信系统工作频段为2.4GHz，可承受较大干扰，本专利技术使用两个独立的无线信道，网关集成两个独立的Lora2.4G无线模块，终端节点集成一个Lora2.4G无线模块，网关与终端节点构成星型拓扑，上述设计了扩频因子自适应的双信道同步调度无线通信协议。网关设计成本低，在保证大面积水产养殖监测网络覆盖的同时，大大降低了无线信道碰撞的概率，提高了紧急数据上传的实时性，和无线监测网络的工作寿命。附图说明图1为本专利技术所述的终端节点在信道一进行周期性常规数据上传的示意图。图2为本专利技术所述的终端节点在信道二数据上传的示意图。图3为本专利技术所述的面向大面积水产养殖的无线通信系统的流程图。图4为本专利技术所述的网关根据测试数据重新为终端节点分配扩频因子和时隙的流程图。具体实施方式为使本专利技术实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本专利技术。参见图1至图4，本专利技术所述的一种面向大面积水产养殖的无线通信系统，其特征在于：包括集成在网关的第一Lora2.4G模块和第二Lora2.4G模块，以及集成在若干终端节点的第三Lora2.4G模块；所述第一Lora2.4G模块与第三Lora2.4G模块构成信道一，信道一用于终端节点上传周期性的养殖环境常规数据；所述第二Lora2.4G模块与第三Lora2.4G模块构成信道二，信道二用于终端节点报警或紧急数据上传，网关控制命令发送，新节点加入，网络时间同步维护。所述信道一的功能如下：网关根据测距引擎测得的距离、信噪比和接收信号强度样本均值为节点进行分组，距离越近，信噪比越高，信号强度越强，采用的扩频因子越低；网关根据节点的分布和数量，将信道一的数据采样周期Ts分为若干个时间段，在不同时间段内网关切换为不同的扩频因子；在每个时间段内为处于同一组的节点分配时隙θn，每个节点在自己的时隙内进行上传数据。所述信道二的功能如下：a)终端节点在上电初始化阶段工作在信道二，首先节点周期性地进入信道活动检测模式，当检测到信道忙时，节点进入短暂休眠状态，当连续两次检测到信道空闲时，节点向网关发送加入请求；b)网关在确认请求时，将本地定时器当前值、信标周期TB以及下一次发送信标的时间偏移量信息附加在确认帧的尾部；当节点接收到确认帧的前导码时产生中断通知MCU，记录本地定时器的当前值；当节点接收完该帧，计算出两端定时器的差值；接下来终端节点首本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种面向大面积水产养殖的无线通信系统，其特征在于：包括集成在网关的第一Lora2.4G模块和第二Lora2.4G模块，以及集成在若干终端节点的第三Lora2.4G模块；所述第一Lora2.4G模块与第三Lora2.4G模块构成信道一，信道一用于终端节点上传周期性的养殖环境常规数据；所述第二Lora2.4G模块与第三Lora2.4G模块构成信道二，信道二用于终端节点报警或紧急数据上传，网关控制命令发送，新节点加入，网络时间同步维护。

【技术特征摘要】
1.一种面向大面积水产养殖的无线通信系统，其特征在于：包括集成在网关的第一Lora2.4G模块和第二Lora2.4G模块，以及集成在若干终端节点的第三Lora2.4G模块；所述第一Lora2.4G模块与第三Lora2.4G模块构成信道一，信道一用于终端节点上传周期性的养殖环境常规数据；所述第二Lora2.4G模块与第三Lora2.4G模块构成信道二，信道二用于终端节点报警或紧急数据上传，网关控制命令发送，新节点加入，网络时间同步维护。2.根据权利要求1所述的面向大面积水产养殖的无线通信系统，其特征在于：所述信道一的功能如下：网关根据测距引擎测得的距离、信噪比和接收信号强度样本均值为节点进行分组，距离越近，信噪比越高，信号强度越强，采用的扩频因子越低；网关根据节点的分布和数量，将信道一的数据采样周期Ts分为若干个时间段，在不同时间段内网关切换为不同的扩频因子；在每个时间段内为处于同一组的节点分配时隙θn，每个节点在自己的时隙内进行上传数据。3.根据权利要求1所述的面向大面积水产养殖的无线通信系统，其特征在于：所述信道二的功能如下：a)终端节点在上电初始化阶段工作在信道二，首先节点周期性地进入信道活动检测模式，当检测到信道忙时，节点进入短暂休眠状态，当连续两次检测到信道空闲时，节点向网关发送加入请求；b)网关在确认请求时，将本地定时器当前值、信标周期TB以及下一次发送信标的时间偏移量信息附加在确认帧的尾部；当节点接收到确认帧的前导码时产生中断通知MCU，记录本地定时器的当前值；当节点接收完该帧，计算出两端定时器的差值；接下来终端节点首先从本地定时器中减去该差值，然后再减去一个小的同步退避值τ；τ的设置值应正好满足捕捉到前导码所需的时间；c)网关以TB为周期发送信标，终端节点加入网络后，在信标接收时...

【专利技术属性】
技术研发人员：张铮，曹守启，王宝有，
申请(专利权)人：上海海洋大学，
类型：发明
国别省市：上海,31