一种基于无线测距技术的海量LoRa节点快速自组网通信方法技术

一种基于无线测距技术的海量LoRa节点快速自组网通信方法，应用于地震勘探节点的无线通信技术领域，涉及设备包括：网关以及终端节点，其中，网关用于集中收集地震勘探节点的数据，地震勘探节点用于采集、传输所需数据。包括步骤如下：LoRa网关和地震勘探节点间进行组网、通信，采用无线测距技术、改进的K

【技术实现步骤摘要】
一种基于无线测距技术的海量LoRa节点快速自组网通信方法


[0001]本专利技术属于LoRa无线通信
，具体涉及一种基于无线测距技术的海量LoRa节点快速自组网通信方法。

技术介绍

[0002]在无线通信
，LoRa无线通信是其中重要的一种技术。LoRa指远距离无线电，是一种线性调频扩频调制技术，因其具有传输距离远、功耗低、组网灵活等诸多优势特性，故而在一些行业应用广泛。在地震勘探领域中，传统的有线勘探正逐步被无线勘探取缔，而LoRa因其优势也在该领域初步崭露头角。一个LoRa网络系统一般由服务器、网关和终端节点组成，网关和服务器间一般通过5G/4G/3G/GPRS连接，网关和终端节点间一般通过星型网络结构连接，LoRa网关将海量终端节点采集的地震勘探数据汇总后上报服务器，因此如何高效地对网关和终端节点组网和通信，显得尤为重要。对于海量LoRa终端节点的组网和通信，常常存在终端节点功耗高、组网耗时过长等问题。
[0003]中国专利CN111107674A公开了一种基于野外动物监测设备的LoRa时分组网通信方法，该方法采用分时广播机制进行组网通信，实现了LoRa的组网通信。然而在上述方法中，每个终端节点入网，LoRa网关都需要广播一次，每次广播都将唤醒所有终端节点导致功耗增加，而且当某一终端节点向网关传输数据时同时也会唤醒其他不相关终端节点，导致功耗进一步增加；而且终端节点在监听模式下被唤醒进行组网是需要一定时长的，当终端节点数量较多时，每个终端节点的唤醒时间累加，组网的耗时也将会大大增长。
>[0004]因此现有技术需要一种减少大面积唤醒终端节点的处理方法，来降低LoRa终端节点的功耗，并且需要一种提高海量LoRa终端节点组网通信速度的方法，来提高组网的效率。

技术实现思路

[0005]为了解决上述问题，本专利技术提出了一种基于无线测距技术的海量LoRa节点快速自组网通信方法，适用于海量地震勘探节点的质控检测，实现组网过程的快速自动化以及网络管理的易操作，同时降低节点功耗。
[0006]一种基于无线测距技术的海量LoRa节点快速自组网通信方法，包括如下步骤：
[0007]步骤1：网关与终端节点基于混合滤波方法和拟合方法利用无线信号进行测距；
[0008]步骤2：终端节点基于K
‑
Means无监督聚类改进方法进行自适应分组，同组终端节点用相同组号标记；
[0009]步骤3：网关与终端节点基于步骤2的自适应分组技术、冲突退避和跳频机制分组组网；
[0010]步骤4：网关与终端节间功能包括：无操作时，终端节点进入监听模式；点对点通信时，终端节点利用短前导序列传输采集的数据；广播或点对点通信方式，网关改变终端节点LoRa模块的工作状态；网关自动老化终端节点。
[0011]进一步地，所述步骤1中混合滤波方法为对无线信号先进行卡尔曼滤波后进行均
值滤波。
[0012]进一步地，所述步骤1中拟合方法为采用高阶多项式对测试点数据进行拟合解得优化参数。
[0013]进一步地，所述步骤2中K
‑
Means无监督聚类改进方法为K值由终端节点数量动态控制、采用一维K
‑
Means聚类算法将终端节点分为环状组。
[0014]进一步地，所述步骤3中冲突退避方法为进行瞬时无线信号强度采集，大于指定阈值，则判为有干扰，进行随机延时退避，其中随机数通过无线信号强度的采集值构造。
[0015]进一步地，所述步骤3中跳频机制方法为进行瞬时无线信号强度采集，大于指定阈值，则判为有干扰，进行随机变频入网，其中随机数通过无线信号强度的采集值构造。
[0016]进一步地，所述步骤4中，无操作时，终端节点进入监听模式，具体为，进入RxDutyCycle模式，监听网关呼叫。
[0017]进一步地，所述步骤4中，点对点通信时，终端节间传输采集的数据，具体为，终端节点mac地址唯一并利用短前导序列向网关传输数据。
[0018]进一步地，所述步骤4中，广播或点对点通信方式，网关改变终端节点LoRa模块的工作状态，具体为，网关通过特殊帧格式，通过广播或点对点的无线通信方式，修改终端节点LoRa模块参数。
[0019]进一步地，所述步骤4中，网关自动老化终端节点，具体为，终端节点定时向网关上传心跳数据包，超时则网关对未上传心跳数据包的终端节点进行老化处理。
[0020]相对于现有技术，本专利技术的有益效果至少包括：
[0021]1)采用多路不同频率网关，分组进行组网，加快组网速度，减少组网时间，实现组网过程快速自动化。
[0022]2)组网过程生成终端节点的mac地址
‑
距离的对应关系的查找表，可对终端节点老化处理，方便lora网络的管理。
[0023]3)组网过程中网关仅进行几次广播，减少唤醒终端节点的次数，从而降低功耗；终端节点与网关通信时，采用短前导序列，可大幅减少唤醒不相关节点的概率，从而进一步降低功耗。
[0024]4)支持空中唤醒和无线通信改参，网关可通过lora无线通信修改终端节点的相关参数，方便使用者改变终端节点的工作状态。
附图说明
[0025]图1是本专利技术实施例中的网关和终端节点结构组成框图。
[0026]图2是本专利技术实施例中的多项式算法拟合曲线图。
[0027]图3是本专利技术实施例中的LoRa组网现场情况模拟图。
[0028]图4是本专利技术实施例中的终端节点组网通信流程图。
[0029]图5是本专利技术实施例中的网关组网通信流程图。
具体实施方式
[0030]下面结合说明书附图对本专利技术的技术方案做进一步的详细说明。
[0031]如图1所示是本专利技术的网关和终端节点结构组成框图，其中网关由五路不同频率
的子网关组成，默认子网关通信频率为freq1，其他频率的子网关均应用于跳频通信。终端节点设备中都烧录的默认的相关参数，包括：通信频率、扩频因子、带宽以及mac地址等，其中通信频率为默认为freq1。
[0032]LoRa组网暂时的现场情况是：一台网关和海量的终端节点，根据实际测量，将终端节点布置到可监听网关的范围之内。
[0033]本专利技术是一种基于无线测距技术的海量LoRa节点快速自组网通信方法，该方法包括测距、组网及通信等步骤，具体方法包括如下步骤：
[0034]步骤1：测距。测距过程具体包括如下步骤：
[0035]S1：建立测距模型：
[0036]测距模型采用无线信号传播的对数衰减模型：
[0037][0038]其中，Pr(d)为发射端距离为d处的接收端得到的接收信号功率，一般用当前位置Rssi值——Rc代替；Pr(d0)常取为发射端距离为1m处的接收端得到的接收信号功率，一般用距离发射端1m处的Rssi值——R
1m
代替；n为传播因子、环境因子；Xσ是均值为0的高斯随机变量。
[003本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于无线测距技术的海量LoRa节点快速自组网通信方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：步骤1：网关与终端节点基于混合滤波方法和拟合方法利用无线信号进行测距；步骤2：终端节点基于K
‑
Means无监督聚类改进方法进行自适应分组，同组终端节点用相同组号标记；步骤3：网关与终端节点基于步骤2的自适应分组技术、冲突退避和跳频机制分组组网；步骤4：网关与终端节间功能包括：无操作时，终端节点进入监听模式；点对点通信时，终端节点利用短前导序列传输采集的数据；广播或点对点通信方式，网关改变终端节点LoRa模块的工作状态；网关自动老化终端节点。2.根据权利要求1所述的一种基于无线测距技术的海量LoRa节点快速自组网通信方法，其特征在于：所述步骤1中混合滤波方法为对无线信号先进行卡尔曼滤波后进行均值滤波。3.根据权利要求1所述的一种基于无线测距技术的海量LoRa节点快速自组网通信方法，其特征在于：所述步骤1中拟合方法为采用高阶多项式对测试点数据进行拟合解得优化参数。4.根据权利要求1所述的一种基于无线测距技术的海量LoRa节点快速自组网通信方法，其特征在于：所述步骤2中K
‑
Means无监督聚类改进方法为K值由终端节点数量动态控制、采用一维K
‑
Means聚类算法将终端节点分为环状组。5.根据权利要求1所述的一种基于无线测距技术的海量LoRa节点快速自组网通信方法，其特征在于：所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：郝学元，王洪超，汪寅章，孙炜，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：