一种基于LoRa网络的气体监控方法技术

一种基于LoRa信号的有害气体检测方法，搭建LoRa无线信号节点分布的拓扑结构平台，通过使用传感器节点网络与智能云平台进行交互，实现对化工企业生产装置可燃气体和有毒气体危险环境的实时监测、及时报警与安全预警，提前预防事故的发生及预测环境危险性，预防人身伤害以及爆炸事故的发生。本发明专利技术相比有线气体报警来说成本更低，有更高即时性的基于LoRa网络的有害气体预警方案，它能够有效实现对远距离区域节点的气体检测与上传报警。区域节点的气体检测与上传报警。区域节点的气体检测与上传报警。

【技术实现步骤摘要】
一种基于LoRa网络的气体监控方法


[0001]本专利技术属于物联网低功耗智能传输领域，尤其可以更好的对特定场所的气体进行检测观察，在复杂多变环境下也可以进行无人监管。

技术介绍

[0002]现代化工常会产生某些可燃气体和有毒气体，而这种环境复杂、多变的特点导致人们对气体监测预警的需求也越来越迫切。许多技术成熟、使用便捷的气体传感器相应而生，其最大的应用方向是民用领域。针对化工工业现场领域，可以通过半导体金属氧化物气体传感器进行一氧化碳、氨气、氢气、硫化氢和二氧化硫等有害气体采集。适用于物联网节点的气体传感应用范围广泛，最主要的热点是成本低廉而且功能强大。
[0003]低功耗广域网(LPWAN)是一种长距离物联网无线通信技术，具有信号覆盖范围广、占用带宽小、终端连接数量多、功耗低、成本低等优点，应用普及率高。LPWAN技术类型较多，主要包括授权频谱技术与未授权频谱技术两大类，LoRa(远距离无线电)是未授权频谱技术的一种，是物理层无线数字通信调制技术。
[0004]在多种LPWAN技术中，全球范围内，NB
‑
IoT、LoRa是应用范围最广的两种技术，在未授权频谱技术中，LoRa处于主导地位。LoRa除了具有网络容量大、功耗低、信号穿透能力强、高速移动信号稳定、可定位等特点外，最大优势在于同等功耗条件下无线射频通信距离更远。LoRa可以广泛应用在仪器仪表、医疗设备、智能家居、智慧物流、智慧城市、智能制造、智慧农业等领域。
[0005]目前已经出现了一些基于LoRa网络的智能传输方案。在很多情况下，为保证低功耗长时间工作，传输的数据种类与数据量有一定限制，导致在实际应用中即时效果受到影响。平台在采集信息过程中，需要实现将系统需要的额外信息合并成加密数据包一次性传输的功能。所以如何在低功耗模式下对数据采集与上传过程能够即时上传足量数据是十分值得继续探索的。

技术实现思路

[0006]为了克服现有技术的不足，本专利技术提供一种相比有线气体报警来说成本更低，有更高即时性的基于LoRa网络的有害气体预警方案，它能够有效实现对远距离区域节点的气体检测与上传报警，是一种低功耗、高精度以及无人监管的基于LoRa信号的有害气体检测方法。
[0007]本专利技术所采用的技术方案是：
[0008]一种基于LoRa信号的有害气体检测方法，所述方法包括以下步骤：
[0009]步骤1：搭建LoRa无线信号节点分布的拓扑结构平台，包括以下步骤：
[0010]步骤1
‑
1：依据每个采集节点具体检测气体的需要，将其所采集的气体种类作为基本单元，使采集区域分为N个节点；
[0011]步骤1
‑
2：将中继节点放置在当前结构平台的中心位置，以其为原点，将各个采集
节点整合坐标集合为(x，y)＝{(x1，y1)，(x2，y2)，
…
，(x
n
，y
n
)}；
[0012]步骤1
‑
3：根据公式中继节点坐标为(x0，y0),将各个采集节点的坐标带入计算出其与中继节点的直线距离d
i
；
[0013]步骤1
‑
4：依据步骤1
‑
3中的结果d
i
，按由大到小的方式排列出节点序列{L1,
…
,L
N
}；
[0014]步骤2：对采集节点的LoRa网络进行设置，按照序列{L1,
…
,L
N
}由大到小设定LoRa模块的发送、接收功率、空中传输速率和信道；
[0015]步骤3：数据采集阶段，每个节点都有固定的两种气体传感器，采集包含气体类型、浓度数据、电池电量和人员靠近等信息的数据帧；每条数据帧结构的第一位都是固定帧头1B(0)，第二位表示设备编号，第三位显示当前传感器检测的气体类型，第四位是对应的传感器检测数据，第五位表示电池容量数据，第六位是人员入侵检测的信号，最后以固定帧尾1B(#)结束；
[0016]步骤4：对数据进行打包预处理；
[0017]步骤5：数据发送阶段，对中继节点的LoRa网络进行设置，根据公式计算出N个采集节点工作时，随机一个节点L
i
数据上传的成功率Q
i
。其中P
i
表示一个采集周期中中继节点接收到节点L
i
上传数据的次数，M
i
表示N个采集周期中中继节点未接收到节点L
i
上传数据的次数，A
j
表示一个采集周期中中继节点重复接收到节点L
i
上传数据的次数；
[0018]步骤6：根据步骤5计算所得的各个采集节点上传数据的成功率Q
i
，带入公式计算出中继节点对随机一个采集节点调整后的接收时长T
i
；
[0019]步骤7：中继节点进行网络连接，通过MQTT协议连接主机平台的服务器；
[0020]步骤8：中继节点向服务器发送当前自身设备信息与采集节点状态检测结果；
[0021]步骤9：中继节点依据接收时长T
i
开启中断接收，收到采集节点信息后立即将数据包转发到服务器端；
[0022]步骤10：中继节点发送心跳包至服务器端，收到返回的ACK握手信号后默认服务器在线，否则认为服务器断线，重复步骤7进行重新连接。
[0023]进一步，所述步骤4包括以下步骤：
[0024]步骤4
‑
1：将两种传感器的检测气体类型、数据值和气体报警等级信息分别存入同一类型的两个不同结构体中；
[0025]步骤4
‑
2：将数据包头、节点ID、数据包长度以及步骤4
‑
1中的两个结构体转存至需要打包发送的总结构体中，并按照与中继节点约定的协议进行封装。
[0026]再进一步，所述步骤7包括以下步骤：
[0027]步骤7
‑
1：初始化WIFI模块的各项配置，将其设置在TCP传输模式下；
[0028]步骤7
‑
2：通过系统内部存储的的热点账号与密码将WIFI模块连接局域网；
[0029]步骤7
‑
3：通过系统内部存储的目标服务器IP地址与端口号与监测平台的服务器建立连接；
[0030]步骤7
‑
4：通过系统内部存储的客户端账号与密码，登录监测平台服务器；
[0031]步骤7
‑
5：通过MQTT协议的主题订阅功能，对服务器端“/sensor/data”主题进行订阅。
[0032]本专利技术的技术构思为：无线网络数据传输是近些年来兴起的一个研究领域，尤其在仪器仪表、医疗设备和智能家居等方面都产生了许多的专利技术成果。LoRa网络因为其低功耗与远距离的特点，在这些方面的应用尤为广泛。本专利技术的一种基于LoR本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于LoRa网络的气体监控方法，其特点在于，所述方法包括以下步骤：步骤1：搭建LoRa无线信号节点分布的拓扑结构平台，包括以下四个步骤：步骤1
‑
1：依据每个采集节点具体检测气体的需要，将其所采集的气体种类作为基本单元，使采集区域分为N个节点；步骤1
‑
2：将中继节点放置在当前结构平台的中心位置，以其为原点，将各个采集节点整合坐标集合为(x，y)＝{(x1，y1)，(x2，y2)，
…
，(x
n
，y
n
)}；步骤1
‑
3：根据公式中继节点坐标为(x0，y0),将各个采集节点的坐标带入计算出其与中继节点的直线距离d
i
；步骤1
‑
4：依据步骤1
‑
3中的结果d
i
，按由大到小的方式排列出节点序列{L1,
…
,L
N
}；步骤2：对采集节点的LoRa网络进行设置，按照序列{L1,
…
,L
N
}由大到小设定LoRa模块的发送、接收功率、空中传输速率和信道；步骤3：数据采集阶段，每个节点都有固定的两种气体传感器，采集包含气体类型、浓度数据、电池电量和人员靠近等信息的数据帧；每条数据帧结构的第一位都是固定帧头1B(0)，第二位表示设备编号，第三位显示当前传感器检测的气体类型，第四位是对应的传感器检测数据，第五位表示电池容量数据，第六位是人员入侵检测的信号，最后以固定帧尾1B(#)结束；步骤4：对数据进行打包预处理；步骤5：数据发送阶段，对中继节点的LoRa网络进行设置，根据公式计算出N个采集节点工作时，随机一个节点L
i
数据上传的成功率Q
i
，其中P
i
表示一个采集周期中中继节点接收到节点L
i
上传数据的次数，M
i
表示N...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴哲夫，杨学良，朱文杰，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：