LORA自組網(wǎng)系統(tǒng)簡介
充分利用LORA的點到點長距離通訊的特點，利用高速的LORA通訊模塊，組建自動中繼、自動重組路由的MESH通訊網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)包含一個集抄節(jié)點和若干末端的子節(jié)點，在開始運行時，由集抄節(jié)點發(fā)出建立路由命令，經(jīng)由一套智能空間樹狀分析算法，可以根據(jù)節(jié)點之間各自通聯(lián)的可能性，自動組織路由，自動生成最佳通訊匹配的LORA射頻MESH通訊網(wǎng)絡(luò)。
特點：
? 自動生成多層組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，各層節(jié)點之間自動匹配成隸屬關(guān)系，自動中繼，無需額外中繼設(shè)備。
? 通訊過程中能實現(xiàn)自愈運行，自動判斷節(jié)點投退，自動排除離線節(jié)點，自動接入在線節(jié)點。
? 自動約束層限，盡可能將通訊節(jié)點約束在淺層，以保證通訊的高效率。
? 支持自動節(jié)點地址分配(全球唯一地址)，減少了現(xiàn)場設(shè)置的麻煩。
? 采用了自動空間碰撞檢測回避技術(shù)，支持重要數(shù)據(jù)的緊急主動上傳。
? 優(yōu)化空間傳輸結(jié)構(gòu)，支持長報文多層傳輸，采取了多級全方位的防誤措施，避免各種干擾和異常狀況對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的影響。
? 未來可支持跳頻傳輸，防止同頻干擾，節(jié)省信道資源。
功能：
? 支持多種信息傳遞方式，包括全網(wǎng)節(jié)點遍歷輪詢、針對節(jié)點地址層間節(jié)點多跳查詢等。
? 數(shù)據(jù)類型可以包括雙向的短報文傳遞、開關(guān)量傳遞、模擬量傳遞等。
? 自動分割長報文，以短片傳遞，以防止干擾，增強LORA傳輸?shù)目煽啃浴?/p>
? 這種自動組網(wǎng)、自動重組路由的組網(wǎng)方式用在臺區(qū)分散的末端設(shè)備感知的數(shù)據(jù)傳輸，充分利用了LORA點到點通信距離遠的特點，避免了星型LORA傳輸網(wǎng)的集抄器與末端節(jié)點直線距離易被遮斷的困擾，與目前存在于末端感知通訊中其他通訊方式相比具有較大優(yōu)勢，是目前物聯(lián)網(wǎng)的有效和理想的實現(xiàn)方式。
一種用于變電臺區(qū)設(shè)備LoRa通訊的MESH自組網(wǎng)方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及一種無線自組網(wǎng)構(gòu)成和傳輸方法，具體涉及一種LoRa通訊的MESH組網(wǎng)傳輸方法，屬于通信控制技術(shù)領(lǐng)域。
技術(shù)背景
在現(xiàn)有的變電臺區(qū)LoRa星型組網(wǎng)傳輸技術(shù)中，往往會因為距離、遮擋、干擾等原因，造成主節(jié)點不能收集所有子節(jié)點的信息，大量的這種子節(jié)點將會離線，造成丟失數(shù)據(jù)，嚴重影響了通訊的可靠性。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：針對變電臺區(qū)現(xiàn)有星型組網(wǎng)技術(shù)存在的問題，提供一種適用于變電臺區(qū)的MESH組網(wǎng)結(jié)構(gòu)的LoRa無線通訊系統(tǒng)，能夠做到自動多級中繼主節(jié)點不能直連的遠方節(jié)點，自適應(yīng)修復離線子節(jié)點路由結(jié)構(gòu)，自動接入新增節(jié)點等功能。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題的技術(shù)方案如下：
一種適用于變電臺區(qū)的MESH組網(wǎng)結(jié)構(gòu)的LoRa組網(wǎng)方法的實現(xiàn)包括以下步驟：
S1：組建一個包括一個主節(jié)點和N個子節(jié)點的LoRa組網(wǎng)系統(tǒng)，主節(jié)點為信息匯聚點。子節(jié)點為信息采集點。主節(jié)點通過多層的路由結(jié)構(gòu)連接N個子節(jié)點，每個子節(jié)點都由相應(yīng)的12字節(jié)唯一ID表示，用做組網(wǎng)子節(jié)點標識，這個ID來自于通訊所用的MCU的全球唯一ID號。
S2：通訊實現(xiàn)時，先進行系統(tǒng)內(nèi)子節(jié)點ID檔案收集過程，由主節(jié)點(邏輯節(jié)點號為0)發(fā)出廣播求號幀COM16，子節(jié)點群A集合(i=1…a)將收到該報文。子節(jié)點在未匹配狀態(tài)表現(xiàn)為接收COM16報文狀態(tài)，每間隔100ms循環(huán)一次，利用中斷回調(diào)函數(shù)接收該LORA報文，在收到COM16以后，利用隨機函數(shù)計算一個在0-3秒鐘隨機的時間ts，不同的響應(yīng)子節(jié)點在ts時間以后帶12字節(jié)標識碼回復主節(jié)點，其他待接入節(jié)點處于監(jiān)聽狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)空中有報文則推遲自身發(fā)送。主節(jié)點在收到這些標識碼以后，按照先后的順序?qū)⑵渚幪?，排入?jié)點檔案列表。規(guī)定時間到以后，主節(jié)點按照收到的檔案標識碼列表查詢一遍，并確定邏輯地址，稱為定序過程。之后，主節(jié)點再問一遍COM16，定序邏輯地址成功的子節(jié)點不再回復，剩余的未定序子節(jié)點同樣依隨機函數(shù)確定的時間回復。依次執(zhí)行，直到不再有未定序節(jié)點加入。
S3：第一層形成以后，主節(jié)點將擁有M個在線節(jié)點，依照同樣過程采用令牌輪換(父節(jié)點需要向子節(jié)點送出已定序的邏輯節(jié)點范圍)，分別將各在線節(jié)點作為主節(jié)點，依次形成和得到各在線節(jié)點的第二層、第三層……的子節(jié)點的路由結(jié)構(gòu)和ID檔案并定序相應(yīng)的邏輯節(jié)點。各層在線子節(jié)點在得到各自的子節(jié)點的ID檔案列表以后，向其路由表中的上層父節(jié)點匯報所得到的的路由結(jié)構(gòu)、子節(jié)點ID檔案號及其相應(yīng)的邏輯節(jié)點定序號。層層上報，直到主節(jié)點擁有所有各層子節(jié)點的12字節(jié)ID檔案號及其相關(guān)的邏輯地址編號(1，……，N)。
如果可以在主節(jié)點人工輸入建立所有的臺區(qū)內(nèi)子節(jié)點的ID檔案列表，則無需S2和S3過程。每個子節(jié)點的邏輯地址只在每次組網(wǎng)中有效。
S4：正常通訊過程前，主節(jié)點先實現(xiàn)建立路由的過程，由主節(jié)點依照所存子節(jié)點的ID檔案，對于所有離線節(jié)點，依次發(fā)出COM5命令LoRa報文，該報文包含相關(guān)節(jié)點的12字節(jié)ID檔案號以及報文發(fā)出時對其所分配的邏輯地址編號。子節(jié)點收到COM5報文時，與自身的ID序號進行比對，如果一致，則接受配對，并向上層返回COM2報文。在一輪COM5發(fā)完后，主節(jié)點將返回COM2報文的子節(jié)點作為自身的局部在線節(jié)點。在這個過程中，主節(jié)點將形成局部路由表和二級路由表結(jié)構(gòu)。
S5：接著以局部在線節(jié)點作為主節(jié)點依次輪流重復S4過程，直到建立多層的MESH路由網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
S6：在MESH路由結(jié)構(gòu)建成以后，將進入正常通訊過程，在正常通訊過程中，由主節(jié)點向各子節(jié)點依照所匹配的邏輯地址發(fā)出COM11報文，該報文包含所需要傳遞的內(nèi)容報文信息，該報文可能只經(jīng)歷一層(即主節(jié)點的局部在線節(jié)點)，也可能經(jīng)由中間子節(jié)點跨越多層路由結(jié)構(gòu)(利用每個節(jié)點的二級路由表)，中間子節(jié)點在收到該報文以后，將按照路由表結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)發(fā)到下一層，目標子節(jié)點在收到該報文以后，將把所需要回復主節(jié)點的內(nèi)容報文信息打包成COM12報文返回上一層節(jié)點，依照路由表層層上傳，直到返回主節(jié)點。
S7：在正常通訊中，一旦通訊收到干擾，則相應(yīng)父節(jié)點重問三次，三次都無返回，則將其置為離線，并層層上報，重組局部路由，無需全局重組路由。
S8：如果系統(tǒng)內(nèi)存在離線節(jié)點，如果為發(fā)出查詢的源地址為主節(jié)點，則發(fā)出包含離線節(jié)點ID檔案號和分配邏輯地址的COM5報文，查是否該離線節(jié)點是否能成為局部在線節(jié)點。否則則由各層節(jié)點在每次COM11總招報文中依次包含需要查詢的離線節(jié)點ID檔案以及匹配的邏輯地址，如果相關(guān)離線節(jié)點收到了COM11 報文中包含著的與自身ID相同的ID檔案號，則搶在報文中的目標地址子節(jié)點回復COM12之前，第一時間向目標地址發(fā)出COM2報文，目標子節(jié)點在收到該COM2報文以后，立刻將該離線節(jié)點納入到本節(jié)點的局部在線節(jié)點中，并隨COM12報文上報路由，形成離線節(jié)點的局部修復機制。
S9：在主節(jié)點的輪詢總招過程中，經(jīng)常會發(fā)生某些子節(jié)點有緊急的高優(yōu)先級事件需要打破常規(guī)緊急組成報文上送，這樣必須終止目前的常規(guī)輪詢總招過程。比如子節(jié)點K有需要緊急上送的事件，此時它組成包含事件內(nèi)容信息的COM7報文(同時做好緩存?zhèn)浞?，立刻發(fā)出，它的發(fā)出將會使當前所有的正常輪詢過程立刻終止，如果一次不能終止，則會重復發(fā)出COM7，直到清空無線空間，COM7報文會層層上送，直到主節(jié)點收到，主節(jié)點收到后，立刻組織一條返回確認報文，依照路由層層發(fā)到節(jié)點K，節(jié)點K收到后，立刻清除緩存?zhèn)浞荩駝t，子節(jié)點K在一段時間內(nèi)如果沒有收到該確認報文，則隔一段時間會將緩存的緊急事件報文重發(fā)。
S10：在正?？傉羞^程中，還會發(fā)生由于停電等原因造成的大批量子節(jié)點的緊急事件需要緊急上報的情況，這就不能依靠S9的過程來實現(xiàn)了。此時需要采取卷積上傳的方式，將所有需要發(fā)出緊急事件的子節(jié)點以有序的方式主動批量上送到主節(jié)點。具體過程為：任何一個此類事件的子節(jié)點發(fā)COM7報文(其中有標識該類事件的特殊標識)層層發(fā)到主節(jié)點，作為信使報文，主節(jié)點收到該報文以后，向最小在線邏輯地址子節(jié)點發(fā)出一幀COM8報文，該節(jié)點收到該報文以后，如果自身是終端節(jié)點(葉節(jié)點)，則向主節(jié)點則向上層父節(jié)點返回包含事件信息的COM9報文，而如果本節(jié)點是中間節(jié)點(枝節(jié)點)，則接著向自己的下層的局部在線節(jié)點依次發(fā)出COM8報文，依次類推，各子節(jié)點都重復該過程，各子節(jié)點在收齊了下層上送的各子節(jié)點相關(guān)信息之后，層層上報，直到送到主節(jié)點。此過程稱為卷積過程。主節(jié)點將一個或多個分支的卷積信息收齊，可以避免比較耗時的逐次多層分別的輪詢總招，以最快的速度把多個同時發(fā)生緊急事件子節(jié)點的信息收集齊整。
S11：LoRa報文收發(fā)過程中，每個節(jié)點都監(jiān)聽空間的LoRa報文，自己報文的發(fā)出是在空中空閑的時刻發(fā)出，這樣就避免了可能發(fā)生的相互干擾，以及不可控的事件的發(fā)生。
S12：臺區(qū)標識碼是每一幀報文中包含的一個特殊信息，相鄰臺區(qū)可以由主節(jié)點設(shè)置為不同的編碼，以避免相鄰臺區(qū)同頻段設(shè)置情況下的無線通訊干擾(需與S11結(jié)合應(yīng)用)。
S13：多類型子節(jié)點設(shè)備可以共享LoRa通訊資源，在主節(jié)點中，設(shè)立設(shè)備類型層，不同類型的設(shè)備賦予相應(yīng)類型編碼，通訊時每幀報文中包含類型信息，類型信息由子節(jié)點上送，這樣主節(jié)點可以根據(jù)收到的類型編碼做相應(yīng)的處理。主節(jié)點可以根據(jù)子節(jié)點編碼類型信息在主節(jié)點構(gòu)成多種處理子系統(tǒng)，例如若干個子節(jié)點屬于漏電監(jiān)察系統(tǒng)，若干個子節(jié)點屬于三相不平衡系統(tǒng)等等，各子系統(tǒng)包含各自不同的處理邏輯，在主節(jié)點中，常規(guī)節(jié)點與各子系統(tǒng)的處理，采用令牌進行切換。
S14：對于一些不參與組網(wǎng)的特殊子節(jié)點，采用了與組網(wǎng)傳輸兼容的非組網(wǎng)報文接收機制，需要對其規(guī)約進行必要解析，一旦收到相關(guān)報文，則以非組網(wǎng)報文看待，收入主節(jié)點，并發(fā)向所連設(shè)備框架。
S15：對于需要保存時間信息的子節(jié)點，保留對時機制，主節(jié)點收到所連設(shè)備發(fā)來的對時信息，在更新和維持自身的年月日時分秒時鐘系統(tǒng)后，隨時以COM17向所屬各層子節(jié)點發(fā)出對時命令，子節(jié)點在收到對時命令后，向主節(jié)點發(fā)出確認報文COM18。
S16：在平時沒有LORA報文收發(fā)的期間，系統(tǒng)自動進入網(wǎng)絡(luò)維護通訊階段，將由主節(jié)點發(fā)出輪詢短報文，遍歷所有各層在線子節(jié)點，并將離線節(jié)點賦予每個輪詢報文中進行核查，隨時接入可以接入的任何離線節(jié)點，并將任何脫網(wǎng)的節(jié)點剔除出系統(tǒng)，進行局部的網(wǎng)絡(luò)重組優(yōu)化。
