CN111491303B - 基于LoRa-Mesh的楼宇通讯系统及楼宇通讯自组网方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于物联网通讯技术领域，具体涉及一种基于LoRa‑Mesh的楼宇通讯系统及楼宇通讯自组网方法，系统中传感器用于将从楼宇内第三方设备中采集的数据发送到节点；节点用于将数据传递到网关；网关根据楼宇高度设置在一定位置，用于将数据传递给云端；云端集中部署在公有云上，用于根据数据报文特征，将数据分发给楼宇外对应的第三方应用服务端；节点和网关通过电源持续供电，节点和网关的通信协议为LoRa，路由协议为RPL，不同节点之间以及节点与网关之间通过RPL协议自动组成Mesh网络。本发明使得传感器的协议可以从LoRa转为蓝牙，蓝牙传感器的成本更低，使用寿命更长；采用RPL协议，使得网关之间可互相通信，自动组网，降低了建设和维护成本。

Description

基于LoRa-Mesh的楼宇通讯系统及楼宇通讯自组网方法

技术领域

本发明属于物联网通讯技术领域，具体涉及一种基于LoRa-Mesh的楼宇通讯系统及楼宇通讯自组网方法。

背景技术

物联网技术是继互联网技术之后，又一划时代的技术突破。互联网和云计算技术的发展，充分实现了人与人的链接，软件既服务极大地改变了我们的生活。随着物联网和边缘计算的兴起，今后将会实现物与物的链接，感应既服务会渗透到我们生活的每一个角落。随着智慧广电的发展，各地广电网络开始在物联网的建设和探索，摸索新的业务模式。特别是在窄带物联网的应用当中，以LoRa技术组网的较为普遍，产生了不少成果的案例。

众所周知，窄带物联网的基础是LPWAN(Low-Power Wide-Area Network,低功率广域网络)，其小数据量、长距离传输及省电特性，使这一技术在物联网应用领域中大放异彩。NBIoT，LoRa，Sigfox，都是以大型的室外基站为核心，向城市和大楼的各个角落发送和接收信号，实现无线通讯。在实际的应用当中，由于一些建筑物结构复杂，传统的LoRa组网方式使用星型拓扑，存在诸多缺点，如无法为整个建筑提供真正普遍的连接，尤其是地下室等特殊区域，由于占空比限制和链路质量较差，往往造成数据丢失，网络使用困难。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于LoRa-Mesh的楼宇通讯系统及楼宇通讯自组网方法，采用LoRa-Mesh的组网技术，同时叠加蓝牙通讯，形成的窄带物联网，以室内LoRa节点和网关形成大楼内的LoRa-Mesh网络，以网关为核心，由大楼内向大楼外扩展网络覆盖，通过云服务，达到各楼宇的互联，可以有效解决楼宇内信号的覆盖、大量节点的接入。通过与蓝牙技术相结合，实现LoRa节点与第三方设备的灵活接入，实现智能楼宇的窄带物联网建设。

本发明是这样实现的，提供一种基于LoRa-Mesh的楼宇通讯系统，包括传感器、节点、网关、云端和第三方应用服务端，其中：

传感器用于将从楼宇内第三方设备中采集的数据发送到节点；

节点分布设置在楼宇的每层楼中，用于将数据传递到网关；

网关根据楼宇高度设置在一定位置，用于将数据传递给云端；

云端集中部署在共有云上，用于根据数据报文特征，将数据分发给楼宇外对应的第三方应用服务端；

节点和网关通过电源持续供电，节点和网关的通信协议为LoRa，路由协议为RPL，不同节点之间以及节点与网关之间通过RPL协议自动组成Mesh网络。

进一步地，所述传感器包括LoRa传感器和蓝牙传感器。

进一步地，每层楼中至少部署一个所述节点，所述传感器与节点的接入方式为LoRa或蓝牙。

进一步地，所述传感器与所述节点的接入方式为蓝牙时，节点将蓝牙协议转化为LoRa协议。

进一步地，每20层楼均布安装1-2个所述网关，网关通过有线网络或移动通信连接到互联网，将节点传输来的数据传送到所述云端。

进一步地，所述第三方应用服务端通过API接口从所述云端调用数据。

本发明还提供一种基于LoRa-Mesh的楼宇自组网通讯方法，包括如下步骤：

1)在楼宇内布置上述的基于LoRa-Mesh的楼宇通讯系统；

2)为所述节点和网关持续供电；

3)节点和网关持续接收从所述传感器传来的数据，当节点与节点之间或者节点与网关之间通讯受阻，出现链路异常，则通过RPL路由协议重新寻找新的通讯链路，实现自组网；

4)网关通过网络将数据传递给所述云端，云端将数据分发给对应的第三方应用服务端。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、解决室分和物联网可靠通讯的矛盾；

2、解决节点接入数量和节点状态的监控问题；

3、具有安全的网络架构；

4、解决了大楼内第三方设备的灵活接入问题

5、是一个完全开放的网络平台，兼容性强；

6、采用即插即用的模式，系统建设维护极其方便。

另外，本发明使得传感器的协议可以从LoRa转为蓝牙，蓝牙传感器的成本更低，使用寿命更长(因为功耗更低)；采用RPL协议，使得网关之间可互相通信，自动组网，降低了建设和维护成本。

附图说明

图1为本发明提供的楼宇通讯系统结构图；

图2为将本发明提供的楼宇通讯系统布置在楼宇中的示意图；

图3为在楼宇平层中传感器和节点的分布图；

图4为数据在楼宇通讯系统中的传输过程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

参考图1，本发明提供一种基于LoRa-Mesh的楼宇通讯系统，包括传感器、节点、网关、云端和第三方应用服务端，其中传感器用于将从楼宇内第三方设备中采集的数据发送到节点，传感器包括LoRa传感器和蓝牙传感器(图1中智能门磁、无线烟感中的传感器是lora传感器，手机中是蓝牙传感器)；节点分布设置在楼宇的每层楼中，用于将数据传递到网关，每层楼中至少部署一个节点，传感器与节点的接入方式为LoRa或蓝牙，传感器与节点的接入方式为蓝牙时，节点将蓝牙协议转化为LoRa协议；网关根据楼宇高度设置在一定位置，例如每20层楼均布安装1-2个网关，网关通过有线网络或移动通信连接到互联网，将节点传输来的数据传送到云端。云端集中部署在共有云上，用于根据数据报文特征，将数据通过API接口分发给楼宇外对应的第三方应用服务端。

节点和网关通过电源持续供电，节点和网关的通信协议为LoRa，路由协议为RPL，不同节点之间以及节点与网关之间通过RPL协议自动组成Mesh网络。

组网过程：参考图2和图3，根据大楼里楼层的位置合理安装网关，一般20层楼安装1-2个网关。每一层都安装1个或多个节点，按照建筑物里的环境大小合理布放节点，要保证所有蓝牙传感器都能和节点通信。

对系统中每一部分的具体功能介绍如下：

传感器：传感器可以是LoRa或蓝牙传感器。其中蓝牙传感器是通用设备，使用标准蓝牙协议的传感器都可以接入本发明的网络，根据消息报文的特征，网络运营商会把这些传感器的信息准确的传送给指定的物联网处理服务器。由于蓝牙协议是低功耗的，所以传感器可以使用电池供电，寿命通常在几年甚至更久。

节点：可以有LoRa和蓝牙两种接入方式。如果采用蓝牙接收传感器接入的，由于蓝牙协议的限制，节点与传感器一般不能超过20米，则一般每层楼需要部署1个，平层面积较大的楼房，需要部署更多的节点。节点的主要功能包括：

1、将传感器的蓝牙协议转化为LoRa协议，将数据传送给网关。节点里面的集成电路把蓝牙通道传送过来的数据，去掉蓝牙协议的封装，再加上Lora协议的封装，从Lora通道传送出去。

2、自组网，采用Mesh技术，通过修改路由协议使各节点之间是可以通信并组成链路，在部分节点损坏时，网络还可以自动修复，迂回连通。

网关：根据实际建筑物或园区的大小，选择部署1至多个网关，由网络运营商负责预先配置，并将其放置在楼宇中心位置的弱电机房即可，网关使用有线网络或移动通信(如4G、5G)连接到互联网。

主要功能包括：

1、组网管理，网关使用LoRa协议与节点通信，指挥节点自动组网，并将相关信息注册到云端。

2、通信通道转换，网关将节点传送上来的数据，通过有线网络或4G、5G传送到云端。

云端：集中部署在公有云上，由运营商负责运营和运维，一般是根据区域或行业建设，主要功能包括：

1、运营商配置和管理网关和节点；业务单位通过API接口调用数据，开发应用。

2、数据分发，根据数据包的特征，为业务的使用者提供相关数据，如：将A、B公司的传感器数据分别传给A、B公司，但A、B公司的数据是相互隔离的。或者按区域发送数据，如将区域内所有消防类传感器数据传给该区域的消防部门。

参考图4，基于LoRa-Mesh的楼宇自组网通讯方法，包括如下步骤：

1)在楼宇内布置上述的基于LoRa-Mesh的楼宇通讯系统；

2)为节点和网关持续供电；

3)节点和网关持续接收从传感器传来的数据，当节点与节点之间或者节点与网关之间通讯受阻，出现链路异常，则通过RPL路由协议重新寻找新的通讯链路，实现自组网；

4)网关通过网络将数据传递给云端，云端将数据分发给对应的第三方应用服务端。

本发明提供的基于LoRa-Mesh的楼宇通讯系统对第三方接入设备是友好的，可以透明传输，只要遵守本通讯系统的定义即可按照图2所示，将传感器数据传送到指定的服务器。所有合法的第三方设备传感器只要兼容BLE的规定，将可以自动加入。

本系统采用了低功耗IPv6路由协议和有损网络RPL通信协议来构建LoRa mesh网络，该网络可以完全连接每个设备，为整个建筑提供无处不在的连接。

RPL依赖于低功耗WPAN(6LowPAN)上的IPv6，通过IPv6地址访问大量设备。RPL利用期望传输数(ETX)作为度量来构建面向目的地的有向无环图--DAG图(Directed AcyclicGraph)，以便有效地连接每个设备。因为网络拓扑是自动维护的，所以使用RPL协议可以保证网络没有单点故障。但是RPL最初是专门用于低功耗、能量受限的设备，为了省电，这些设备在不必要的时候，是处于睡眠状态的，没有Keep-live的心跳报文。即使有RPL协议，由于环境的变化导致的链路失效，仅仅依靠RPL协议也是无法有效保证数据传输可靠性的。

与传统的低功耗无线传感器网络设置相反，本发明设计的网关需要持续供电。因此，本系统从占空比和参数设置方面优化RPL协议，以获得更好的端到端可靠性。具体地说，在所提议的系统中，节点不睡眠(即100％占空比)，这样就可以持续地监听无线环境以接收到的分组，LoRa无线电以固有的低速度持续传输数据，节点之间如果出现链路异常，心跳报文丢失，则立即开展新的寻路(寻找可用链路)动作，并重传失败的数据。这使得本发明提供的网络提供了一种自组网和自愈的能力，使得设备能够根据当前的环境维护最有效的网络拓扑。

另外，本系统能够解决节点接入数量和节点状态的监控问题：

窄带通讯网络的最大优势是通讯距离长，在空旷地带，可以达到10公里点对点通讯。覆盖的范围越广，理论上需要接入的节点就越多。但是窄带通讯的一大缺点是通讯速率低，信号占空比高，在一天之内，允许发送的数据有限，极大限制了接入节点的数量。面对长距离大面积覆盖和低速网络的矛盾，采用本发明的组网技术，在一个网关下，可以覆盖一座几十层的大楼，和周边100米的空间。通过降低信号功率，极大的缩小了楼与楼之间的信号干扰，在物理层面有效地解决了物联网接入设备的数量的问题。一个网关，可以轻松接入上万个物联网设备，可以在楼宇任何地点采集数据，可以根据接入点的数量随时增减网关，解决数据接入问题。

本发明的系统还具备对所有接入的节点进行状态监控，出现故障及时告警，确保了整个网络正常运行。

第三，本发明提供的系统具有很强的网络架构的安全性

网关和服务器通过使用MQTT(消息队列遥测传输)协议相互通信。服务器生成的证书，作为每个网关都必须具有访问服务器的凭据，同时往返于服务器的所有流量都必须通过传输层安全性(TLS)进行加密。对于云上的数据，则由云服务商的安全机制来保证。

网关和节点之间的通信是采用远程(LoRa)技术，使用预置共享密钥(PSK)方案，对全流量采取128位高强度的AES算法加密。

对于采用蓝牙加入的第三方设备，只要求其通信完全遵循蓝牙低功耗(BLE)规范的。如果有特殊应用场景下，可以建立配对，在两个设备之间生成一个临时会话密钥(AES128)。

所有数据最终都存储在云服务器中，节点和网关均不存储数据，不存在数据泄漏的风险。

第四，蓝牙技术解决了大楼内第三方设备的灵活接入问题：

相比较LoRa传感器，蓝牙传感器具有廉价、功耗更低的特点，所以本发明的网络的建设成本比全部采用LoRa传感器的要低更多，同时具有蓝牙功能的第三方设备应用更广泛，任何具备蓝牙通讯模组的应用设备，都可以自由地接入该网络，利用即插即用的均匀分布的LoRa节点，形成短距离蓝牙无线覆盖。用户完全不会被硬件厂商锁定，可以自由选择硬件灵活地接入网络。

第五，本发明提供的系统是一个完全开放的网络平台：

兼容LoRa和蓝牙的技术规范，现有的符合这两类的终端设备都可以接入，其数据是建立在公有云上的云平台。

第六，系统建设维护极其方便：

采用即插即用的模式，在工程建设时只要根据现场环境的情况，合理部署节点，节点将自动连接需管理的设备传感器，并将数据通过楼内的LoRa网络传输给网关，在云端进行配置即可运行。另外由于本系统具备对各个节点进实时监控，如节点出现故障，则该节点会脱离网络并及时发出告警，但整个网络仍能正常运行，使得维护工作十分便捷。

Claims (6)

1.基于LoRa-Mesh的楼宇通讯系统，其特征在于，包括传感器、节点、网关、云端和第三方应用服务端，其中：

传感器用于将从楼宇内第三方设备中采集的数据发送到节点，所述传感器包括LoRa传感器和蓝牙传感器；

节点分布设置在楼宇的每层楼中，用于将数据传递到网关；

网关根据楼宇高度设置在一定位置，用于将数据传递给云端；

云端集中部署在共有云上，用于根据数据报文特征，将数据分发给楼宇外对应的第三方应用服务端；

节点和网关通过电源持续供电，节点和网关的通信协议为LoRa，路由协议为RPL，不同节点之间以及节点与网关之间通过RPL协议自动组成Mesh网络。

2.如权利要求1所述的基于LoRa-Mesh的楼宇通讯系统，其特征在于，每层楼中至少部署一个所述节点，所述传感器与节点的接入方式为LoRa或蓝牙。

3.如权利要求2所述的基于LoRa-Mesh的楼宇通讯系统，其特征在于，所述传感器与所述节点的接入方式为蓝牙时，节点将蓝牙协议转化为LoRa协议。

4.如权利要求1所述的基于LoRa-Mesh的楼宇通讯系统，其特征在于，每20层楼均布安装1-2个所述网关，网关通过有线网络或移动通信连接到互联网，将节点传输来的数据传送到所述云端。

5.如权利要求1所述的基于LoRa-Mesh的楼宇通讯系统，其特征在于，所述第三方应用服务端通过API接口从所述云端调用数据。

6.基于LoRa-Mesh的楼宇自组网通讯方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)在楼宇内布置如权利要求1所述的基于LoRa-Mesh的楼宇通讯系统；

2)为所述节点和网关持续供电；

3)节点和网关持续接收从所述传感器传来的数据，当节点与节点之间或者节点与网关之间通讯受阻，出现链路异常，则通过RPL路由协议重新寻找新的通讯链路，实现自组网；

4)网关通过网络将数据传递给所述云端，云端将数据分发给对应的第三方应用服务端。

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