一种加入LoRaWANMesh网关的LoRaWAN系统的制作方法

一种加入lorawan mesh网关的lorawan系统
技术领域
1.本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种加入lorawan mesh网关的lorawan系统。


背景技术：

2.lora是低功耗广域网通信技术中的一种，是一种基于扩频技术的超远距离无线传输技术。lorawan是由lora联盟推动的一种低功耗广域网协议和系统框架，同时lora联盟将lorawan进行了标准化，以确保不同国家的lora网络可以互操作。
3.现有的lora mesh设备一般采用自定义的mesh组网协议，这样每个终端节点不能遵从联盟标准的lorawan协议或增加一些自定义要求，不能完全遵从联盟标准的lorawan协议。如果完全遵从了标准的lorawan协议，又不能实现mesh组网。
4.标准lorawan协议是星形拓扑，层级只有一级，不具备中级能力，导致lorawan终端节点在周围lora网关没有上网网线和蜂窝网络的情况下无法通过lorawan标准网关和应用服务通信的问题。
5.如果终端lora节点由于环境因素不能连上网关，需要多架设一台传统lora网关，网关上行通常为4g或者以太网，导致增加sim卡或者拉网线的人力和财力成本。
6.如果采用传统小无线mesh组网协议，增加终端lora节点的多级传输能力，则通信协议不符合标准lorawan，不能实现lora网络的互操作，导致设备技术要求不符合标准。
7.例如，中国专利cn107659889b公开了数据转发方法和装置。应用于指定应用场景中支持无线网格mesh连接的mesh网关，所述指定应用场景为不满足lora网络安装条件的应用场景，基于lorawan协议，与lora网络中lora网关建立mesh连接；按照预设的状态调整周期执行以下步骤：获取并记录本状态调整周期的数据传输时间窗口，在所述数据传输时间窗口内通过所述mesh连接或者通过与本地接入终端之间的lora链路进行业务数据传输，在本状态调整周期内所述数据传输时间窗口之后的时间段内以低功耗休眠方式运行，实现指定应用场景的lora网络化；但是该申请的lora网络中只有一个lora服务器和一个网络服务器，因此，其mesh组网没有完全遵从标准的lorawan协议，存在通信安全隐患。


技术实现要素：

8.本发明主要解决现有的技术中lorawan系统无法加入具有标准lorawan协议的mesh网关的问题；提供一种加入lorawan mesh网关的lorawan系统。
9.本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种加入lorawan mesh网关的lorawan系统，包括至少一个终端节点、与终端节点通过lorawan通信连接的lorawan mesh网关、与lorawan mesh网关通过lorawan通信连接的lorawan标准网关、与lorawan标准网关通信连接的第一网络服务器和与第一网络服务器通信连接的应用服务器；所述终端节点用于采集应用数据信息；所述lorawan mesh网关内嵌第二网络服务器和扩展协议；所述lorawan mesh网关用于接收用户输入的配置信息并根据配置信息配置终端
节点，获取配置的终端节点的应用数据并进行解析，将解析后的应用数据经lorawan标准网关和第一网络服务器传递给用于服务器；所述应用服务器根据接收的应用数据控制终端节点工作。本发明通过网络服务器(network server，ns)内嵌在mesh网关内，使得本发明的mesh组网每一级都完全遵从标准的lorawan协议，mesh网关上的组网单元，就是一个完全标准的lorawan终端节点，除了符合lorawan协议帧格式，还具有跳频，不同sf值动态调整等一切标准lorawan具有的特点。
10.作为优选，所述的终端节点、第一网络服务器和第二网络服务器中均设置有由appeui、deveui、appkey组成的三元组，所述终端节点发送应用数据时通过appkey进行加密，所述第一网络服务器和第二网络服务器接收应用数据时通过appkey进行解密。lorawan数据通信中通过appkey派生的密钥(appskey和nwkskey)进行加密和解密，使得数据通信更加安全可靠，防止数据被窃取。
11.作为优选，所述的扩展协议为内嵌第二网络服务器的相关扩展协议。通过内嵌网络服务器的相关扩展协议，使得lorawan网关与lorawan mesh网关进行lorawan通信。
12.作为优选，当所述终端节点位于所述lorawan标准网关的通信范围内时，所述终端节点与lorawan标准网关通过lorawan通信连接。当终端节点位于lorawan网关的通信范围内时，与lorawan网关直接建立lora通信，无需进行mesh网关中转。
13.作为优选，所述的终端节点通过mac帧格式将应用数据传递给lorawan mesh网关。
14.作为优选，所述的终端节点通过入网请求后与lorawan mesh网关进行lorawan通信连接。每个终端节点入网时均需要进行入网请求，防止不合法的终端节点进入网络，提高网络安全。
15.本发明的有益效果是：通过在lorawan mesh网关内嵌网络服务器和内嵌扩展协议，在周围lora网关没有上网网线和蜂窝网络的情况下通过lora组网上传，解决最后一公里的通信问题，lora组网遵循了标准lorawan协议，可以充分利用lorawan跳频的特点，最大限度的减少环境无线电波动的影响。
附图说明
16.图1是本发明实施例的lorawan系统的组成框图。
具体实施方式
17.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
18.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，通过下述实施例并结合附图，对本发明实施例中的技术方案的进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定发明。
19.实施例：一种加入lorawan mesh网关的lorawan系统，如图1所示，包括至少一个终端节点、与终端节点通过lorawan通信连接的lorawan mesh网关、与lorawan mesh网关通过
lorawan通信连接的lorawan标准网关、与lorawan标准网关通过4g通信连接的第一网络服务器和与第一网络服务器通过以太网通信连接的应用服务器，lorawan mesh网关内嵌第二网络服务器和内嵌网络服务器的相关扩展协议，lorawan mesh网关用于接收用户输入的配置信息并根据配置信息配置终端节点，获取配置的终端节点的应用数据并进行解析，将解析后的应用数据经lorawan标准网关和第一网络服务器传递给用于服务器，应用服务器根据接收的应用数据控制终端节点工作。
20.本发明提到的第一网络服务器和第二网络服务器是同一型号、同一功能的网络服务器，本发明为了更好的叙述lorawan系统存在的两个网络服务器，因此，将其进行第一和第二的区分。
21.在本实施例中，终端节点为水表、电表、燃气表、热量表、空调或其他传感器设备，终端节点用于采集各种应用数据，并上传给应用服务器，受到应用服务器的指令控制。
22.本发明的lorawan系统加入了一个或多个lorawan mesh网关，与传统的mesh网关相比，在硬件上增加了一路lora通信，用于级联，lorawan mesh网关之间的链路通信协议、lorawan mesh网关与终端节点之间的链路通信协议以及lorawan mesh网关与lorawan网关之间的链路通信协议均为lorawan协议。
23.使用lorawan标准的数据通信是安全的，lorawan终端节点存储着3个参数：appeui、deveui、appkey，称之为“三元组”，同时，这三元组也保存在网络服务器network server(ns)中，lorawan规定终端节点在发送应用数据时，用appkey进行加密，所以，只有具有对应appkey的ns才能进行解密。即lorawan终端节点只能和ns通信。
24.其中，appeui是ieee eui64地址空间中的一个全局终端设备id，它唯一地标识终端设备的应用提供者；deveui是ieee eui64地址空间中的一个全局终端设备id，它唯一地标识终端设备；appkey是一个特定于终端设备的aes-128应用加密密钥。
25.当lorawan终端节点和lora网关相距较远，彼此不能通信时，想到可以在中间加一个lora网关，这增加了移动蜂窝模块或拉网线的成本，常常有些地方也没有网络条件。所以本发明的网关使用单独的一路无线lora完成组网(不需要额外移动蜂窝网络或以太网的支持)。lorawan标准网关是通过以太网/移动蜂窝网等高速网络和ns通信，延时是毫秒级，满足lorawan毫秒级的通信要求，所以它不必要和ns绑定在一起。但由于lora是低速率通信技术，延时最大能达到2-3秒，这样，在没有高速网络，只通过lora组网的lorawan mesh网关上，需要把ns内嵌在网关内。
26.内嵌了ns功能的lorawan mesh网关，无法马上使用，若要能和终端节点正常通信，需要把相应节点的三元组信息保存到网关中，这属于“网关内嵌network server相关扩展协议”，因此，本发明在lorawan mesh网关中内嵌网络服务器的相关扩展协议，通过扩展协议，下发三元组到相应的lorawan mesh网关，通过lorawan mesh网关，把数据传到客户端的应用服务，实现lorawan系统的mesh组网的lorawan通信。
27.还设置有入网服务器，终端节点设备通过lorawan mesh网关向入网服务器发送入网请求，入网服务器根据终端节点设备的deveui和信号质量(snr，rssi)判断是否允许入网，lorawan mesh网关在接收到入网请求响应信息为允许接入时，终端节点设备通过lorawan mesh网关向应用服务器发送上报信息。
28.其中，终端节点通过入网请求后与lorawan mesh网关进行lora通信连接，通过mac
帧格式将应用数据传递给lorawan mesh网关，当终端节点位于lorawan标准网关的通信范围内时，终端节点与lorawan标准网关通过lora通信连接，无需进行lorawan mesh网关进行通信延伸。
29.lorawan mesh网关内嵌扩展协议的具体方法为：
30.1.在标准lorawan协议规范的基础上，利用fport区分各种帧类型；
31.2.在标准lorawan协议规范的基础上，给中继帧加上源地址或目标地址；
32.3.实现中继功能后，增加一些入网请求的必要信息。
33.其中，fport:为lorawan协议中的端口；frmpayload：为lorawan协议中的应用数据载荷。
34.其入网请求帧格式和入网请求回应帧格式分别如表1和表2所示：
35.表1入网请求转发帧
[0036][0037][0038]
表2入网请求转发回应帧
[0039]
mgwdestdevaddrdeveuiappkeynwkkeydevaddrauthbegintimeauthendtime2byte8byte8byte8byte4byte4byte4byte
[0040]
表中，mgwsrcdevaddr表示lorawan mesh网关上的节点地址，deveui：终端节点设备唯一标识码，dr表示lorawan mesh网关收到终端节点的lora速率，snr表示lorawan mesh网关收到终端节点的lora信噪比，rssi表示mesh网关收到终端节点的lora接收信号强度，mgwdestdevaddr表示lorawan mesh网关上的节点地址，deveui表示远端网络服务器下发的终端节点三元组中的deveui，appkey表示远端网络服务器下发的终端节点三元组中的appkey，nwkkey表示远端网络服务器下发给lorawan mesh网关中内嵌网络服务的一个参数，devaddr表示远端网络服务器下发给lorawan mesh网关中内嵌网络服务的4字节节点地址，authbegintime表示远端网络服务器下发给lorawan mesh网关中内嵌网络服务的授权起始时间，authendtime表示远端网络服务器下发给lorawan mesh网关中内嵌网络服务的授权终止时间。
[0041]
进一步的，在lorawan mesh网关中设置有第一数据解析单元、第二数据解析单元和存储单元，对于终端节点传递过来的应用数据，lorawan mesh网关对该应用数据进行同步解析和存储，当终端节点传递应用数据达到lorawan mesh网关时，第一数据解析单元接收应用数据并发送给存储单元进行备份存储，经数据解析后发送给lorawan标准网关，存储单元与第二解析单元连接，第二解析单元具备与第一解析单元相同的数据解析能力，并在应用服务器检测到数据丢失下发数据补发指令时，存储单元将备份的数据进行补发，经第二解析单元进行数据解析后发送给应用服务器，进行数据补发时，对第一数据解析单元的工作状态进行检测，当第一数据解析单元处于工作状态时停止数据补发，在第一数据解析单元处于待机状态时进行数据补发，保证数据补发不会对正常的数据传递速率产生影响。
[0042]
在具体应用中，例如，终端节点为电表，电表分布安装在家庭用户中，单个lorawan标准网关无法连接全部的电表，对于具体较远的电表，需要通过lorawan mesh网关进行通信连接，工作人员通过电脑或手机将相应的电表与lorawan mesh网关进行无线连接，对接
入的电表进行信息登记和配置，并通过lorawan mesh网关向入网服务器进行入网请求，入网请求通过后，电表配置成功；对配置成功后的电表进行通信连接检测和通信协议检测，判断电表与lorawan mesh网关之间以及lorawan mesh网关与lorawan标准网关的通信协议是否为lorawan协议，保证信息传输的安全性，防止信息泄露，应用服务器给电表下发抄表指令后，电表上传抄表数据。
[0043]
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。