一种基于LoRa的电台通信方法及系统与流程

一种基于lora的电台通信方法及系统
技术领域
1.本发明涉及终端与专用电台之间的通信控制技术领域，特别涉及一种基于lora的电台通信方法及系统。


背景技术：

2.目前绝大多数短波及超短波电台与终端之间使用线缆连接，并且要求二者之间的通信距离达到一公里，这种通信方式存在很多弊端。首先，一公里的线缆重量超过5kg，增加了使用者的负重，不符合专用装备的发展方向。其次，实际的使用中，受地形及障碍物的影响，在拉长通信距离的过程中，线缆会引进缠绕、接触不良、被物体割破等问题，缩短了通信距离，减少了通信可靠性，增加了布置的时间，为使用者增加了困扰，为瞬息万变的场景带来不可控因素。最后，一个小组中，一个电台只能同时与一台终端通信，降低了电台的利用率，也不利于组内其他人员的紧急信息的快速发送。


技术实现要素：

3.鉴于现有技术存在的有线连接方式存在一个电台只能连接一台终端同时只能供一人使用，并且线缆长度带来通信距离短且携带不便等不足，本发明提供了一种基于lora的电台通信方法及系统，该方法使用短距离无线通信技术（lora通信技术）替代原有的多芯线缆通信，电台与组内的终端组成局域网，一个电台可以同时为一个组内的多个终端提供服务。
4.本发明为实现上述目的，采用的技术方案是：一种基于lora的电台通信方法，所述方法采用lora直接序列扩频技术和星型组网实现，步骤如下：数个手持lora终端开机后发送登录信息到lora基站，完成每个手持lora终端与lora基站之间无线信道的建立，所述无线信道为lora基站和手持lora终端之间数据传输的路径，用于手持lora终端与lora基站之间数据发送与接收的双向通信；所述lora基站与电台之间通过协议进行数据交互，电台按协议格式发送数据到lora基站，lora基站收到后解析报文，发送到手持lora终端。
5.所述手持lora终端为单双工双向通信，发送信道为：通过微控制器ⅱ实现发送数据的加密，加密后，通过扩频芯片ⅱ结合扩频因子进行扩频，将窄带信息源经伪噪声码展宽生成宽带低功率谱密度信号，将信号频谱在频率域扩宽，在经扩频芯片ⅱ调制到发射频率，以无线的方式通过天线ⅱ发送，实现数据的发送；接收信道为：微控制器ⅱ控制扩频芯片ⅱ解调无线信号，经扩频芯片ⅱ进行解调，在取得与lora基站的同步后，扩频芯片ⅱ使用和lora基站相同的扩频因子进行解扩，恢复出窄带信息，解调出无线数据，并将数据发送给微控制器ⅱ，通过微控制器ⅱ对接收的数据解密和解析后得到正确的数据，实现无线数据的接收。
6.所述手持lora终端的通信方法：所述lora基站为单双工双向通信，发送信道为：微控制器ⅰ通过接口ⅰ接收来自电台的数据，对数据加密，通过扩频芯片ⅰ进行扩频，将窄带信
息源经伪噪声码展宽生成宽带低功率谱密度信号，将信号频谱在频率域扩宽，在经扩频芯片ⅰ调制到发射频率，以无线的方式通过天线ⅰ发送，实现数据的发送；接收信道为：所述扩频芯片ⅰ结合天线ⅰ完成手持lora终端发送的无线信号的解调，解调出无线数据，并将数据发送给微控制器ⅰ，通过微控制器ⅰ对接收的数据解密和解析后通过接口ⅰ发送给电台，微控制器ⅰ控制扩频芯片ⅰ解调无线信号，经扩频芯片ⅰ进行解调，在取得与手持lora终端的同步后，以手持lora终端相同的伪噪声码与之进行相关解扩，恢复出窄带信息，解调出无线数据，并将数据发送给微控制器ⅰ，通过微控制器ⅰ对接收的数据解密和解析后，实现无线数据的接收。
7.所述电台通信系统包括电台、lora基站和多个手持lora终端，所述lora基站实现网络的维护和数据的收发，用于电台和多个手持lora终端节点之间数据的收发，所述多个手持lora终端节点采用单跳方式用于与lora基站进行接收和发送的双向通信；所述电台与lora基站进行数据的交互，实现电台数据下发到lora基站及lora基站的数据发送到电台。
8.所述lora基站包括电源模块ⅰ、微控制器ⅰ、扩频芯片ⅰ、线缆接口ⅰ和天线ⅰ；所述lora基站的线缆接口ⅰ用于连接电台和lora基站，实现数据的交互并为电源模块ⅰ提供供电，所述电源模块ⅰ用于为微控制器ⅰ和扩频芯片ⅰ提供稳定电流，所述微控制器ⅰ用于收发扩频芯片ⅰ的射频数据和电台数据，并解析，所述扩频芯片ⅰ结合天线ⅰ完成数据的调制发送和解调接收。
9.所述手持lora终端包括电源模块ⅱ、微控制器ⅱ、扩频芯片ⅱ、线缆接口ⅱ和天线ⅱ；所述手持lora终端的线缆接口ⅱ用于连接手持lora终端的数据输入，实现数据的交互和供电，所述电源模块ⅱ用于为微控制器ⅱ和扩频芯片ⅱ提供稳定电流，所述微控制器ⅱ用于收发扩频芯片ⅱ的射频数据和lora终端数据，并解析；所述扩频芯片ⅱ结合天线ⅱ完成数据的调制发送和解调接收。
10.本发明产生的技术效果是：本发明改变了原有的一个电台只能同时连接一个终端的模式，一个电台可以同时连接多个终端，这样组内的所有成员可以同时连接电台，增加了电台复用率，提升了电台的使用率及信息发送的及时性。
11.本发明通过lora技术特性结合组网方式，组成一个覆盖距离超过1.5公里的局域网，为小组的战术布置提供多方面的支撑。
12.本发明无线的通信方式在复杂的地形条件下，增加了战术布置的多样性及快捷性，使用aes-128对称加密算法，增加传输数据的安全性。
13.本发明解决了原多芯线缆有线通信存在的弊端，减少了线缆的消耗量，减轻了使用者5公斤以上的负重。
14.总之，本方法较比以前许多相对成熟的无线传输网络而言，具有续航时间长、数据传输稳定、网络结构清晰等优势，能够实现网络的自我组织、自我维护与自我管理以及构建各类网络通信接口，实现与联合战术通信网络系统的多方式多手段的综合接入。
附图说明
15.图1为本发明的系统连接框图；图2为本发明lora基站的电路连接框图；
图3为本发明手持lora终端的电路连接框图；图4为本发明lora基站的工作流程图；图5为本发明手持lora终端的工作流程图；图6为现有技术的sm4数据加密示意图。
具体实施方式
16.如图1所示，一种基于lora的电台通信系统，电台通信系统包括电台、lora基站和多个手持lora终端，电台通过线缆接口与lora基站连接，lora基站与多个手持lora终端通过无线的通信方式进行双向通信。
17.如图2所示，lora基站的电路连接框图，线缆接口ⅰ一路通过微控制器ⅰ依次与sx1278扩频芯片ⅰ和天线ⅰ双向连接；线缆接口ⅰ另一路通过电源模块ⅰ分别为微控制器ⅰ和sx1278扩频芯片ⅰ提供电源。
18.lora基站采用线缆接口ⅰ外接电台的直流12v电源，内部电源模块ⅰ采用型号为aps1117的ldo芯片，实现12v转3.3v的电压转换，电源模块ⅰ为lora基站内所有的元器件供电，使用微控制器ⅰ实现lora基站的数据存储、加密、解析、转发以及对扩频芯片ⅰ的控制和初始化，使用扩频芯片ⅰ实现数据的调制与解调。
19.电源模块ⅰ的型号为aps1117；微控制器ⅰ的型号为gd32l233；扩频芯片ⅰ的型号为sx1278。
20.如图3所示，手持lora终端的电路连接框图，线缆接口ⅱ一路通过微控制器ⅱ依次与sx1278扩频芯片ⅱ和天线ⅱ双向连接；线缆接口ⅱ另一路通过电源模块ⅱ为微控制器ⅱ、sx1278扩频芯片ⅱ提供电源。
21.手持lora终端采用线缆接口ⅱ连接直流5v电源，内部电源模块ⅱ采用型号为aps1117的ldo芯片，实现5v转3.3v的电压转换，电源模块ⅱ为微控制器ⅱ和扩频芯片ⅱ供电，使用微控制器ⅱ实现数据存储、加密、解析、转发以及对扩频芯片的控制和初始化，使用扩频芯片ⅱ实现数据的调制与解调。
22.电源模块ⅱ的型号为aps1117；微控制器ⅱ的型号为gd32l233；扩频芯片ⅱ的型号为sx1278。
23.lora基站的工作流程如图4所示，当lora基站上电开始后进入接收状态，等待接收无线数据和电台的数据，当lora基站接收到无线数据后，首先要使用秘钥解密，如果成功解密，则该数据包有效，否则将丢弃报文，lora基站将对解密后的数据进行解析，如果报文为登录入网消息，lora基站存储手持lora终端信息并做登录成功回执，然后维护连接信息表。如果报文不是登录入网消息，继续判断是否为发送给电台的数据消息，如果报文为发送给电台的数据消息，lora基站处理后通过接口发给电台，并向手持lora终端发送回执，回执发送结束后lora基站进入等待接收数据的状态。当lora基站接收到来自电台的数据，判断该数据是否为广播消息，如果为广播消息，lora基站对该数据进行数据加密后向所有手持lora终端发送广播消息，并判断是否接收到网内全部手持lora终端的回执，如果全部接收到回执，lora基站向电台发送广播消息发送成功回执，如果未收到部分手持lora终端的回
执，判断是否发送超过三次，如果没有超过三次，lora基站重复发送向所有手持lora终端发送广播消息，如果超过三次，结束广播消息发送，lora基站判断接收到的手持lora终端的回执不少于1个，如果不少于1个，lora基站向电台发送广播消息发送成功回执，否则lora基站向电台发送广播消息发送失败回执，如果不是广播消息，则该消息是发送到某一个手持lora终端的数据，lora基站对该数据进行数据加密，并向具体的手持lora终端发送消息，lora基站发送完成后，等待手持lora终端的回执，如在固定的等待时间内收到回执，lora基站向电台发送数据发送成功回执，如等待时间内未收到回执，重复发送数据3次，三次发送完成后仍未收到回执，lora基站向电台发送消息发送失败的回执，发送结束后lora基站进入等待接收数据的状态。
24.lora基站在工作状态时，一般处于等待接收数据状态，该状态下，lora基站打开接收信道，等待接收无线数据。向手持lora终端发送回执和数据时，lora基站关闭接收信道，打开发送信道，进入发送状态。
25.手持lora终端的工作流程如图5所示，当手持lora终端上电开始后，首先向lora基站发送登录信息，并判断是否接收到无线数据，如果长时间没有收到无线数据，返回到发送登录信息，如果接收到无线数据，判断是否能解密，如果解密成功，判断是否为登录信息回执，如果是，维护登录信息表，向手持lora终端发送入网成功，并进入到等待接收到来自无线的数据和手持lora终端的数据，如果不能解密，返回到向lora基站发送登录信息状态；手持lora终端进入等待状态，等待接口收到数据和接收到无线数据，当手持lora终端接收到无线数据，首先判断是否能解密，如果解密失败，消息丢弃，进入等待接收到手持lora终端数据和接收到无线数据，如果解密成功，判断该数据是否为本机信息，如果为本机信息，手持lora终端向lora基站发送回执，经微控制器ⅱ解析后，向总线接口发送数据，以后进入等待待接收到手持lora终端数据和接收到无线数据状态，如果不是本机信息，消息丢弃，进入等待接收到手持lora终端数据和接收到无线数据。如果接收到手持lora终端数据，手持lora终端进行数据加密，并向lora基站发送数据，判断是否收到lora基站回执，如果接收到回执，向总线接口发送数据，如果规定时间内没有接收到回执，判断是否重复发送超过三次，如果没有超过三次，重复向lora基站发送数据，判断是否接收到回执，如果超过三次，手持lora终端向接口发送失败回执，发送完成后进入等待接口收到数据和接收到无线数据状态。
26.手持lora终端在工作状态时，一般处于等待接收数据状态，该状态下，手持lora终端打开接收信道，等待接收无线数据。向lora基站发送回执和数据时，手持lora终端关闭接收信道，打开发送信道，进入发送状态。
27.为提升传输数据的安全性，数据加密采用gb/t32907-2016《信息安全技术sm4》的分组密码sm4算法，此算法是一个分组算法，用于无线局域网产品，算法的分组长度为128比特，密钥长度为128比特，加密算法与密钥扩展算法都采用32轮非线性迭代结构，解密算法与加密算法的结构相同，只是轮密钥的使用顺序相反，解密轮密钥是加密轮密钥的逆序，发送数据包前使用sm4加密，接收到数据后采用sm4算法解密。
28.如图6所示，使用128位密钥，在秘钥扩展里，把128位密钥每个字分别与系统参数的每个字做异或运算得（k0，k1，k2，k3），再将得到的后3个字与固定参数做异或运算后进行函数运算得到值c，最后将值c与k0做异或运算就得到了第一轮的子密钥，也是下一轮密钥
运算的k4。将128位的明文分成4个32bit的字x0，x1，x2，x3。将上述得到的x0，x1，x2，x3使用基本轮函数与迭代控制进行32轮的轮操作。最后将进行过32轮操作的4个字进行反序变换后组成128bit的密文。
29.具体的加密过程为：1、输入明文：（x0，x1，x2，x3），128位，四个字；2、输入轮密钥：rki ，i=0，1，
…
，31，共32个轮密钥；3、输出密文：（y0，y1，y2，y3），128位，四个字。
30.xi+4=f（xi，xi+1，xi+2，xi+3，rki）= xi
ꢀ⊕
t（ xi+1
⊕ꢀ
xi+2
⊕ꢀ
xi+3
⊕
rki)， i = 0,1
…
31 （y0，y1，y2，y3）=（x35，x34，x33，x32）。
31.实施例1，一种基于lora的电台通信方法，以一个组为例，组内有一个电台和多个手持lora终端。lora基站通过线缆接口与电台连接，每个使用者持有手持lora终端。首先，电台开机，电台开机后，通过线缆接口ⅰ为lora基站供电，lora基站获得电台的供电后将自动开机，lora基站的微控制器ⅰ初始化线缆接口ⅰ及扩频芯片ⅰ，配置无线参数及扩频因子，打开430mhz接收信道，进入等待数据接收状态。
32.当一个手持lora终端开机，配置扩频芯片ⅱ无线通信参数及扩频因子，编辑登录包生成128位十六进制明文数组（x0，x1，x2，x3），根据轮函数生成加密秘钥rki，调用sm4加密函数，生成128位密文（y0，y1，y2，y3）。此后微控制器ⅱ打开430mhz的发射信道，并把密文向扩频芯片ⅱ发送。扩频芯片ⅱ根据配置的扩频因子完成数据与扩展编码位流的异或运算，生成扩频发送信号流，信号流经扩频芯片ⅱ调制到430mhz的发射信道，并向lora基站发送。
33.lora基站的天线ⅰ接收到无线数据，经扩频芯片ⅰ解调后，生成信号流，信号流再与扩展编码位流的异或运算，获得加密报文。微控制器ⅰ根据加密秘钥和解密函数，解密密文，获得明文。lora基站对密文进行解析判断，如果为登录报文，维护登录信息表，并向手持lora终端发送回执。至此，完成一台手持lora终端登录lora基站。其他的手持lora终端重复该过程，实现多个手持lora终端与lora基站的登录，完成星型组网。
34.当手持lora终端向电台发送控制命令时，首先手持lora终端编辑需要发送的数据生成明文数组（x0，x1，x2，x3），再根据加密秘钥rki，调用sm4加密函数，生成密文（y0，y1，y2，y3）。此后微控制器ⅰ打开430mhz的发射信道，并把密文向扩频芯片ⅱ发送。扩频芯片ⅱ根据配置的扩频因子完成数据与扩展编码位流的xor(异或)运算，生成扩频发送信号流，信号流经扩频芯片ⅱ调制到430mhz的发射信道，并向lora基站发送。数据发送完成后，打开接收信道，等待接收回执。
35.lora基站的天线ⅱ接收到无线数据，经扩频芯片ⅱ解调后，生成信号流，信号流再与扩展编码位流的xor(异或)运算，获得加密报文。微控制器ⅱ根据加密秘钥和解密函数，解密密文，获得明文。lora基站对密文进行解析判断，如果为数据报文，lora基站通过线缆接口ⅰ按约定的协议格式（具体协议为包头+数据内容+循环校验码的格式。数据报文的格式为0x11+数据内容+循环校验码）把报文发送给电台，电台根据报文内容执行相应的处理。此后，lora基站编辑回执报文，加密后向手持lora终端发送。手持lora终端接收到lora基站的回执后，进行解调、解密、解析等。至此，完成一次数据的传输。实现手持lora终端数据发送至电台。
36.当电台有数据发送至手持lora终端时，电台首先通过线缆接口ⅱ按约定的协议格式（具体协议为包头+数据内容+循环校验码的格式。数据报文的格式为0x22+数据内容+循
环校验码）将数据发送至lora基站，lora基站收到数据后，对数据进行加密，然后经扩频芯片ⅱ扩频和调制，转为无线信号发送。相应的手持lora终端接收到无线信号后，经扩频芯片ⅱ解调生成信号流，异或扩频码，得到密文数据，对密文数据解密后获得相应的数据。
37.其他的手持lora终端与lora基站之间进行数据通信，采用上述相同的方式，实现多个手持lora终端与lora基站的数据通信，lora基站接收的数据通过专有协议发送给电台，实现电台与多个手持lora终端之间的通信。