一种电力施工现场LoRa网络的节能运行方法与流程

一种电力施工现场lora网络的节能运行方法
技术领域
1.本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种电力施工现场lora网络的节能运行方法。


背景技术：

2.电力施工现场的设备通信多采用远距离无线电(lora)技术实现。施工现场分布有数量庞大的lora终端(如各智能电表、智能水表，升降机、塔吊/龙门吊、卸料平台等的速度、位置、姿态监测终端，以及电力设备、基坑、支模等位置处的监测终端等)，用于周期性地采集并上报相应数据，以实现对施工现场的智能化集中监控管理。除部分便于采用电源供电的lora终端外，大部分lora终端分布广泛且不宜单独架设供电线路，这类终端大都采用电池供电。对于电池供电的lora终端，其节能问题对于网络寿命有着重要影响。
3.lorawan协议中定义了lora终端具有class a/b/c三种不同的工作模式。其中，class a模式具有最低的能耗，但同时由于class a模式的终端仅在发送数据后打开两个接收窗，其接收数据的可靠性最低；class c模式终端的接收机在发送数据以外的时间均处于打开状态，因此具有最高的能耗与接收可靠性；classb的性能介于a与c之间。为此，本发明结合电力施工现场的特殊应用背景，提出了一种lora网络的节能运行方法。通过定义施工现场不同位置lora终端的供电模式及工作方式，并提出了各终端在a/b/c模式之间的自适应切换策略，以实现电力施工现场lora网络的节能运行。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种lora网络的节能运行方法。
5.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种lora网络的节能运行方法，包括以下步骤：
6.步骤1：根据电力施工现场lora网络各终端的布局位置及供电线路铺设情况，设置各lora终端的供电方式及工作模式；
7.步骤2：对于步骤1中被设置为class c模式的lora终端，一直保持class c模式不变；对于步骤1中被设置为自适应class a/b模式的lora终端，初始化为class a模式；
8.步骤3：对于class a模式的lora终端，由服务器计数每一个判别周期内服务器拟下发至该lora终端的下行数据量以及该lora终端当前的接收窗口数；
9.步骤4：根据下行数据量与接收窗口数判别是否需要进行模式切换：
10.若下行数据量小于等于接收窗口数，则该lora终端保持class a模式不变，随后跳至步骤3；
11.否则，跳至步骤5；
12.步骤5：进一步结合lora终端当前电量及拟下行数据必要程度判别是否需要进行模式切换：
13.若当前电量高于高电量判别系数，则直接切换至class b模式，随后跳至步骤7；
14.若当前电量介于低电量判别系数与高电量判别系数之间，则跳至步骤6；
15.若当前电量低于低电量判别系数，则退出当前自适应class a/b模式，一直保持class a模式工作；
16.步骤6：服务器计算当前所有拟下行数据的必要系数之和，并根据其与lora终端当前接收窗口数的大小关系，判别是否执行模式切换：
17.若必要系数之和小于等于接收窗口数，则该lora终端保持class a模式，同时将下行数据按必要系数从大到小排序形成队列；对于必要系数相同的下行数据，按照数据生成的先后顺序排序；随后，服务器按照队列中的次序逐一下发数据；数据下发完成后，跳至步骤3进入下一个判别周期；
18.若必要系数之和大于接收窗口数，则切换至class b模式，随后跳至步骤7；
19.步骤7：对于已切换至class b模式的lora终端，采用上述方法的逆过程判别是否需要切换回class a模式。
20.作为优选，步骤1所述设置各lora终端的供电方式及工作模式，具体为：
21.将布局在智能电表、智能水表、升降机、卸料平台、塔吊/龙门吊、电力设备等处且便于单独接引供电线路的lora终端，采用电源供电，并设置为class c模式；
22.将布局在基坑、支模等较分散位置处，或不便单独铺设/接引供电线路位置处的lora终端，采用电池供电，并设置为自适应class a/b模式；
23.作为优选，步骤3所述判别周期为ta；
24.步骤3所述下行数据量为n
down
；
25.步骤3所述接收窗口数为na，且
26.其中，t
up
为该lora终端上报采集数据的周期；
27.作为优选，步骤5所述当前电量为η％，且η％∈[0％,100％]；
[0028]
步骤5所述高电量判别系数为ηh％，且ηh％∈(0％,100％)；
[0029]
步骤5所述低电量判别系数为η
l
％，且η
l
％∈(0％,100％)，η
l
％《ηh％；
[0030]
作为优选，步骤6所述所有拟下行数据的必要系数为ξi，i＝1,2,
…
,n
down
，n
down
为拟下行数据的数据量；
[0031]
各下行数据的必要系数ξi在服务器端进行定义，用于明确服务器拟下发至lora终端的各下行数据的必要程度。ξi∈(0,1]，ξi＝1表示第i条下行数据的必要性最高，需要lora终端分配至少1个接收窗接收该数据；
[0032]
步骤6所述所有拟下行数据的必要系数之和为ξ
sum
，且其中ξi为第i条拟下行数据的必要系数；
[0033]
步骤6所述lora终端当前接收窗口数为na；
[0034]
作为优选，步骤7所述采用上述方法的逆过程判别是否需要切换回class a模式，具体包括以下步骤：
[0035]
步骤7.1：对于已切换至class b模式的终端，由服务器计数每一个判别周期内服务器拟下发至该lora终端的下行数据量以及该lora终端当前的接收窗口数；
[0036]
所述判别周期为ta；
[0037]
所述下行数据量为n
down
；
[0038]
所述接收窗口数为na，且其中，t
up
为该lora终端上报采集数据的周期；
[0039]
步骤7.2：根据下行数据量n
down
与接收窗口数na判别是否需要进行模式切换：若n
down
≤na，则将该lora终端切换回class a模式，并进入下一个判别周期；反之，跳至步骤7.3；
[0040]
步骤7.3：进一步结合lora终端当前电量及拟下行数据必要程度判别是否需要切换模式；
[0041]
所述当前电量为η％，且η％∈[0％,100％]；
[0042]
所述判别是否需要切换模式，具体为：若当前电量η％较高，即η％∈[ηh％,100％]，则保持当前class b模式，随后进入下一个判别周期；若当前电量η％中等，即η％∈[η
l
％,ηh％)，则跳至步骤7.4，进一步结合拟下行数据必要程度进行判别；若当前电量η％较低，即η％∈[0％,η
l
％)，则将该lora终端切换回class a模式，退出当前自适应class a/b模式，并一直保持class a模式工作。其中，η
l
％,ηh％∈(0％,100％)分别为预定义的低、高电量判别系数；
[0043]
步骤7.4：lora服务器计算当前n
down
条拟下行数据的必要系数之和，并根据其与lora终端当前接收窗口数的大小关系，判别是否执行模式切换；
[0044]
所述n
down
条拟下行数据的必要系数为ξi,i＝1,2,
…
,n
down
；各下行数据的必要系数ξi在服务器端进行定义，用于明确服务器拟下发至lora终端的各下行数据的必要程度；
[0045]
ξi∈(0,1]，ξi＝1表示该条下行数据的必要性最高，需要lora终端分配至少1个接收窗接收该数据；
[0046]
所述n
down
条拟下行数据的必要系数之和为ξ
sum
，且其中ξi为第i条拟下行数据的必要系数；
[0047]
所述lora终端当前接收窗口数为na；
[0048]
所述判别是否执行模式切换，具体为：若ξ
sum
≤na则将该lora终端切换回class a模式，同时将下行数据按必要系数从大到小排序形成队列，必要系数相同时，按照数据的生成顺序进行排列，服务器按照队列中的次序逐一下发数据。随后，进入下一个判别周期；反之，若ξ
sum
》na，则保持当前class b模式。
[0049]
本发明产生的有益效果是：
[0050]
本发明针对应用于电力施工现场设备通信的lora网络节能运行问题，提出了一种lora网络的节能运行方法，产生的有益效果如下：
[0051]
根据电力施工现场lora终端分布位置及特点，定义各终端的供电模式与工作模式。将位于各智能电表、智能水表、升降机、卸料平台、塔吊/龙门吊、电力设备等便于单独接引供电线路位置处的lora终端，采用电源供电，并设置其保持高能耗高接收可靠性的class c模式；将分布于基坑、支模等较为分散，或不宜单独铺设/接引电力线位置处的lora终端，
采用电池供电，并设置其自适应地在class a及class b模式之间进行切换；
[0052]
由于电力施工现场应用需求的特殊性，部分lora终端用于监测升降机、塔吊/龙门吊等运动设备的姿态信息，其上报数据频率较高，即便采用class a模式，其自带的接收窗也足以接收服务器下行数据。但对于其他上报数据频率较低的lora终端，class a模式自带的接收窗不足以满足接收服务器下行数据的需求。为此，本发明通过综合判别下行数据量、下行数据必要性、接收时间窗数量、终端电量等要素，自适应地对lora终端的工作模式进行切换。一方面，可确保lora终端对来自服务器的必要下行数据的可靠接收；另一方面，亦可有效减少无必要下行数据时空开接收机的情况，实现lora终端的节能运行。
附图说明
[0053]
图1：是实现本发明方法的流程图。
[0054]
图2：是电力施工现场各lora终端供电方式及工作模式设置示意图。
[0055]
图3：是判别周期内下行数据量计数流程图。
[0056]
图4：是终端上报服务器的devstatusans命令结构。
具体实施方式
[0057]
为了更清楚地说明本发明和/或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式；显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
[0058]
如图1所示，本发明所述的一种lora网络的节能运行方法，包括以下步骤：
[0059]
步骤1：根据电力施工现场lora网络各终端的布局位置及供电线路铺设情况，设置各lora终端的供电方式及工作模式，具体如下：
[0060]
对于布局在智能电表、智能水表、智能监控等位置处的lora终端，全部采用电源供电，并设置为class c模式；
[0061]
对于布局在升降机、卸料平台、塔吊/龙门吊、电力设备等处，且单独接引供电线路较为便捷、成本不高的lora终端，采用电源供电，并设置为class c模式；
[0062]
对于布局在升降机、卸料平台、塔吊/龙门吊、电力设备等处，且单独接引供电线路较繁琐或成本较高的lora终端，采用电池供电，并设置为自适应的class a/b模式；
[0063]
对于布局在基坑、支模等处，用于监测受力、位移、倾斜角、沉降等参数的lora终端，全部采用电池供电，并设置为自适应的class a/b模式。
[0064]
步骤2：对于步骤1中被设置为class c模式的lora终端，不参与自适应模式切换，一直保持class c模式不变；对于步骤1中被设置为自适应class a/b模式的lora终端，全部初始化为class a模式；
[0065]
步骤3：对于class a模式的终端，由服务器计数每一个判别周期ta内服务器拟下发至该lora终端的下行数据量n
down
。判别周期ta通常取值为128秒的整数倍，即ta＝k
×
128s，便于与class b模式的beacon周期对齐；
[0066]
本实施例中，取判别周期ta＝3
×
128s。在服务器端为每一个class a模式的lora终端设置一个计数器n
down
并初始化为0，每当服务器对该lora终端产生一条拟下发数据时，ndown
加1，n
down
在每个判别周期结束后清零，如图3所示。
[0067]
此外，服务器计算该lora终端当前以class a模式工作时的接收窗口数na。由于lorawan协议中规定class a模式在每次上传数据完毕后会打开两个接收窗口，为此，class a模式下终端在判别周期ta内平均接收窗口数na的计算公式为：其中，t
up
为该lora终端上报采集数据的周期。例如，对于某lora终端，其上报传感器采集数据的周期t
up
＝60s，即每分钟上报一次数据，则其平均接收窗口数na＝2
×
(3
×
128/60)＝12.8个，表示该lora终端以class a模式工作时，每个判别周期内平均包含12.8个接收窗口；
[0068]
步骤4：根据步骤3中下行数据量n
down
与接收窗口数na的计算结果，判别是否需要进行模式切换：
[0069]
若n
down
≤na，表明该lora终端以当前class a模式工作时，其自带的接收窗口数足以满足接收下行数据的要求，其原因可能是该lora终端的下行数据量本身较少，或者该lora终端因上报数据频率较高从而接收窗口数较多较密。例如，某lora终端在ta＝3
×
128s的判别周期内，统计得到拟下发数据n
down
＝8条。同时，该lora终端每个判别周期ta内的平均接收窗口数na在步骤3中计算结果为12.8个，足以确保8条下行数据的有效接收。为此，该lora终端可保持当前class a模式不变，并跳至步骤3进入下一个判别周期；
[0070]
②
若n
down
》na，表明该lora终端以当前class a模式工作时，其自带的接收窗口数不足以满足接收下行数据的要求。例如，某lora终端在ta＝3
×
128s的判别周期内，统计得到拟下发数据n
down
＝15条。同时，该lora终端每个判别周期ta内的平均接收窗口数na在步骤3中计算结果为12.8个，不足以确保15条下行数据的有效接收。为此，需要跳至步骤5进一步判断是否需要切换工作模式；
[0071]
步骤5：进一步结合lora终端当前电量η％及拟下行数据必要程度判别是否需要进行模式切换。服务器可通过终端上报的devstatusans命令中的battery字段，读取终端当前电量η％，如图4所示。对于电池供电的lora终端，正常情况下其battery字段值的范围为1至254,1与254分别对应η％＝0％与η％＝100％。将battery字段值线性映射得到电量值η％后，按如下逻辑判别是否需要进行模式切换：
[0072]
若终端当前电量η％较高(η％∈[ηh％,100％]，ηh％∈(0％,100％)为预定义的高电量判别系数。本实施例中，取ηh％＝60％)，表明当前接收窗不足以满足下行数据需求，且当前终端电量充足。为此，将该终端切换至class b模式；
[0073]
若终端当前电量η％中等(η％∈[η
l
％,ηh％)，η
l
％∈(0％,100％)为预定义的低电量判别系数，且η
l
％＜ηh％。本实施例中，取η
l
％＝30％)，表明当前接收窗不足以满足下行数据需求，且当前终端电量不充足。为此，跳至步骤6，进一步结合拟下行数据必要程度进行判别；
[0074]
若终端当前电量η％较低(η％∈[0％,η
l
))，表明尽管当前接收窗不足以满足下行数据需求，但当前终端电量严重不足，不足以支持class b模式。为此，退出当前自适应class a/b模式，一直保持class a模式工作；
[0075]
步骤6：服务器计算当前n
down
条拟下行数据的必要系数之和，并根据其与lora终端当前接收窗口数的大小关系，判别是否执行模式切换，具体如下：
[0076]
各下行数据的必要系数ξi(i＝1,2,
…
,n
down
)在服务器端进行定义，用于明确服务
器拟下发至lora终端的各下行数据(指令)的必要程度。必要系数ξi∈(0,1]，ξi＝1表示该条下行数据的必要性最高，需要lora终端分配至少1个接收窗接收该数据。
[0077]
服务器计算该lora终端n
down
条拟下行数据的必要系数之和并进行判别：
[0078]
若ξ
sum
≤na，表明n
down
条拟下行数据中存在非必要数据，且经压缩后当前class a模式足以保证可靠接收。为此，应以节省lora终端能耗为主要目标，继续保持该终端以class a模式工作。同时，将下行数据按必要系数从大到小排序形成队列(必要系数相同时，按照数据的生成顺序进行排列)，服务器按照队列中的次序逐一下发数据。例如，对于电池供电的某lora终端，其每个判别周期ta内的平均接收窗口数na在步骤3中计算结果为12.8个，且某个判别周期ta内在步骤4中统计得到拟下发数据量n
down
＝15条。此外，该终端当前电量η％在步骤5中识别为中等。该终端当前15条拟下发数据的必要系数如表1所示：
[0079]
表1：lora终端当前判别周期内15条拟下发数据及必要系数
[0080][0081]
表1所示的各下发数据必要系数之和为小于na＝12.8。为此，该lora终端将继续保持class a模式。同时，将15条下行数据按必要系数从大到小排序形成队列(必要系数相同时，按照数据的生成顺序进行排列)，如表2所示：
[0082]
表2：当前15条拟下发数据队列
[0083]
[0084]
服务器按照表2所示的顺序，即1-2-5-12-3-8-4-7-11-10-14-6-13-9-15；逐一下发各条拟下行数据。可见，在当前判别周期内，由于该lora终端保持class a模式功能，仅有约na＝12.8个接收窗口。为此，当前判别周期内仅能下发表2中前12条数据，即1-2-5-12-3-8-4-7-11-10-14-6，剩余3条数据将延迟至下一个判别周期中，并参与下一个周期的判别。
[0085]
随后，跳至步骤3进入下一个判别周期；
[0086]
若ξ
sum
》na，表明尽管n
down
条拟下行数据中存在非必要数据，但经压缩后当前class a模式仍无法保证可靠接收。为此，综合考虑终端电量尚可，将该终端切换至class b模式，随后跳至步骤7；
[0087]
步骤7：对于已切换至class b模式的lora终端，需根据实际情况自适应地判断应保持当前class b模式继续工作，或切换回class a模式工作。判别逻辑为上述方法的逆过程，具体如下：
[0088]
步骤7.1：对于已切换至class b模式的终端，由服务器计数每一个判别周期ta＝3
×
128s内服务器拟下发至该lora终端的下行数据量n
down
，并同时计算该lora终端当前以class a模式工作时的接收窗口数其中，t
up
为该lora终端上报采集数据的周期；
[0089]
步骤7.2：根据下行数据量n
down
与接收窗口数na判别是否需要进行模式切换：
[0090]
若n
down
≤na，表明若将该lora终端切换回class a模式，其自带的接收窗口数足以满足接收下行数据的要求。为此，将该lora终端从当前的class b模式切换回class a模式，随后进入下一个判别周期；
[0091]
若n
down
》na，表明若将该lora终端切换回class a模式，其自带的接收窗口数不足以满足接收下行数据的要求，需要进一步判断是否需要切换工作模式。为此，跳至步骤7.3；
[0092]
步骤7.3：进一步结合lora终端当前电量η％及拟下行数据必要程度判别是否需要进行模式切换。具体判别逻辑如下：
[0093]
若终端当前电量η％较高(η％∈[ηh％,100％])，表明若将该lora终端切换回class a模式，其接收窗不足以满足下行数据需求，且当前终端电量充足，可以支持继续以class b模式运行。为此，该终端保持当前class b模式不变，随后进入下一个判别周期；
[0094]
若当前电量η％中等(η％∈[η
l
％,ηh％))，表明若将该lora终端切换回class a模式，其接收窗不足以满足下行数据需求，且当前终端电量不充足，不足以支持继续以class b模式运行。为此，跳至步骤7.4，进一步结合拟下行数据必要程度进行判别；
[0095]
若当前电量η％较低(η％∈[0％,η
l
))，表明若将该lora终端切换回classa模式，尽管其接收窗不足以满足下行数据需求，但当前终端电量严重不足，完全不能够继续支持class b模式长时间运行。为此，将该lora终端切换回classa模式，并退出当前自适应class a/b模式，一直保持class a模式工作。
[0096]
步骤7.4：服务器计算该lora终端n
down
条拟下行数据的必要系数之和并进行判别：
[0097]
若ξ
sum
≤na，表明n
down
条拟下行数据中存在非必要数据，且经压缩后classa模式足以保证可靠接收。为此，将该lora终端切换回class a模式工作。同时，将下行数据按必要系
数从大到小排序形成队列，必要系数相同时，按照数据的生成顺序进行排列，服务器按照队列中的次序逐一下发数据。随后，进入下一个判别周期；
[0098]
若ξ
sum
》na，表明尽管n
down
条拟下行数据中存在非必要数据，但经压缩后当前class a模式仍无法保证可靠接收。为此，综合考虑终端电量尚可，该终端保持当前class b模式不变。随后，进入下一个判别周期。
[0099]
应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。