一种远距离无线自组网的核酸信息收集系统的制作方法

1.本发明属于数据通信传输技术领域，具体为远距离无线自组网的核酸信息收集系统。


背景技术：

2.新型冠状病毒是一种可引起人肺炎/肺部感染的新的冠状病毒，是传染性极高的急性呼吸道传染疾病。截止目前，全球确诊人数众多，已经严重威胁到社会以及人们的健康安全。
3.新型冠状病毒的检测方法主要包括核酸检测、抗体检测、抗原检测，随着疫情的反复，核酸检测变得越来越普遍。核酸采集站点的分布也越来越密集，民众做核酸检测的频率越来越高。以前需要去医院排队做核酸的现象越来越少，以后更多的是民众自觉在核酸采集站点进行采集。可以想象，未来的街道上会遍布大量的核酸检测站，收集群众们的核酸检测信息、将之传输到数据中心。这些大量站点生成的总数据量是惊人的，需要利用可靠的通信网络对其进行组织、传输。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种传输可靠、运行稳定的核酸信息收集系统，为大规模核酸常态化快速检测提供依据和保障。
5.大规模核酸常态化快速检测中，核酸采集站点需要将采集到的受测信息准确、快速地传输到数据中心。本发明提供的基于远距离无线自组织网的核酸信息收集系统，可以将核酸采集站点采集到的受测者个人信息及时、准确地传输到数据中心。由于核酸采集站点的分布范围大、网点散布不规则，因此采用分支灵活、容易加入新节点的树型网络作为系统架构。同时，树型网络中某一线路出现故障时，仅仅会影响局部区域，比较容易将故障部位和系统隔离，增加系统的稳定性。
6.具体地，本发明提供的基于无线自组织网的核酸信息收集系统，由三个层次构成（见图1）：数据中心、中继节点、数据节点；其中，数据中心布置在高性能服务器上，向上层单位提供信息查询服务；中继节点布置在基站上，用来保障信息的远程可靠传输；数据节点布置在各个核酸采集站点里。
7.对于任何新建核酸采集站点，首先需要完成数据节点入网，然后才能进行信息录入与传输；所述数据节点入网，是数据节点通过邻近的中继节点向数据中心发送请求信息，请求分配一个网络地址用于后续通信；所述信息传输，是数据节点完成入网后维持一个缓存文件，当其中存满一定长度的连续数据时，数据节点将这一段数据上报到中继节点，中继节点再将其报向数据中心、完成更新。
8.核酸采集站点开启后，它的数据节点需要尽快加入网络。下面介绍数据节点入网的具体流程（见图2所示）：数据节点向周围的中继节点发起入网申请帧，用来申请一个入网地址，并开启一
个定时器。数据节点周围的中继节点接收到申请帧后，查询当前本地的节点容量，决定是否响应数据节点的申请，如果同意入网，就发起一个响应帧。数据节点接收到响应帧后，向发送响应帧的中继节点发送一个确认帧。收到确认帧后，中继节点在自己的网络地址基础上分配一个地址，将这一地址传给上层根节点（即数据中心），请求注册。数据中心完成注册过程后，向中继节点发送确认帧，中继节点将被注册的地址发送给数据节点，收到数据节点的确认帧后即完成入网的整个过程。如果在一个规定的定时器时间后没有得到任何响应，则数据节点再次发起申请。如果在经历规定数量的定时器时间后还是没有得到响应，则判定数据节点所在网点不在当前的有效范围内。
9.完成入网后，核酸采集站点就可以将本地采集的信息录入系统了。下面介绍信息的传输、搜集的具体流程（参见图3所示）：数据节点处于整个网络的底端，是树型网络的叶部分，数据节点会在本地缓存的信息达到一定数量后向中继节点发送数据上传请求，同时监听从中继节点传回的确认帧。收到确认帧后，数据节点开始连续发送缓存中的数据。在接收完所有的信息后，中继节点向数据节点回传一个确认信息，表示该段数据已成功上传，数据节点从内存中清空这段数据。如果没有收到确认信息，数据节点将会重启入网过程，寻找可用的中继节点。中继节点将接收到的数据段立刻上传到数据中心。若上传成功则会收到数据中心发送的确认信号。
10.该网络系统的传输协议采用低功耗广域网无线标准lora，以满足远距离低功耗的网络传输。lorawan开放规范是基于semtech lora设备的低功耗广域网（lpwan）标准，利用工业、科学和医疗（ism）频段的未经许可的无线电频谱。该技术被公共、私有或混合网络所利用，并提供比蜂窝网络更大的范围。部署可以轻松集成到现有基础设施中，并支持低成本电池供电的物联网应用。数据包采用aes128加密算法，其密钥由云服务器生成，用于保证数据安全。
11.以上是该核酸信息收集系统网络的基本工作过程，接下来介绍该网络的特点。
12.第一，各个节点均通过无线方式进行传输，因此需要选择合理的媒介访问方式。csma-ca是一种简单、可靠的媒介访问方式。具体来说，当信道需要发送数据或者指令时，首先要等候一段随机长度的时间，然后检测当前信道的状态。如果信道状态为空闲，那么设备将开始发送待发的数据或命令；如果信道状态为忙碌，设备要继续等待一段随机长度的时间后再次检测信道的状态，一直到能够将信息发送出去为止。
13.第二，设备维修、环境施工等活动可能会影响甚至断开数据节点和中继节点之间的链接，影响数据的及时上传。因此，应当部署富余的中继节点。当数据节点发现不能向所连的中继节点发送数据时，应重启入网过程、接入新的中继节点，并通过后者向数据中心上报受损节点的地址，以及时派遣工程人员到现场修理。
14.第三，为了保证信息有效传输，每一级设备间的通信都应当采用帧确认机制。帧发送设备发送一帧后，接收设备使用校验码验证收到的数据是否出错，并将包含了校验结果的确认帧回传到发送设备。如果在一定的时间内没有收到确认帧，或者确认帧显示校验结果失败，就认为传输失败，需要重新选择时机发送该帧。
15.第四，数据节点与中继节点间的时钟同步程度对两者间的通信质量有很大影响。然而，随着时间流逝，两端设备的时钟会出现较大的差异，因此本系统根据合理的计算方法定期对数据节点的时钟进行校准。
16.第五，不同距离的数据节点和同一中继节点的通信速率也应当不同。距离近的节点可以提高传输速度、节省时间，距离远的节点只能采用较低的传信速度（为了保证传信质量）。因此本系统采用了一种自适应的传输速率调整方法，可以在保证准确率的同时尽可能提高传输速率。
附图说明
17.图1是本发明的远距离无线自组网的核酸信息收集系统分层结构示意图。
18.图2是本发明节点入网过程示意图。
19.图3是本发明信息收集过程示意图。
具体实施方式
20.下面将对本发明中的技术方案进行详细的描述，这一描述是对上述内容的一个具体实施方案。
21.基于可靠远距离无线自组网的核酸信息收集系统，包括：核酸采集站点（布置数据节点）、lora基站（布置中继节点）、云服务器（布置数据中心）。
22.核酸采集站点由信息录入设备和lora无线通信模块组成。信息录入设备集成了扫码机、身份证扫描仪和面部检测设备，用来以多种方式采集用户信息。被采集到的用户信息经过usb接口传入lora无线通信模块进行组帧，并调制成射频信号后经天线发射出去。
23.lora基站接收核酸采集站点内lora无线模块传输的数据，并且对收到的数据进行处理、封装和转发，实现了物理层传输，解决了数据并发问题。lora基站和终端lora节点传输之间的通信是双向的。缓存内容达到一定数量后，lora基站会将缓存中的数据段通过蜂窝网络上传到云服务器上。
24.云服务器接收数据后，将数据存入后台对应的单元中，供外部用户查询。
25.核酸信息采集的步骤为：核酸采集站点进入工作状态，产生请求分配网址的信息帧，经过lora调制后向周边广播。
26.该核酸采集站点附近的lora基站接收到请求分配网址的信号后，在下行传输的时间隙内回传一个确认信号。
27.核酸采集站点在下行传输时隙内接收到来自某个lora基站的确认信号，将本机的物理地址封装到响应信号帧当中。响应信号帧经lora调制后向lora基站传输。
28.此前回传确认信号的lora基站在接收到响应信号帧后，从本地允许的网络地址空间中取出一个地址，根据udp协议进行封装，将封装好的请求注册帧通过蜂窝网络向云服务器传输。
29.云服务器接收到请求注册帧后，对传来的数据帧进行解封装，根据申请的地址进行注册、生成会话密钥。最后，云服务器根据udp协议将会话密钥和注册成功的消息进行封装，回传到lora基站。
30.lora基站接收到云服务器的响应帧后，根据udp协议拆封响应帧，得到所需的会话密钥，跟据lora协议将会话密钥和注册好的网络地址封装成响应帧，在下行时隙传输到此前申请入网的核酸采集站点。
31.接收到来自lora基站的响应帧后，核酸采集站点根据lora协议进行解封装，提取出所需要的网络地址和会话密钥，配置到本地系统当中，完成新节点入网过程。
32.完成入网以后，核酸采集站点开启工作状态。录入的身份信息被存到本地缓存中。当信息增加到一定数量后，系统向lora基站发送请求帧，请求发送数据段。
33.lora基站接收到请求帧后，分配好缓存空间，并在下行时隙内回传一个确认信号。
34.核酸采集站点接收到确认信号后，利用入网时分配的密钥对缓存中的数据段进行加密传输。
35.lora基站接收完数据段，将确认帧回传到核酸采集站点。如果确认帧提示校验有误，核酸采集站点开启重传。如果确认帧提示校验无误，核酸采集站点会清除缓存中的内容。同时，lora基站根据udp协议对数据段进行封装，并通过蜂窝网络向云服务器传输。
36.云服务器接收到传来的数据帧后，根据udp协议进行解封装。根据数据段内各条信息的网络地址,云服务器将各条信息存入正确的存储单元内，供外部用户查询。至此，信息搜集的过程已经完成。
37.在核酸采集站点和lora基站通信的过程中，需要让核酸采集站点的终端定期打开接收窗口、接收lora基站的响应信息。由于两端设备硬件、环境的差异，两端设备上的时钟之间会存在差异，这一差异随时间会逐渐增大，因此也被称为时钟漂移。为了对准时隙、实现上下行数据的正确传输，必须定期对核酸采集站点内的设备时钟进行校准。校准时可以采用tpsn算法来计算时钟漂移。设t1时刻核酸网点发送一个数据帧，在t2时刻被lora基站接收。经过一段处理时间后，lora基站于t3时刻回传一个响应帧，在t4时刻被核酸网点接收。考虑两端设备的时钟偏移，同时忽略传输期间带来的时钟偏移（相对校验时刻两端的时钟偏移，这一值几乎为0），则有以下方程组成立：其中，d为核酸网点和lora基站之间的传输延迟，是校准时刻两端设备的时钟偏差，δ是两端设备时钟初始时间的偏差。于是可以解得：求得时钟偏差后，核酸网点减去偏差值，实现和lora基站间的同步。
38.在与lora连接的网点中，距离近的节点比距离远的节点更适合高速传输（因为传输速率对传输质量的影响和传输距离有关）。因此要设立一个自适应调节传输速率的方案，下面为这一方案的描述。
39.核酸采集站点首先以基准速率发送一个上传包，并将发送成功次数置零。如果接收到基站的确认信号帧则说明发送成功，发送成功次数加一。当发送成功次数达到十次以后，核酸采集站点的设备将提高发送速率。在新速率发送期间，如果第一次传输即失败，则立刻将传输速率将为上一个速率等级，发送成功次数置零，并增大速率升级所需的发送成功次数。如果连续三次传输失败，则将传输速率降级，发送成功次数置零，继续发送。
40.这一方案可以减少因传输速率不合适带来的重传次数，提高了系统的吞吐率。