基于LoRaWAN协议的无线传感器网络开发与数据采集算法研究

摘要

无线传感器网络有着广泛的用途，如在工业领域，采用无线传感器网络可以采集工业设备的状态数据，从而掌握设备的实时信息。在环保领域，将无线传感器网络部署在监测区域，能有效测污染物的扩散。在农林业领域，将无线传感器网络部署在监测区域采集农林业信息，可以更好进行农林业研究。　　目前利用无线传感器网络监测采集森林数据的技术较多，常见的有采用Zigbee方式组网、采用Nb-iot技术组网或者采用GPRS技术直接将数据通过互联网发送至远程服务器。然而这些技术在林业领域中存在着诸多问题，并不适用于林业领域，如Zigbee技术的信号受障碍物影响严重，导致在复杂的森林环境下传输距离非常短，且该技术功耗高，在野外并不能长时间工作。Nb-iot技术虽然是物联网领域的一种革新技术，但是该技术需要专业基站的支持。目前比较多的是电信的基站，而在大部分的野外并没有相应的基站支持Nb-iot网络的正常运行。　　针对目前无线传感器网络技术在林业领域的应用现状，本文研究并开发一种基于标准LoRaWAN协议的无线传感器网络，LoRa技术有着诸多优点，如功耗极低，支持一次性电源的长时间工作;传输距离远，在无障碍物遮挡的情况下，点对点传输距离可达20km，在森林环境中传输距离可达5km;安全性高，LoRaWAN协议对数据包进行双重加密;稳定性高，数据通过单跳直接发送到网关节点。无需运营商支持，可自行组建传感器网络。因此本文采用LoRa技术研究并开发一套适用于森林检测的无线传感器网络，从而实现森林影响因子的有效采集。并基于该传感器网络提出一种数据采集算法，通过分析历史数据将监测范围划分为若干相似属性子区域，每个子区域内传感器节点采集的数据相似度较高，因此在每个子区域中选择代表节点采集数据，休眠其他节点，从而大幅降低了传感器网络采集的冗余数据，且延长了网络生存时间。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景与意义

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国内研究现状

1．2．2 国外研究现状

1．3 研究目标与内容

1．3．1 研究目标

1．3．2 研究内容

1．4 论文组织结构

2 LoRa无线传感器网络概述

2．1 技术背景

2．2．1 LoRaWAN协议架构

2．2．2 LoRaWAN协议网络结构

2．2．3 数据包处理技术

2．2．4 LoRaWAN入网过程

2．2．5 主要数据帧介绍

2．3 LoRaWAN传感器网络优点

2．4 本章小结

3 系统设计与实现

3．1 系统总体设计

3．2 硬件设计

3．2．1 终端节点硬件设计

3．2．2 网关节点硬件设计

3．3 软件设计

3．3．1 可变长度数据帧设计

3．3．2 终端节点软件设计

3．3．3 网关节点软件设计

3．3．4 服务器端设计

3．4 系统实现

3．4．1 硬件实现

3．4．2 软件实现

3．5 本章小结

4 相似属性区域划分和数据采集

4．1 相关假设

4．2 相似属性区域自适应聚类

4．2．1 种子节点选择

4．2．2 相似属性区域划分

4．3 代表节点选取

4．4 本章小结

5 系统测试与实验

5．1 系统测试

5．1．1 传感器节点数据采集

5．1．3 LoRaWAN网络服务器性能测试

5．2 仿真实验

5．2．1 相似属性区域划分

5．2．2 代表节点的代表性

5．2．3 种子节点比例影响实验

5．2．4 传感器网络生存时间

5．3 本章小结

6 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢