一种适合智慧农业的农业物联网

摘要

本发明提出一种适合智慧农业的农业物联网，能够除了可以根据MAC地址进行集中器与设备进行通信外，还可以根据设备类进行通信，极大地提高了通信效率，提高了LoRa网络中可能容纳的节点数量。集中器到设备的通信过程采用超帧结构，同时支持时间驱动和事件驱动的通信方式；集中器给每个设备节点在时槽矩阵中分配一个时槽，设备节点在非竞争时段的时槽中完成基于时间驱动的通信；如果在时槽中通信不成功，还可以在超帧结构中的竞争时段的时槽中采用事件驱动方式再次进行通信，提高了通信的可靠性和实时性；超帧结构也减少了设备节点的通信能耗。农业物联网的应用层采用了预约时间执行命令的数据包格式。

权利要求

1.一种适合智慧农业的农业物联网，所述农业物联网的硬件结构包括：设备节点、与计算中心链接的集中器；所述农业物联网的架构包括，物理层、数据链路层和应用层，其特征在于，所述物理层采用LoRa的物理层协议；所述数据链路层采用超帧结构的数据包格式，并对数据进行校验和封装；

所述超帧结构的数据包格式，包括：同步帧是超帧结构的数据包的开始；接下来是非竞争时段，再之后就是竞争时段，最后是帧间隔；

所述集中器包括存储有系统工作参数的Flash存储器，所述集中器中给每个终端节点在内存中建立一个实时数据表，并用数据库形式保存历史数据在Flash存储器中，所述集中器在给所述设备节点下达命令时，采用提前预约的命令方式，使得不同时间给不同设备发射的相同命令，可以在约定的时间同时执行；

其中：

每个所述超帧结构的数据包只给一定数量的设备节点分配时间驱动时段时槽，采用多个连续超帧结构的数据包完成所有设备节点的时间驱动时段时槽分配，这样就组成了一个时间驱动时段时槽矩阵，所述时间驱动时段时槽矩阵的列是一个超帧结构的数据包中的时间驱动时段时槽，时间驱动时段时槽矩阵的行是超帧结构的数据包序列；

所述同步帧的帧结构包括：

帧控制字、本帧长度、现场网络地址、集中器地址、设备节点地址、最大超帧个数、时槽时长、时间驱动时段时槽个数、事件驱动时段时槽个数、休眠时段时槽个数、本帧行号、发射功率、工作频率、当前时间、操作时间、操作码、数据对象编码、数据对象值和CRC校验；每个超帧的同步帧中的本帧行号表明本帧在时槽矩阵中的行号。

2.根据权利要求1所述的一种适合智慧农业的农业物联网，其特征在于，所述非竞争时段为基于时间驱动的通信时段的数据帧通信的时段，由若干时间驱动时段时槽组成，每个时间驱动时段时槽被分配给一个设备节点，设备节点在时间驱动时段时槽中完成与集中器的一次通信交互。

3.根据权利要求2所述的一种适合智慧农业的农业物联网，其特征在于，所述竞争时段为基于事件驱动的通信时段的数据帧通信的时段，由若干个事件驱动时段时槽组成，设备节点通过信号活动检测方式来竞争事件驱动时段时槽。

4.根据权利要求3所述的一种适合智慧农业的农业物联网，其特征在于，所述设备节点通过信号活动检测方式来竞争事件驱动时段时槽的具体方式包括：第一种方式：未进入现场网络的设备节点向集中器申请加入现场网络，设备节点通过接受到同步帧后，根据同步帧的数据计算出基于事件驱动的通信时段的数据帧通信的时段，然后在所述基于事件驱动的通信时段的数据帧通信的时段通过竞争方式向集中器申请分配基于时间驱动的通信时段的数据帧通信的时段中的时间驱动时段时槽；

第二种方式：设备节点在时间驱动的通信时槽中通信未成功时，所述设备节点再次通过信号活动检测方式来竞争事件驱动时段时槽，在基于事件驱动的时段中与集中器进行二次通信；

第三种方式：未到达设备节点分配的事件驱动时段时槽时，设备节点发生突发事件，设备节点通过信号活动检测方式来竞争事件驱动时段时槽，在基于事件驱动的时段中与集中器进行通信。

5.根据权利要求1所述的一种适合智慧农业的农业物联网，其特征在于，所述帧间隔中的设备节点处于节能休眠状态，而集中器处于空闲状态。

6.根据权利要求1所述的一种适合智慧农业的农业物联网，其特征在于，所述设备节点地址具体包括：短地址和类地址；

所述设备节点在多个所述集中器其中选择一个信号强度好的集中器作为所述设备节点的管理节点，并通过作为长地址的LoRa的物理地址向集中器申请加入网络，集中器会向所述设备节点分配一个短地址，之后根据所述设备节点的类型分配类地址。

7.根据权利要求6所述的一种适合智慧农业的农业物联网，其特征在于，所述设备节点只能被分配一个短地址，所述设备节点能被分配多个类地址。

8.根据权利要求1所述的一种适合智慧农业的农业物联网，其特征在于，所述集中器具有两组天线，同时进行不同频率信道的通信，相互备份，所述设备节点在两个通信信道中切换，所述集中器在空闲时间搜寻干扰少的空闲信道作为候选信道，当正在使用的信噪比超过可接受范围时，切换到信噪比高的所述候选信道。

说明书

一种适合智慧农业的农业物联网

技术领域

[0001] 本发明属于物联网领域，尤其涉及一种适合智慧农业的农业物联网。

背景技术

[0002] 农业具有作业面积广和人员的技术水平不高等特点，这些特点要求智慧农业具有覆盖面大、运行成本低、维护工作量小，同时农业自动化网络对通信速率和实时性通常要求
不高，而对设备电能消耗要求严格。应用高技术实现智慧农业是解决包含上述问题在内的
农业生产问题的有效手段。

发明内容

[0003] 为解决上述技术问题，本发明提出一种适合智慧农业的农业物联网的技术方案解决上述技术问题。

[0004] 本发明公开了一种适合智慧农业的农业物联网，所述农业物联网的硬件结构包括：设备节点、集中器和计算中心；所述农业物联网的架构包括，物理层、数据链路层和应用
层，所述物理层采用LoRa的物理层协议；所述数据链路层采用超帧结构的数据包格式，并对
数据进行校验和封装；

[0005] 所述超帧结构的数据包格式，包括：同步帧是超帧结构的数据包的开始；接下来是非竞争时段，再之后就是竞争时段，最后是帧间隔；

[0006] 所述集中器在给所述设备节点下达命令时，采用提前预约的命令方式，使得不同时间给不同设备发射的相同命令，可以在约定的时间同时执行。

[0007] 在一些实施例中，所述非竞争时段为基于时间驱动的通信时段的数据帧通信的时段，由若干时间驱动时段时槽组成，每个时间驱动时段时槽被分配给一个设备节点，设备节
点在时间驱动时段时槽中完成与集中器的一次通信交互。

[0008] 在一些实施例中，所述竞争时段为基于事件驱动的通信时段的数据帧通信的时段由若干个事件驱动时段时槽组成，设备节点通过信号活动检测方式来竞争事件驱动时段时
槽。

[0009] 在一些实施例中，所述设备节点通过信号活动检测方式来竞争事件驱动时段时槽的具体方式包括：

[0010] 第一种方式：未进入现场网络的设备节点向集中器申请加入现场网络，设备节点通过接受到信标帧后，根据信标帧的数据计算出基于事件驱动的通信时段的数据帧通信的
时段，然后在所述基于事件驱动的通信时段的数据帧通信的时段通过竞争方式向集中器申
请分配基于时间驱动的通信时段的数据帧通信的时段中的时间驱动时段时槽；

[0011] 第二种方式：设备节点在时间驱动的通信时槽中通信未成功时，所述设备节点再次通过信号活动检测方式来竞争事件驱动时段时槽，在基于事件驱动的时段中与集中器进
行二次通信；

[0012] 第三种方式：未到达设备节点分配的事件驱动时段时槽时，设备节点发生突发事件，设备节点通过信号活动检测方式来竞争事件驱动时段时槽，在基于事件驱动的时段中
与集中器进行通信。

[0013] 在一些实施例中，每个所述超帧结构的数据包只给一定数量的设备节点分配时间驱动时段时槽，采用多个连续超帧结构的数据包完成所有设备节点的时间驱动时段时槽分
配，这样就组成了一个时间驱动时段时槽矩阵，所述时间驱动时段时槽矩阵的列是一个超
帧结构的数据包中的时间驱动时段时槽，时间驱动时段时槽矩阵的行是超帧结构的数据包
序列。

[0014] 在一些实施例中，所述帧间隔中设备节点处于节能休眠状态，而集中器处于空闲状态。

[0015] 在一些实施例中，所述同步帧的帧结构包括：

[0016] 帧控制字、本帧长度、现场网络地址、集中器地址、设备节点地址、最大超帧个数、时槽时长、时间驱动时段时槽个数、事件驱动时段时槽个数、休眠时段时槽个数、本帧行号、
发射功率、工作频率、当前时间、操作时间、操作码、数据对象编码、数据对象值和CRC校验。

[0017] 在一些实施例中，所述设备节点地址具体包括：短地址和类地址；

[0018] 设备节点在多个集中器其中选择一个信号强度好的集中器作为所述设备节点的管理节点，并通过长地址，即LoRa的物理地址，向集中器申请加入网络，集中器会向所述设
备节点分配一个短地址，之后根据设备节点的类型分配类地址。

[0019] 在一些实施例中，所述设备节点只能被分配一个短地址，所述设备节点能被分配多个类地址。

[0020] 在一些实施例中，所述集中器具有两组天线，同时进行不同频率信道的通信，相互备份，设备节点在两个通信信道中切换，所述集中器在空闲时间搜寻干扰少的空闲信道作
为候选信道，当正在使用的信噪比超过可接受范围时，切换到信噪比高的所述候选信道。

[0021] 可见，本发明提出的方案，

[0022] （1）采用基于LoRa技术的农业物联网，与采用单纯采用4G、NB‑IOT等公用网络的农业物联网相比，具有更少的运行成本和制造成本，对公用网络覆盖依赖小，可以部署在4G、
NB‑IOT等公用无线网络信号不好或者没有的地方。

[0023] （2）采用超帧结构和基于时间和基于事件的通信方式，可以较好地满足农业生产的周期通信和突发事件对通信的要求，同时新节点可以自动加入网络，方便使用和维修。

[0024] （3）采用非对称的能量管理方式，有利于节省设备节点的功耗，可能降低设备节点的电池容量和太阳能板的面积，可以降低系统的总体成本。

[0025] （4）增加了类地址的通信方式，减少了通信量，提高了节点容量。

[0026] 综上，本发明提出的方案能够除了可以根据MAC地址进行集中器与设备进行通信外，还可以根据设备类进行通信，极大地提高了通信效率，提高了LoRa网络中可能容纳的节
点数量。集中器到设备的通信过程采用超帧结构，同时支持时间驱动和事件驱动的通信方
式；集中器给每个设备节点在时槽矩阵中分配一个时槽，设备节点在非竞争时段的时槽中
完成基于时间驱动的通信；如果在时槽中通信不成功，还可以在超帧结构中的竞争时段的
时槽中采用事件驱动方式再次进行通信，提高了通信的可靠性和实时性；超帧结构也减少
了设备节点的通信能耗。农业物联网的应用层采用了预约时间执行命令的数据包格式，提
高了设备节点执行任务的同步性能，同时也提高了可靠性。

附图说明

[0027] 为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的
附图是本发明的一些实施方式，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。

[0028] 图1为根据本发明实施例的一种适合智慧农业的农业物联网的结构图；

[0029] 图2为根据本发明实施例的设备节点通用结构图图；

[0030] 图3为根据本发明实施例的集中器原理结构图；

[0031] 图4为根据本发明实施例的农业物联网的架构图。

具体实施方式

[0032] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例只
是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人
员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0033] 本发明公开了一种适合智慧农业的农业物联网。图1为根据本发明实施例的一种适合智慧农业的农业物联网的结构图，如图1所示，

[0034] 所述农业物联网的硬件结构包括：设备节点、集中器和计算中心；如图4所示，所述农业物联网的架构100包括，物理层101、数据链路层102和应用层103，所述物理层101采用
LoRa的物理层协议；所述数据链路层102采用超帧结构的数据包格式，并对数据进行校验和
封装；应用层103采用现有技术的内容。

[0035] 在一些实施例中，物理层101是基于LoRa物理层，采用SX1278实现；

[0036] 所述超帧结构的数据包格式，包括：同步帧是超帧结构的数据包的开始；接下来是非竞争时段，再之后就是竞争时段，最后是帧间隔，如表1所示。

[0037] 表1

[0038]

[0039] 所述集中器在给所述设备节点下达命令时，采用提前预约的命令方式，使得不同时间给不同设备发射的相同命令，可以在约定的时间同时执行。

[0040] 在一些实施例中，分为现场级（设备节点）、区域控制器（集中器）和计算中心（云平台）共三级。集中器与现场的设备节点通过现场网络进行组网通信；集中器通过NB‑IoT或者
4G/2G网络与计算机中心的云平台交换数据，当没有云平台或者公用无线网络时，也可以通
过WiFi与手机或者手提电脑进行连接，通过手机完成对现场设备的数据采集和控制，减少
了对公用无线网络的依赖，特别适合于边远和偏僻地区的农业自动化。

[0041] 农业物联网的现场网络采用LoRa物理层，具有传输距离远、覆盖面积大的特点。设备节点采用1根天线，而集中器采用2根天线；集中器可以同时在两个频段工作，设备节点可
以根据信号强度来选择工作频段；如果一个频段干扰严重，设备节点还可以加入到另一个
频段进行通信，提高了通信的可靠性。集中器在通信的空闲时间不断检测电磁环境中LoRa
工作频道（470MHz—510MHz）的干扰和冲突情况，选择空闲频道为候选的工作频道，一旦现
有的工作频道出现较强干扰和影响正常通信之后，平稳的切换到新的工作频道，并用另一
个频段向设备节点广播，设备节点逐步迁移到新的工作频道。

[0042] 图2是设备节点的通用结构图，设备节点由电源电路、低功耗MCU机器外围电路、人机界面、传感器电路、执行器电路、LoRa收发器机器外围电路组成，一些节点可能只有传感
器而没有执行器，还有一些节点可能只有执行器而没有传感器。电源电路由太阳能电池、磷
酸铁锂充电电池和电压转换电路组成，向整个系统提供电能。人机界面由按键和数码管组
成，可用于现场调试、查看工作状态和参数配置，这些功能也可以通过远程方式由集中器来
完成。人机界面不用时处于关闭状态，以便降低功耗。LoRa收发器及其外围电路通过SPI接
口与MCU连接，LoRa收发器采用SX1278, 工作在频率470MHz 510MHz（CN470‑510），当接收到
~
数据帧时，通过中断唤醒MCU，完成数据的接收和应答。低功耗单片机选用STM32L010C6，单
片机除了完成通信、数据采集、控制执行和人机界面等功能外，还对每个模块进行能量管
理，只有这些模块处于工作状态才进行供电，从而降低功耗。比如，当温湿度传感器要进行
温度和湿度采集时，给传感器进行供电，数据稳定后，采集数据，完成采集后关闭传感器电
源；再比如，当作为执行器的直流减速电机需要工作时，MCU控制电源给电机驱动芯片供电，
通过PWM控制直流减速电机的工作电压从而控制其转速，当完成对阀门开度等调节之后，电
机停止工作，之后关闭驱动芯片电源。

[0043] 图3是集中器原理结构图，由供电电路、MCU及其外围电路、无线公共网络模块、Flash存储器、LoRa收发电路1和LoRa收发电路2组成。供电电路采用了与设备节点相似但是
功率更大的太阳能供电、存储和变换电路；采用四节21700电池12.8V（每节3.2V），4500mAh
的磷酸铁锂电池，充电芯片采用BQ24707A；直流减速电机直接采用12.8V供电，12.8V 电池
电压通过芯片DC/DC变为3.6V给NB‑IoT模块供电，变为3.3V给ESP32模块、MCU、LoRa芯片等
其它电路供电。集中器具有两组LoRa收发电路，可以同时实现两个设备节点通信，增加通信
容量，也增加了通信的可靠性。Flash存储器采用W25Q128，系统工作参数存储在其中，通过
SPI接口与MCU连接，系统工作参数在Flash存储器中保存在两个不同的存储区，相互备份，
同时也保存一份在MCU的SRAM中，减少读写Flash的次数。MCU选用STM32L4R5VGT6，具有
640KB内存，在一般的应用中，可以暂时存储一天以上数据，正常工作时这些数据会即时通
过公用网络存储到数据中心；当没有公用网络时，可以存储在Flash存储中，用户用手机或
者手提电脑通过WiFi与集中器进行通信来传输数据。MCU与LoRa收发器通过USART（配置为
SPI工作方式）接口通信，与NB‑IoT/4G/2G等公用无线网络模块通过USART（配置为UART工作
方式）接口通信，通过UART结构连接WiFi模块，WiFi模块选用ESP32‑WROOM‑32E。

[0044] 在一些实施例中，所述非竞争时段为基于时间驱动的通信时段的数据帧通信的时段，由若干时间驱动时段时槽组成，每个时间驱动时段时槽被分配给一个设备节点，设备节
点在时间驱动时段时槽中完成与集中器的一次通信交互。

[0045] 在一些实施例中，所述竞争时段为基于事件驱动的通信时段的数据帧通信的时段由若干个事件驱动时段时槽组成，设备节点通过信号活动检测方式来竞争事件驱动时段时
槽。

[0046] 在一些实施例中，所述设备节点通过信号活动检测方式来竞争事件驱动时段时槽的具体方式包括：

[0047] 第一种方式：未进入现场网络的设备节点向集中器申请加入现场网络，设备节点通过接受到信标帧后，根据信标帧的数据计算出基于事件驱动的通信时段的数据帧通信的
时段，然后在所述基于事件驱动的通信时段的数据帧通信的时段通过竞争方式向集中器申
请分配基于时间驱动的通信时段的数据帧通信的时段中的时间驱动时段时槽；

[0048] 第二种方式：设备节点在时间驱动的通信时槽中通信未成功时，所述设备节点再次通过信号活动检测方式来竞争事件驱动时段时槽，在基于事件驱动的时段中与集中器进
行二次通信，提高通信的可靠性和实时性；

[0049] 第三种方式：未到达设备节点分配的事件驱动时段时槽时，设备节点发生突发事件，设备节点通过信号活动检测方式来竞争事件驱动时段时槽，在基于事件驱动的时段中
与集中器进行通信，提高实时响应能力。

[0050] 在一些实施例中，所述帧间隔中设备节点处于节能休眠状态，而集中器处于空闲状态，空闲指的是不与设备节点进行通信，但是集中器通过天线搜寻其它可能工作的频道，
对电磁环境进行评价，寻找空闲频道以备将来之用；当搜索到空闲频道时，以该频道作为备
用信道，若现在正在工作的信道的信噪比不高而影响正常通信时，则集中器通过信标帧广
播切换通知，并按照一定时序切换到备用频道中的信道。

[0051] 在一些实施例中，如表2（a）‑（c）所示，所述同步帧的帧结构包括：

[0052] 帧控制字、本帧长度、现场网络地址、集中器地址、设备节点地址、最大超帧个数、时槽时长、时间驱动时段时槽个数、事件驱动时段时槽个数、休眠时段时槽个数、本帧行号、
发射功率、工作频率、当前时间、操作时间、操作码、数据对象编码、数据对象值和CRC校验。

[0053] 表2（a）

[0054]

[0055] 表2（b）

[0056]

[0057] 表2（c）

[0058]

[0059] 在一些实施例中，所述设备节点地址具体包括：短地址和类地址；

[0060] 设备节点在多个集中器其中选择一个信号强度好的集中器作为所述设备节点的管理节点，并通过长地址，即LoRa的物理地址，向集中器申请加入网络，集中器会向所述设
备节点分配一个短地址，之后根据设备节点的类型分配类地址。

[0061] 在一些实施例中，所述设备节点只能被分配一个短地址，但是所述设备节点能被分配多个类地址。

[0062] 具体的，用于超帧的同步和网络参数广播，当设备节点接收到该帧后，说明超帧开始了。同时，通过超帧数据包，获得如下内容，如表2（a）‑（c）所示，（1）该现场网络的地址，一
个大的区域可能有多个集中器存在，在多个集中器都覆盖的设备节点可能收到两个或者以
上集中器的信标帧，设备节点可能选择其中一个信号强度好的集中器作为自己的管理节
点，并通过长地址（LoRa的物理地址8字节）向集中器申请加入网络，集中器会向其分配一个
短地址（2字节），之后还可以根据设备节点的类型分配类地址（2字节），每个设备节点只能
被分配一个短地址，但是可以分配多个类地址，集中器的短地址固定为0xACC5；（2）超帧结
构和网络参数，包括最大超帧个数、时槽时长、时间驱动时段时槽个数、事件驱动时段时槽
个数、休眠时段个数，这些参数描述了时槽矩阵的大小和每时段的持续时间；（3）当前的行
号（本帧行号），当前帧在时槽矩阵中的行号，列号是根据本帧结束后按照时槽进行计算来
获得；（4）发射功率和工作频率，设备节点根据接收信号强度可以估计出通信过程的链路功
率损耗，据此来调节设备节点的发射功率，保证可靠通信而且节能；工作频率2字节，表示目
前2个CN470‑510中的工作频段；（5）当前时间，设备节点根据此数据实现时间同步，“当前时
间”有两种格式，分别为年/月/日/星期和时/分/秒/百分之一秒，具体是那种格式由帧控制
字确定。（6）操作时间、操作码、数据对象编码、数据对象值的意义与表3（a）、表3（b）、表4
（a）、表4（b）的意义相同，后面叙述，这是一种通过在同步信标帧中夹带数据帧内容的通信
方法；采用这种方法，提高了集中器发给设备节点的通信效率。同步信标帧的设备地址可以
是短地址也可以类地址，通过类地址可以向相同类的所有设备节点发送数据，由于信标帧
的周期性，相同内容是多次发送的，采用操作时间（一天内具有唯一性）进行区别，提高了可
靠性。

[0063] 在一些实施例中，表3（a）‑（b）和表4（a）‑（b）分别是设备节点发送到集中器和集中器发送到设备节点的典型数据帧格式，具体是何种数据帧由帧控制字确定。包括：（1）本帧
长度，说明后续数据的字节数，由于对象数据值的不同，该数值是变化的，但是最多不超过
56字节，采用短帧更适合农业测控数据特点；（2）现场网络地址和设备节点地址，现场网络
地址是所加入集中器所管理的网络的地址，设备节点地址可以是8字节的设备物理地址或
者2字节的短地址或者2字节的类地址，具体是何种地址类型由帧控制字确定；（3）操作时
间、操作码、数据对象编码和数据对象值，给出了数据对象操作的内容和时间；比如，操作时
间：15时32分23秒40亚秒（1/100秒），操作码：写（控制开度），数据对象编码：阀门1，阀门2，
数据对象值：30（阀门开度30%），60（阀门开度60%）；采用面向对象方法来组织设备节点的属
性或状态以及对这些属性或状态的操作，并且把操作时间也封装在一起，成为一个原子性
的事务处理，不仅方便使用人员理解和应用，也可以减少数据帧的传输次数；由于操作时间
可以是未来的时间，这种预约式的事务处理方式可以增加设备节点之间的同步性，减少了
因为事务通信的过于集中而带来的传输延时；（4）接收信号强度，这是设备节点发给集中器
的，为设备节点收到集中器的同步帧的接收信号强度，集中器据此调节其发射功率，保证其
管辖区域的所有设备节点都能可靠接收数据帧，这种反馈机制保障通信的可靠性；（5）CRC
校验，采用了4字节的校验码，保证数据帧中数据的正确性，这对于测控系统很重要，另一种
保证可靠性的方法是，同一个命令采用相同的数据帧多个发送。

[0064] 设备节点与集中器之间数据帧中的确认帧和请求帧也是按照表3（a）‑（b）和表4（a）‑（b）的格式来封装，只是帧控制字和数据对象编码不同而已。这种一致性的处理方法简
化了节点的软件程序设计，一次通信就可以确认多个数据帧（在数据对象值中增加几个数
据帧号和接收状态即可，“操作时间”可以被当成数据帧号），每次通信可以夹带接收信号强
度等实时信息，减少了通信量。

[0065] 表3（a）

[0066]

[0067] 表3（b）

[0068]

[0069]  表4（a）

[0070]

[0071] 表4（b）

[0072]

[0073] 在一些实施例中，每个所述超帧结构的数据包只给一定数量的设备节点分配时间驱动时段时槽，采用多个连续超帧结构的数据包完成所有设备节点的时间驱动时段时槽分
配，这样就组成了一个时间驱动时段时槽矩阵，所述时间驱动时段时槽矩阵的列是一个超
帧结构的数据包中的时间驱动时段时槽，时间驱动时段时槽矩阵的行是超帧结构的数据包
序列。

[0074] 具体的，设备节点加入网络时，完成上电和系统初始化之后，先按照预设的可能信道进行扫描，寻找集中器广播Beacon帧，若发现有多个集中器，选择信号强度最大的集中
器，并据此可以调节自身的发射功率。然后在竞争时间槽与集中器进行通信，把自身参数告
知集中器，集中器分配预设时间槽，设备节点完成加入网络。由于设备节点非常多，不可能
也没有必要在一个超帧的时间槽中给每个节点分配时间槽。每个所述超帧结构的数据包只
给一定数量的设备节点分配时间驱动时段时槽，采用多个连续超帧结构的数据包完成所有
设备节点的时间驱动时段时槽分配，这样就组成了一个时间驱动时段时槽矩阵，所述时间
驱动时段时槽矩阵的列是一个超帧结构的数据包中的时间驱动时段时槽，时间驱动时段时
槽矩阵的行是超帧结构的数据包序列。例如，有1000个设备节点，一个超帧有20个时间槽，
则需要50个超帧才能给每个设备节点分配时间槽，这个一个（50×20）的矩阵，矩阵中的每
个元素位置就是节点号，表示设备节点在时间槽的位置。超帧按照矩阵行进行循环发送，每
个超帧的同步信标帧中的“本帧行号”就表明本帧在时槽矩阵中的行号，列号通过同步帧开
始之后的延时时间来计算得到。

[0075] 设备加入网络后，设备节点周期地按照预设时间槽或者在竞争时间槽阶段把自身的工作状态和电池电量等测量数据发送给集中器，集中器在通过NB‑IoT发给云端或者数据
中心。集中器中给每个终端节点在内存中建立一个实时数据表，并用数据库形式保存历史
数据在Flash中。用户可以通过手机或者电脑通过WiFi方式与集中器进行通信，可以完成集
中器中的设备数据传输和工作参数配置，因此，即使没有公用网络（4G或者NB‑IoT等）本发
明的系统也能实现本地自动化，完成系统所有工作。

[0076] 在一些实施例中，所述集中器具有两组天线，同时进行不同频率信道的通信，相互备份，设备节点在两个通信信道中切换，所述集中器在空闲时间搜寻干扰少的空闲信道作
为候选信道，当正在使用的信噪比超过可接受范围时，切换到信噪比高的所述候选信道。

[0077] 综上，本发明提出的方案能够除了可以根据MAC地址进行集中器与设备进行通信外，还可以根据设备类进行通信，极大地提高了通信效率，提高了LoRa网络中可能容纳的节
点数量。集中器到设备的通信过程采用超帧结构，同时支持时间驱动和事件驱动的通信方
式；集中器给每个设备节点在时槽矩阵中分配一个时槽，设备节点在非竞争时段的时槽中
完成基于时间驱动的通信；如果在时槽中通信不成功，还可以在超帧结构中的竞争时段的
时槽中采用事件驱动方式再次进行通信，提高了通信的可靠性和实时性；超帧结构也减少
了设备节点的通信能耗。农业物联网的应用层采用了预约时间执行命令的数据包格式，提
高了设备节点执行任务的同步性能，同时也提高了可靠性。

[0078] 本发明采用基于LoRa调制解调技术来实现农业物联网的物理层，在此基础上设计适合农业工作特点的数据链路层和应用层，从物联网的集中器到终端设备之间的通信方式
综合利用基于时间槽的时间驱动和基于竞争机制的事件驱动方式，具有覆盖范围广、可以
通过太阳能来维持设备正常供电，特别符合农业工作特点。

[0079] 请注意，以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不
存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。以上实施例仅表达了本申请的几种实施方
式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的
是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形
和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为
准。