CN112351399A - 一种适用于野外无人值守站的高可靠中继通信*** - Google Patents

一种适用于野外无人值守站的高可靠中继通信*** Download PDF

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段江年
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杨帆
李炯卉
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Abstract

本发明公开了一种适用于野外无人值守站的高可靠中继通信***，克服了RTU技术整体功耗大，供电***复杂，野外施工困难的缺点，通过在一个区域内合理配置少量全网通模块和大量低功耗模块，可以显著降低整个监测预警***的功耗；不需要外加太阳能电池以及蓄电池组，极大降低了***架设与施工的难度；克服了现有RTU技术缺少中继通信能力，容易出现数据终端，***监测预警功能丧失的缺点，通过在各个多模通信单元之间组建MESH网络，在多模通信单元与控制中心间组建星型网络，实现高可靠的数据通信能力；克服了现有RTU技术建设成本和通信资费高昂的缺点，通过采用大量价格低廉的低功耗版本与少量高性能全网通版本组合的方案，可有效降低整个***的建设成本。

Description

一种适用于野外无人值守站的高可靠中继通信***
技术领域
本发明属于自然灾害预防、预报技术领域，具体涉及一种适用于野外无人值守站的高可靠中继通信***，主要应用方向为野外无人值守站的数据传输。
背景技术
我国是一个受泥石流危害最为严重的国家之一，三分之二的有人居住山区都面临着滑坡、泥石流、滚石等自然灾害的威胁，国家对于地质灾害的监测预警需求迫切。此外，在边境无人值守站的安防监控、大坝涵洞等重大工程的安全监测领域，对于远程监测预警的需求也十分强烈。
这些监测预警的需求大多位于野外无人值守地区，设备维护人员不易到达，因此要求监测预警设备必须具有更高的通信可靠性。
常见的监测预警***由监测预警区域布置的多个数据监测点组成，每个监测点使用一台遥测终端单元(Remote Terminal Unit，RTU)作为数据采集与传输单元，实现监测点数据的采集和回传功能。这些RTU大多配备4G通信单元和北斗短报文单元，在现场移动信号环境良好时，通过移动运营商提供的无线上网服务，将监测数据发送给后端的控制中心；在移动信号不可用时，通过北斗短报文将监测数据发送给后端的控制中心。为了提高通信可靠性，部分RTU还会加配卫星通信单元，在移动通信信号不可用，且北斗短报文通信速率不满足要求时，通过卫星通信单元间监测数据发送给后端的控制中心。
该方案存在以下不足：
1)、现有RTU采用的4G+北斗短报文+卫星通信的方案，设备整体功耗较大，为满足恶劣天气下长时间连续高可靠的监测预警要求，需要配备大功率的太阳能电池以及大容量的蓄电池组。大幅增加了太阳能电池以及蓄电池组的野外运输、架设与施工的难度。
2)、现有的RTU缺少中继通信的手段，当4G通信单元失效，北斗短报文和卫星通信模块因环境原因对卫星不可见时，对应站点的数据通信将被完全切断，导致该站点失效。
3)、现有RTU采用的4G+北斗短报文+卫星通信的方案，设备复杂，实现成本高，特别是当监测预警区域中包含较多不同类型的数据监测点时，需要为每个监测点配备一台RTU，将显著增加监测预警***的建设成本和通信资费。
4)、现有监测***中，存在大量雨量计、含水率、地声传感器、断线传感器等传感器，这些传感器产生的业务数据通常为计数值、开关量或电压值，这些业务数据的数据量较小(小于1kbps)，而为每个传感器都配备专门的4G+北斗短报文+卫星通信设备，将导致严重的通信带宽浪费，同时带来通信资费的浪费。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种适用于野外无人值守站的高可靠中继通信***，可以解决现有方案在设备功耗大、通信可靠性低、建设成本和通信资费高昂、通信带宽与通信资费浪费方面的问题，解决监测站数据可靠、高效益传输的问题，以满足野外无人值守站对于监测预警***高可靠性的要求。
一种适用于野外无人值守站的高可靠中继通信***，包括分布于关键监测区域不同监测点的多个多模通信单元；多模通信单元分为全网通和低功耗两个版本；
全网通版本的多模通信单元包含自组网通信单元、移动通信单元、卫星通信单元、LORA通信单元和北斗短报文通信单元；
低功耗版本的多模通信单元包含LORA通信单元；低功耗版本通过LORA通信单元与可通信的全网通版本建立通信，并通过全网通版本实现与控制中心的数据通信；
自组网通信单元为多模通信单元提供基于WLAN的无线数据传输信道，并在数据接收端的自组网通信单元的配合下实现双向高速无线数据通信；
移动通信单元为多模通信单元与控制中心之间提供基于2G/3G/4G通信网络的无线数据传输信道；
卫星通信单元为多模通信单元与控制中心之间提供基于海事卫星通信网络的无线数据传输信道；
LORA通信单元为多模通信单元与其它附近多模通信单元之间提供基于LORA的无线数据传输信道；
北斗短报文通信单元为多模通信单元与控制中心之间提供基于短报文卫星通信网络的无线数据传输信道；
各个低功耗版本通过LORA通信方式与可通信的全网通版本之间组建星型网络，各个全网通版本之间通过LORA通信组建网状MESH网络，同时各全网通版本通过移动通信、卫星通信以及北斗短报文单元与控制中心组成星型网络。
较佳的，所述低功耗版本的多模通信单元用于接收包业务数据量较小的窄带传感器的数据。
较佳的，全网通版本的多模通信单元用于接收业务数据量较大的宽带传感器数据。
较佳的，低功耗版本的多模通信单元包含一个微控制器单元MCU，一个接口单元，一个LORA通信单元和一个电池；MCU负责完成低功耗版本多模通信单元的***管理、接口驱动和通信控制；接口单元包含一个232串口，一个GPIO接口和一个SPI接口，其中232串口选用MAX3232芯片实现，GPIO以及SPI接口选用16T245芯片实现；LORA通信单元选用LORA通信模块实现，并配有LORA天线，实现空间电磁波信号与射频信号的转换。
较佳的，全网通版本的多模通信单元还包括中心控制单元；中心控制单元包括通信方式调度模块、命令处理分发模块、数据存储控制模块和***监控模块；通信方式调度模块根据平台设定的优先级和自检结果进行通信方式的切换；命令处理分发模块接收解析控制中心通过各个通信单元发来的控制指令，并根据协议约定执行指令或将指令分发到对应的外部设备或通信单元；数据存储控制模块生成并存储平台日志信息和自检信息，同时存储外部遥测和业务数据，并根据控制中心的指令上报特定时刻或特定事件触发的数据信息；***监控模块完成***自检和遥测数据的判读，并根据自检结果和遥测判读结果自主完成工作模式的切换。
较佳的，全网通版本的多模通信单元还包括存储单元，由嵌入式***平台上的存储模块实现，采用EMMC作为存储介质，由Linux操作***实现对存储单元的寻址和读写操作。
较佳的，全网通版本的多模通信单元还包括接口单元，包括232串口、485串口、GPIO以及SPI接口和网口；其中232串口选用MAX3232芯片实现，485串口选用MAX3485芯片和MAX3490芯片实现，GPIO以及SPI接口选用16T245芯片实现，网口使用嵌入式平台自带的以太网口实现，并通过以太网交换机实现网口的扩展。
较佳的，全网通版本的多模通信单元中，自组网单元、移动通信单元和卫星通信单元通过网线与以太网交换机相连，并通过以太网交换机与中心控制单元相连；LORA通信单元设计在中心控制单元的嵌入式平台上，通过自定义的控制与数据接口与嵌入式平台相连；北斗短报文通信单元通过串口与嵌入式平台相连；各个数据通信模块分别带有各自的天线，实现空间电磁波信号与射频信号的转换。
较佳的，数据通信过程中，低功耗版本通过串口、GIOP以及SPI接口采集到监测设备的业务数据，这些业务数据通过LORA信道发送给对应中心节点的全网通版本；全网通版本接通过网口、串口、GPIO接口以及SPI接口等本地接口采集到本地传感器的业务数据，通过***监测模块采集到本地遥测数据，并将这些数据连同通过LORA信道接收到的低功耗版本业务数据一起打包形成综合数据包，发送出去。
较佳的，当全网通版本的自组网通信、移动通信、卫星通信以及北斗短报文通信中，有一种可用时，该全网通版本节点将工作在中继转发模式下，可接收其它全网通版本发来的中继综合数据包，并转发至控制中心；当全网通版本的自组网通信、移动通信、卫星通信以及北斗短报文通信全部不可用时，该全网通版本节点将工作在中继请求模式下，通过LORA信道将综合和数据包发送给中继转发节点，并通过中继转发节点将数据转发至控制中心。
本发明具有如下有益效果：
本发明克服了现有RTU技术整体功耗大，导致供电***复杂，野外施工困难的缺点，通过在一个区域内合理配置少量全网通模块和大量低功耗模块，可以显著降低整个监测预警***的功耗。同时低功耗模块功耗低于1W，使用内置的大容量电池可以保证连续工作3年以上，不需要外加太阳能电池以及蓄电池组，极大降低了***架设与施工的难度。
克服了现有RTU技术缺少中继通信能力，容易出现数据终端，***监测预警功能丧失的缺点，通过在各个多模通信单元之间组建MESH网络，在多模通信单元与控制中心间组建星型网络，实现高可靠的数据通信能力；
克服了现有RTU技术建设成本和通信资费高昂的缺点，通过采用大量价格低廉的低功耗版本与少量高性能全网通版本组合的方案，可有效降低整个***的建设成本。全网通版本通过免费的LORA通信模块收集各低功耗版本的业务数据，由全网通版本汇总打包后发送给控制中心，仅全网通版本产生通信资费，低功耗版本不产生通信资费，可有效降低***的通信资费。
克服了现有RTU技术通信带宽和通信资费浪费的缺点，为大量雨量计、含水率、地声传感器、断线传感器等窄带数据传感器配备低功耗版本，将这些窄带数据通过免费的窄带LORA信道汇总到全网通版本上，并由全网通版本打包后发送给控制中心，可提高全网通版本的带宽利用率，避免通信资费的浪费。
附图说明
图1为本发明的用于野外无人值守站的高可靠中继通信***多模通信单元(全网通)原理框图；
图2为本发明的用于野外无人值守站的高可靠中继通信***多模通信单元(低功耗)原理框图；
图3为本发明的用于野外无人值守站的高可靠中继通信***原理框图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
设计一种融合多种通信模式的，具有自组网中继通信能力的高可靠中继通信***(下简称“中继通信***”)。该***由分布于关键监测区域不同监测点的多个多模通信单元组成。多模通信单元包括全网通和低功耗两个版本。全网通版本中包含自组网通信单元、移动通信单元、卫星通信单元、LORA通信单元和北斗短报文通信单元，用于连接业务数据量较大的宽带传感器(如图片、视频、微波雷达等)；低功耗版本仅包含LORA通信单元，用于连接业务数据量较小的窄带传感器(如雨量、含水率、地声、断线传感器等)。低功耗版本通过LORA通信单元与全网通版本建立通信，并通过全网通版本实现与控制中心的数据通信。
自组网通信单元的作用是为多模通信单元提供基于WLAN的无线数据传输信道，并在数据接收端自组网通信单元的配合下实现双向高速无线数据通信。
移动通信单元的作用是为多模通信单元与控制中心之间提供基于2G/3G/4G通信网络的无线数据传输信道。
卫星通信单元的作用是为多模通信单元与控制中心之间提供基于海事卫星通信网络的无线数据传输信道。
LORA通信单元的作用是为多模通信单元与其它附近多模通信单元之间提供基于LORA的无线数据传输信道。
北斗短报文通信单元的作用是为多模通信单元与控制中心之间提供基于短报文卫星通信网络的无线数据传输信道。
各个低功耗版本通过LORA通信与全网通版本之间组建星型网络，各个全网通版本之间通过LORA通信组建网状MESH网络，同时各全网通版本通过移动通信、卫星通信以及北斗短报文单元与控制中心组成星型网络，最终实现一种星网结合的高可靠网络拓扑结构。
实施例：
多模通信单元(全网通)中，中心控制单元部分由一块基于Xilinx公司ZYNQ7000系列芯片开发的嵌入式***平台组成，该嵌入式***平台包含两个ARM cortex-A9处理器和一个FPGA核。通过FPGA核实现对SPI、串口和GPIO接口的驱动，通过运行在该嵌入式平台上的Linux操作***实现对多模通信单元的综合控制，其核心逻辑包括通信方式调度模块、命令处理分发模块、数据存储控制模块和***监控模块四个部分。通信方式调度模块根据平台设定的优先级和自检结果进行通信方式的切换；命令处理分发模块接收解析控制中心通过各个通信单元发来的控制指令，并根据协议约定执行指令或将指令分发到对应的外部设备或通信单元；数据存储控制模块生成并存储平台日志信息和自检信息，同时存储外部遥测和业务数据，并根据控制中心的指令上报特定时刻或特定事件触发的数据信息；***监控模块完成***自检和遥测数据的判读，并根据自检结果和遥测判读结果自主完成工作模式的切换。
存储单元由嵌入式***平台上的存储模块实现，采用EMMC作为存储介质，由Linux操作***实现对存储单元的寻址和读写操作。
接口单元由232串口、485串口、GPIO以及SPI接口和网口组成。其中232串口选用MAX3232芯片实现，485串口选用MAX3485芯片和MAX3490芯片实现，GPIO以及SPI接口选用16T245芯片实现，网口使用嵌入式平台自带的以太网口实现，并通过以太网交换机实现网口的扩展。
数据通信模块部分，自组网通信单元选用基于CPE技术的网桥模块实现，移动通信单元选用支持多种移动通信体制的4G路由器实现，卫星通信单元选用海事卫星通信终端实现，LORA通信单元选用LORA通信模块实现，北斗短报文通信单元选用一体化北斗短报文通信终端实现。其中自组网单元、移动通信单元和卫星通信单元通过网线与以太网交换机相连，并通过以太网交换机与嵌入式***平台相连；LORA通信单元设计在嵌入式平台上，通过自定义的控制与数据接口与嵌入式平台相连；北斗短报文通信单元通过串口与嵌入式平台相连。各个数据通信模块分别带有各自的天线，实现空间电磁波信号与射频信号的转换。
多模通信单元(低功耗)中，包含一个低功耗微控制器单元(MCU)，一个接口单元，一个LORA通信单元和一个大容量电池。低功耗MCU负责完成低功耗版本的***管理、接口驱动和通信控制。接口单元包含一个232串口，一个GPIO接口和一个SPI接口，其中232串口选用MAX3232芯片实现，GPIO以及SPI接口选用16T245芯片实现。LORA通信单元选用LORA通信模块实现，并配有LORA天线，实现空间电磁波信号与射频信号的转换。电池选用工业级大容量电池产品，可以满足低功耗模块3年以上持续工作的要求。
数据通信过程中，以各个全网通版本为中心，各自与若干个低功耗版本组成星型网络。低功耗版本通过串口、GIOP以及SPI接口采集到监测设备的业务数据，这些业务数据通过LORA信道发送给对应中心节点的全网通版本。全网通版本接通过网口、串口、GPIO接口以及SPI接口等本地接口采集到本地传感器的业务数据，通过***监测模块采集到本地遥测数据，并将这些数据连同通过LORA信道接收到的低功耗版本业务数据一起打包形成综合数据包，发送出去。
在全网通版本发送数据时，根据通信方式调度模块所确定的通信方式进行发送。当通信方式为自组网时，通过网桥模块发送给数据接收端自组网单元，通过数据接收端自组网单元将综合数据包接入公网，并发送给控制中心。当通信方式为移动通信、卫星通信或北斗短报文通信时，通过移动通信模块、卫星通信模块或北斗短报文通信模块将综合数据包发送给控制中心。当通信方式为LORA通信时，通过LORA模块将综合数据包发送给协商确定好的中继节点全网通版本，并通过中继节点全网通版本发送给控制中心。
各个全网通版本之间通过LORA通信单元组成一个网状的MESH网络。当全网通版本的自组网通信、移动通信、卫星通信以及北斗短报文通信中，有一种可用时，该节点将工作在中继转发模式下，可接收其它全网通版本发来的中继综合数据包，并转发至控制中心。当全网通版本的自组网通信、移动通信、卫星通信以及北斗短报文通信全部不可用时，该节点将工作在中继请求模式下，需要通过LORA信道将综合和数据包发送给中继转发节点，并通过中继转发节点将数据转发至控制中心。
中继通信的工作流程如表1所示，将一个中继通信周期划分为120个时隙，每个时隙500ms，共计1分钟。其中前60个时隙为全网通模块与低功耗模块进行通信的时隙，用于实现全网通模块对低功耗模块的数据收集；后60个时隙为全网通模块之间相互通信的时隙，用于实现中继转发节点对中继请求节点的数据收集。
表1
Figure BDA0002710131180000071
Figure BDA0002710131180000081
在前60个时隙中，全网通模块与各自相连的低功耗模块工作在相同的频率上组成一个个星型网络。各星型网络之间工作在不同的频率上，以避免网络之间相互干扰。其中，第1个时隙为广播时隙，在该时隙中，全网通模块向外广播注册表及时隙分配信息。注册表中包含了全网通模块所感知到的低功耗模块的ID，时隙分配信息中包含了为各个已注册低功耗模块分配的时隙信息。此时，低功耗模块接收广播信息，并记录为自己分配的时隙信息。第2～50个时隙为数据传输时隙，此时各低功耗模块在所分配的时隙向全网通模块A发送数据，并明确下一轮是否有数据发送请求(是否保持注册状态)。第51～60个时隙为注册表与时隙表更新时隙，新接入或新产生数据发送请求的低功耗模块在这段时间里向全网通模块发送注册申请，全网通模块接收到注册申请后，更新注册表和时隙分配信息，并在下一周期的第1个时隙进行广播。
在后60个时隙中，所有低功耗模块均保持静默，所有全网通模块切换到与星型网络频率不同的全网通中继工作频率上，组成一个网状MESH网络。此时具备对外通信能力的全网通模块将自己定义为中继转发节点，因故障或其它原因不具备对外通信能力的全网通模块将自己定义为中继请求节点。在第61个时隙中，中继转发节点向外广播注册表及时隙分配信息。注册表中包含了中继转发节点所感知到的中继请求节点的ID，时隙分配信息中包含了为各个已注册中继请求节点分配的时隙信息。此时，中继请求节点接收广播信息，并记录为自己分配的时隙信息。第62～110个时隙为数据传输时隙，此时各中继请求节点在所分配的时隙向中继转发节点发送数据，并明确下一轮是否有数据发送请求(是否保持注册状态)。第111～120个时隙为注册表与时隙表更新时隙，新接入或新产生数据发送请求的中继请求节点在这段时间里向中继转发节点发送注册申请，中继转发节点接收到注册申请后，更新注册表和时隙分配信息，并在下一周期的第61个时隙进行广播。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种适用于野外无人值守站的高可靠中继通信***，其特征在于，包括分布于关键监测区域不同监测点的多个多模通信单元；多模通信单元分为全网通和低功耗两个版本；
全网通版本的多模通信单元包含自组网通信单元、移动通信单元、卫星通信单元、LORA通信单元和北斗短报文通信单元；
低功耗版本的多模通信单元包含LORA通信单元；低功耗版本通过LORA通信单元与可通信的全网通版本建立通信，并通过全网通版本实现与控制中心的数据通信；
自组网通信单元为多模通信单元提供基于WLAN的无线数据传输信道，并在数据接收端的自组网通信单元的配合下实现双向高速无线数据通信；
移动通信单元为多模通信单元与控制中心之间提供基于2G/3G/4G通信网络的无线数据传输信道；
卫星通信单元为多模通信单元与控制中心之间提供基于海事卫星通信网络的无线数据传输信道；
LORA通信单元为多模通信单元与其它附近多模通信单元之间提供基于LORA的无线数据传输信道；
北斗短报文通信单元为多模通信单元与控制中心之间提供基于短报文卫星通信网络的无线数据传输信道；
各个低功耗版本通过LORA通信方式与可通信的全网通版本之间组建星型网络，各个全网通版本之间通过LORA通信组建网状MESH网络，同时各全网通版本通过移动通信、卫星通信以及北斗短报文单元与控制中心组成星型网络。
2.如权利要求1所述的一种适用于野外无人值守站的高可靠中继通信***，其特征在于，所述低功耗版本的多模通信单元用于接收包业务数据量较小的窄带传感器的数据。
3.如权利要求1所述的一种适用于野外无人值守站的高可靠中继通信***，其特征在于，全网通版本的多模通信单元用于接收业务数据量较大的宽带传感器数据。
4.如权利要求1所述的一种适用于野外无人值守站的高可靠中继通信***，其特征在于，低功耗版本的多模通信单元包含一个微控制器单元MCU，一个接口单元，一个LORA通信单元和一个电池；MCU负责完成低功耗版本多模通信单元的***管理、接口驱动和通信控制；接口单元包含一个232串口，一个GPIO接口和一个SPI接口，其中232串口选用MAX3232芯片实现，GPIO以及SPI接口选用16T245芯片实现；LORA通信单元选用LORA通信模块实现，并配有LORA天线，实现空间电磁波信号与射频信号的转换。
5.如权利要求1所述的一种适用于野外无人值守站的高可靠中继通信***，其特征在于，全网通版本的多模通信单元还包括中心控制单元；中心控制单元包括通信方式调度模块、命令处理分发模块、数据存储控制模块和***监控模块；通信方式调度模块根据平台设定的优先级和自检结果进行通信方式的切换；命令处理分发模块接收解析控制中心通过各个通信单元发来的控制指令，并根据协议约定执行指令或将指令分发到对应的外部设备或通信单元；数据存储控制模块生成并存储平台日志信息和自检信息，同时存储外部遥测和业务数据，并根据控制中心的指令上报特定时刻或特定事件触发的数据信息；***监控模块完成***自检和遥测数据的判读，并根据自检结果和遥测判读结果自主完成工作模式的切换。
6.如权利要求5所述的一种适用于野外无人值守站的高可靠中继通信***，其特征在于，全网通版本的多模通信单元还包括存储单元，由嵌入式***平台上的存储模块实现，采用EMMC作为存储介质，由Linux操作***实现对存储单元的寻址和读写操作。
7.如权利要求5所述的一种适用于野外无人值守站的高可靠中继通信***，其特征在于，全网通版本的多模通信单元还包括接口单元，包括232串口、485串口、GPIO以及SPI接口和网口；其中232串口选用MAX3232芯片实现，485串口选用MAX3485芯片和MAX3490芯片实现，GPIO以及SPI接口选用16T245芯片实现，网口使用嵌入式平台自带的以太网口实现，并通过以太网交换机实现网口的扩展。
8.如权利要求5所述的一种适用于野外无人值守站的高可靠中继通信***，其特征在于，全网通版本的多模通信单元中，自组网单元、移动通信单元和卫星通信单元通过网线与以太网交换机相连，并通过以太网交换机与中心控制单元相连；LORA通信单元设计在中心控制单元的嵌入式平台上，通过自定义的控制与数据接口与嵌入式平台相连；北斗短报文通信单元通过串口与嵌入式平台相连；各个数据通信模块分别带有各自的天线，实现空间电磁波信号与射频信号的转换。
9.如权利要求1所述的一种适用于野外无人值守站的高可靠中继通信***，其特征在于，数据通信过程中，低功耗版本通过串口、GIOP以及SPI接口采集到监测设备的业务数据，这些业务数据通过LORA信道发送给对应中心节点的全网通版本；全网通版本接通过网口、串口、GPIO接口以及SPI接口等本地接口采集到本地传感器的业务数据，通过***监测模块采集到本地遥测数据，并将这些数据连同通过LORA信道接收到的低功耗版本业务数据一起打包形成综合数据包，发送出去。
10.如权利要求9所述的一种适用于野外无人值守站的高可靠中继通信***，其特征在于，当全网通版本的自组网通信、移动通信、卫星通信以及北斗短报文通信中，有一种可用时，该全网通版本节点将工作在中继转发模式下，可接收其它全网通版本发来的中继综合数据包，并转发至控制中心；当全网通版本的自组网通信、移动通信、卫星通信以及北斗短报文通信全部不可用时，该全网通版本节点将工作在中继请求模式下，通过LORA信道将综合和数据包发送给中继转发节点，并通过中继转发节点将数据转发至控制中心。
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