CN112788719A - 一种高低速网络协同传输***和方法 - Google Patents

一种高低速网络协同传输***和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高低速网络协同传输***和方法，包括基于窄带射频通信的电源控制模块，所述电源控制模块包括蓄电池、太阳能板、控制模块，在超文本数据传输过程中根据射频信号唤醒链路中的所有网络设备，在文本数据传输过程中直接通过低速射频信号完成，在部分节点异常时通过无人机替代节点或直接回收完成数据传输，实现能耗较低，结构简单，成本低廉，稳定性强的野外高速网络组网，并实现野外安防监控视频数据和终端设备状态信息的回收。

Description

一种高低速网络协同传输***和方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，具体涉及一种用于野外环境下安防监控的高低速网络协同传输***和方法
背景技术
野外安防监控在森林防火、野生动物研究、环境保护领域有着广泛的应用，区别于城市中的安防监控网络，野外安防监控部署区域人迹罕至，开发程度低，往往没有运营商建立无线网络基站，部分区域地形复杂，架设网络成本极高；另一方面，野外部署安防监控及其通信网络设施依赖电能工作，然而野外环境极少铺设电网，设备面临供电难的问题。
通过Wi-Fi基站和网桥中继站，可以实现远距离的无线数据传输，避免铺设线缆，能大幅降低布网的物资和人工成本，实现数据的高速传输，然而终端安防设备以及另外布设的Wi-Fi基站、网桥仍然存在供电困难问题。通过布置大型蓄电池以及引入光伏发电技术，可以对设备进行供电，节约了接入电网所需的设施及其安装成本，然而蓄电池和太阳能板体积较大，携带不便，且太阳能发电方式受天气变化影响加大，天气等不可控因素会显著影响网络稳定性。因此有必要降低安防监控***中设备的平均功率，以减小对电池容量的要求，以及对发电功率的要求，减轻电池和太阳能板的体积和重量。
发明内容
本发明针对现有技术的缺陷，提供了一种高低速网络协同传输***和方法，解决了现有技术中存在的缺陷。
为了实现以上发明目的，本发明采取的技术方案如下：
一种高低速网络协同传输***，包括：服务器、中继站、基站、电源控制模块和终端设备；服务器、中继站、基站、终端设备依次通过宽带射频信号相连，即构成Wi-Fi网络通信链路，其中中继站可以只有一级，也可以有多级，基于窄带射频通信的电源控制模块安装在中继站和基站上并为其供电，服务器、控制模块、终端设备基于窄带射频信号在覆盖范围内两两相连，或者通过中继站向覆盖范围以外的设备转发，形成低速射频网络链路；
进一步地，窄带射频信号形成的链路是持续存在的，用于传输数据量相对较小的文本数据，基于Wi-Fi网络的宽带射频链路是间断打开的，仅在需要传输数据量较大，窄带射频信号无法满足通信速度的超文本数据时启用，而在传输结束后，链路上的中继站和基站应立即停止工作；
进一步地，所述电源控制模块，包括蓄电池、太阳能板和控制模块；
所述太阳能板，用于将光能转化为电能，其装机功率大于电源控制模块负载设备的平均功率，根据布置环境气候选用不同种类硅板，旨在提高单位面积的发电效率，如在日朝充分、光照条件好的地区宜选用单晶硅板，在光照条件差的地区选用非晶硅板；
所述蓄电池用于存储太阳能板产生的多余的电量，并在太阳能发电功率低于当前负载功耗时为负载供电，电池容量应能维持负载设备工作一定时间，该时间不小于当地连续阴雨记录，电池类型应在成本允许的范围内选择尽可能高的能量密度，以减少电池重量，以降低安装成本；
所述控制模块用于控制对负载供电，包括微控制器、射频模块、开关模块，所述微控制器用于收发和解析来自于射频模块的数据，并根据指令控制开关模块关断，所述开关模块用于连接和断开电源控制模块和负载，调整对负载供电状态，所述射频模块用于接收窄带射频信号并转化为数字信号发送到微控制器，或从微控制器接收数字信号并转化为射频信号发送，该电源控制模块由蓄电池直接供电，无论是否断开对设备的供电，该模块都保持工作状态；
本发明还公开了一种高低速网络协同传输方法，包括以下步骤：
服务器接收到访问某终端监控设备数据的请求，判断该请求的数据类型是否为文本数据；
若否，则使用窄带射频网络传输；若是，则使用Wi-Fi网络传输；
对于使用窄带射频网络传输的情形，服务器计算射频传输的路径并发送测试信号；
若收到反馈，即该传输链路完整，则将指令经窄带射频网络传输到终端设备，终端设备接到指令，获取并上传信息到服务器，本次数据传输结束；
若未收到反馈，即该传输链路不完整，判断是否还有备选链路；
若还有备选链路，调整链路，重新发送测试信号；
若没有备选链路，考虑到用于中继的电源控制模块基本不会出现断电的情况，可以判断出现射频模块故障，记录出现故障的节点并报修；
对于使用Wi-Fi网络传输的情形，首先计算Wi-Fi信号传输的路径；
向该链路上所有设备的电源控制模块发送内容为开启的窄带射频信号，此时正确收到该信号的电源控制模块应接通负载供电电路，负载的中继网桥或Wi-Fi基站开始工作，形成通信链路；
发送测试信号，判断该Wi-Fi通信链路是否完整；
若收到反馈信号，即该Wi-Fi通信链路完整，则开启数据回收程序，终端设备上传保存在本地的信息或当前的视频流，直到服务器发送结束指令，终端设备停止上传视频流或其他数据，同时向该链路上所有设备的电源控制模块发送内容为关闭的窄带射频信号，此时正确收到该信号的电源控制模块应断开负载供电电路节省电量；
若未受到反馈信号，即该Wi-Fi通信链路不完整，判断是否还有可行链路；
若有，则调整链路，重发测试信号；
若无，则通过窄带射频信号发送关闭指令，关闭链路上所有的设备，记录并上传问题节点，考虑到可能存在节点设备的电源控制模块存在蓄电池亏电的情况，仅记录问题节点并上报。
本发明还公开了一种个别节点异常时的网络重构方法，包括：
服务器发送测试信号后没有收到正确反馈，推测节点出现故障；
服务器计算其他传输于路径并进行测试，判断备选链路是否可行；
若可行，则关闭问题节点网络设备，启动备用节点网络设备，暂时推定问题节点网络设备可能亏电，给定一段时间待其充电；
若不可行，推测节点故障个数；
若故障节点个数少，使用无人机携带组网设备，飞抵故障节点并临时取代该节点，和其他完好之节点组成一个传输链路传输数据，并暂时推定问题节点网络设备可能亏电，给定一段时间待其充电；
若故障节点数量多，使用无人机携带路由设备，直接飞临待回收数据的目标终端设备，使该设备接入该路由设备，同时回收存储在该终端设备上的数据，此时终端到服务器的链路不完整，终端设备的视频流不能实时上传，且仍暂时推定问题节点网络设备可能亏电，给定一段时间待其充电；
给定充电时间结束后，重启链路进行测试，判断此时链路是否通畅；
若是，则恢复该节点工作，直到下一次出现故障；
若否，则推断该节点出现了不可自恢复的故障，提请人工维护。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
通过基于窄带射频通信的电源控制模块实现对通信设备电源的控制和对终端设备的控制，通过用于野外环境的高低速网络协同传输方法降低高速无线网络设备的功耗，使较小的光伏电池能长期维持对基站或中继站的供电，从而避免在复杂地形环境下铺设和维护线缆，通过一种个别节点异常时的网络重构方法，增加了无线传输***的鲁棒性。通过上述装置和两种方法，降低了在野外布设监控网络的成本，减轻了人工安装和维护的工作负担。
附图说明
图1为本发明实施例高低速网络协同传输***；
图2为本发明实施例电源控制模块结构图；
图3为本发明实施例高低速网络协同传输方法流程图；
图4为本发明实施例个别节点异常时的网络重构方法流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下根据附图并列举实施例，对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，为一种基于窄带射频通信的电源控制模块的高低速混合通信拓扑结构，高速网络链路包括服务器、中继站、基站和终端设备，四者依次通过基于2.4GHz的宽带射频信号相连，满足802.11b/g/n协议，即构成Wi-Fi网络通信链路，其中中继站可以只有一级，也可以有多级，基于窄带射频通信的电源控制模块安装在中继站和基站上并为其供电，服务器、控制模块、终端设备基于窄带射频信号在覆盖范围内可以两两相连。也可以根据需要，通过中继向覆盖范围以外的设备转发，形成低速射频网络链路，根据需要，窄带射频信号的频率为170MHz、230Mhz或433Mhz，根据地形复杂程度进行选择，对复杂地形选用低频率波段，对于开阔地形选择高频率波段，发射功率应在5瓦以上；
该网络拓扑结构中，窄带射频信号形成的链路是持续存在的，用于传输数据量相对较小的文本数据，基于Wi-Fi网络的宽带射频链路是间断打开的，仅在需要传输数据量较大，窄带射频信号无法满足通信速度的超文本数据时启用，而在传输结束后，链路上的中继站和基站应立即停止工作，节省电量；
此外，窄带射频信号传输来自于服务器的控制指令，通过基于窄带射频通信的电源模块控制基于Wi-Fi的宽带射频通信链路中的中继站和基站的供电和断电，以此实现基于Wi-Fi网络的宽带射频链路的联通和断开，从而达到节省中继站和基站电量的目的，为实现这一控制过程，提出了一种用于野外数据采集的高低速网络协同传输方法。
如图2所示，一种基于窄带射频通信的电源控制模块，包括蓄电池、太阳能板、控制模块。
所述太阳能板，用于将光能转化为电能，其装机功率应大于电源控制模块负载设备的平均功率，根据布置环境气候选用不同种类硅板，旨在提高单位面积的发电效率，如在日朝充分、光照条件好的地区宜选用单晶硅板，在光照条件差的地区选用非晶硅板。以成都市气候条件为例，在没有遮挡的安装条件下，若需要维持不间断待机，以两个网桥组成中继站，太阳能板需要提供100w以上充电功率，对于基站，需要一个网桥和一个大功率路由AP，也需要提供100w以上充电功率；
所述蓄电池用于存储太阳能板产生的多余的电量，并在太阳能发电功率低于当前负载功耗时为负载供电，电池容量应能维持负载设备工作一定时间，改时间不小于当地连续阴雨记录，电池类型应在成本允许的范围内选择尽可能高的能量密度，以减少电池重量，以降低安装成本。以成都市气候条件为例，为了在14天无法充电的情形下维持供电，需要电压24V、容量120Ah的蓄电池；
所述控制模块用于控制对负载供电，包括微控制器、射频模块、开关模块，所述微控制器用于收发和解析来自于射频模块的数据，并根据指令控制开关模块关断，所述开关模块有三组，包括发电开关、电池开关、放电开关，电流只能从发电开关流向电池开关，从电池开关流向放电开关，不能反向流动，三组开关均受MCU控制，用于连接和断开电源控制模块和负载，调整对负载供电状态，所述射频模块用于接收远端上位设备发出的窄带射频信号并转化为数字信号发送到微控制器，或从微控制器接收数字信号并转化为射频信号发送，该电源控制模块由蓄电池直接供电，无论是否断开对设备的供电，该模块都保持工作状态；
所述三种供电状态包括充电模式，充放电模式和放电模式，发电模式下发电开关和电池开关打开，放电开关关闭的充电模式，使得处在充电状态时太阳能板和蓄电池相连，充放电模式下三个开关打开的充放电模式处，在强光下时太阳能板和负载设备相连供电，同时多余电量流入蓄电池，放电模式下发电开关关闭，电池开关和放电开关打开，处在弱光或无光条件下负载与蓄电池相连，蓄电池为负载设备供电，同时避免电流倒灌太阳能电池。
如图3所示，为一种用于野外数据采集的高低速网络协同传输方法流程图，如图所示，所述高低速网络协同传输方法包括如下步骤：
S1：服务器接收到访问某终端监控设备数据的请求判断该请求的数据类型是否为文本数据；
若否，则使用窄带射频网络传输，跳转至S3；
若是，则使用基于Wi-Fi的宽带网络传输，跳转至S7；
S3：对于使用窄带射频网络传输的情形，服务器计算射频传输的路径并发送测试信号；
若收到反馈，即该传输链路完整，跳转到S4；
若未收到反馈，即该传输链路不完整，判断是否还有备选链路；
若有备选链路，跳转到S3；
若没有备选链路，跳转到S6；
S4：将指令经窄带射频网络传输到终端设备，终端设备接到指令；
S5：获取并上传信息到服务器，服务器接收文本数据，确认接收成功后发送确认信号作为反馈，本次数据传输结束；
S6：判断得出无可行链路的结论，考虑到用于中继的电源控制模块基本不会出现断电的情况，可以判断出现射频模块故障，记录出现故障的节点并报修；
S7：首先计算Wi-Fi信号传输的路径，向该链路上所有设备的电源控制模块发送内容为开启的窄带射频信号，此时正确收到该信号的电源控制模块应接通负载供电电路，负载的中继网桥或Wi-Fi基站开始工作，形成通信链路，并发送测试信号，判断该Wi-Fi通信链路是否完整：
若收到反馈信号，即链路完整，则跳转至S8；
若收到反馈信号，即链路不完整，判断是否还有可行Wi-Fi链路：
若还有可行链路，则跳转至S7；
若无可行链路，则跳转至S10；
S8：开启数据回收程序，终端设备上传保存在本地的信息或当前的视频流，直到服务器发送结束指令，终端设备停止上传视频流或其他数据，同时向该链路上所有设备的电源控制模块发送内容为关闭的窄带射频信号，此时正确收到该信号的电源控制模块应断开负载供电电路节省电量；
S10：通过窄带射频信号发送关闭指令，关闭链路上所有的设备，记录并上传问题节点，考虑到可能存在节点设备的电源控制模块存在蓄电池亏电的情况，仅记录问题节点并上报。
考虑到蓄电池选型过大会导致安装困难，确有可能发生断电的情况，会影响到通信链路的完整性，造成暂时无法传输数据的情况，为此提出一种一种个别节点异常时的网络重构方法。
图4为一种个别节点异常时的网络重构方法流程图，如图所示，所述个别节点异常时的网络重构方法包括如下步骤：
S1：***正常工作，直到服务器发送测试信号后没有收到正确反馈，推测节点出现故障，服务器计算其他传输于路径并进行测试，判断备选链路是否可行；
若可行，即有备选路径可选，则跳转到S2；
若不可行，推测节点故障个数：
若故障数量较少，跳转到S5；
若故障数量较多，跳转到S6；
S2：关闭问题节点网络设备，启动备用节点网络设备，暂时推定问题节点网络设备可能亏电，给定一段时间待其充电，一段时间后进行测试，进入S3
S3：给定充电时间结束后，重启链路进行测试，判断其是否还能恢复工作：
若可恢复工作，则跳转至S4；
若不能恢复工作，则跳转至S5；
S4：该节点出现了不可自恢复的故障，提请人工维护；
S5：恢复该节点工作，重新计算最优传输路径，跳转到S1；
S6：故障节点个数少，使用无人机携带组网设备，飞抵故障节点并临时取代该节点，和其他完好之节点组成一个传输链路传输数据，并暂时推定问题节点网络设备可能亏电，给定一段时间待其充电，跳转到S3；
S7：故障节点数量多，使用无人机携带路由设备，直接飞临待回收数据的目标终端设备，使该设备接入该路由设备，同时回收存储在该终端设备上的数据，此时终端到服务器的链路不完整，终端设备的视频流不能实时上传，且仍暂时推定问题节点网络设备可能亏电，给定一段时间待其充电，跳转到S3；
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种高低速网络协同传输***，其特征在于，包括：服务器、中继站、基站、电源控制模块和终端设备；服务器、中继站、基站、终端设备依次通过宽带射频信号相连，即构成Wi-Fi网络通信链路，其中中继站可以只有一级，也可以有多级，基于窄带射频通信的电源控制模块安装在中继站和基站上并为其供电，服务器、控制模块、终端设备基于窄带射频信号在覆盖范围内两两相连，或者通过中继站向覆盖范围以外的设备转发，形成低速射频网络链路。
2.根据权利要求1所述的一种高低速网络协同传输***，其特征在于：窄带射频信号形成的链路是持续存在的，用于传输数据量相对较小的文本数据，基于Wi-Fi网络的宽带射频链路是间断打开的，仅在需要传输数据量较大，窄带射频信号无法满足通信速度的超文本数据时启用，而在传输结束后，链路上的中继站和基站应立即停止工作。
3.根据权利要求2所述的一种高低速网络协同传输***，其特征在于：所述电源控制模块，包括蓄电池、太阳能板和控制模块；
所述太阳能板，用于将光能转化为电能，其装机功率大于电源控制模块负载设备的平均功率，根据布置环境气候选用不同种类硅板，旨在提高单位面积的发电效率；
所述蓄电池用于存储太阳能板产生的多余的电量，并在太阳能发电功率低于当前负载功耗时为负载供电，电池容量应能维持负载设备工作一定时间，该时间不小于当地连续阴雨记录；
所述控制模块用于控制对负载供电，包括微控制器、射频模块、开关模块，所述微控制器用于收发和解析来自于射频模块的数据，并根据指令控制开关模块关断，所述开关模块用于连接和断开电源控制模块和负载，调整对负载供电状态，所述射频模块用于接收窄带射频信号并转化为数字信号发送到微控制器，或从微控制器接收数字信号并转化为射频信号发送，该电源控制模块由蓄电池直接供电，无论是否断开对设备的供电，该模块都保持工作状态。
4.根据权利要求3所述的一种高低速网络协同传输***的传输方法，其特征在于，包括以下步骤：
服务器接收到访问某终端监控设备数据的请求，判断该请求的数据类型是否为文本数据；
若否，则使用窄带射频网络传输；若是，则使用Wi-Fi网络传输；
对于使用窄带射频网络传输的情形，服务器计算射频传输的路径并发送测试信号；
若收到反馈，即该传输链路完整，则将指令经窄带射频网络传输到终端设备，终端设备接到指令，获取并上传信息到服务器，本次数据传输结束；
若未收到反馈，即该传输链路不完整，判断是否还有备选链路；
若还有备选链路，调整链路，重新发送测试信号；
若没有备选链路，考虑到用于中继的电源控制模块基本不会出现断电的情况，可以判断出现射频模块故障，记录出现故障的节点并报修；
对于使用Wi-Fi网络传输的情形，首先计算Wi-Fi信号传输的路径；
向该链路上所有设备的电源控制模块发送内容为开启的窄带射频信号，此时正确收到该信号的电源控制模块应接通负载供电电路，负载的中继网桥或Wi-Fi基站开始工作，形成通信链路；
发送测试信号，判断该Wi-Fi通信链路是否完整；
若收到反馈信号，即该Wi-Fi通信链路完整，则开启数据回收程序，终端设备上传保存在本地的信息或当前的视频流，直到服务器发送结束指令，终端设备停止上传视频流或其他数据，同时向该链路上所有设备的电源控制模块发送内容为关闭的窄带射频信号，此时正确收到该信号的电源控制模块应断开负载供电电路节省电量；
若未受到反馈信号，即该Wi-Fi通信链路不完整，判断是否还有可行链路；
若有，则调整链路，重发测试信号；
若无，则通过窄带射频信号发送关闭指令，关闭链路上所有的设备，记录并上传问题节点，考虑到可能存在节点设备的电源控制模块存在蓄电池亏电的情况，仅记录问题节点并上报。
5.根据权利要求3所述的一种高低速网络协同传输***的网络重构方法，其特征在于，包括以下步骤：
服务器发送测试信号后没有收到正确反馈，推测节点出现故障；
服务器计算其他传输于路径并进行测试，判断备选链路是否可行；
若可行，则关闭问题节点网络设备，启动备用节点网络设备，暂时推定问题节点网络设备可能亏电，给定一段时间待其充电；
若不可行，推测节点故障个数；
若故障节点个数少，使用无人机携带组网设备，飞抵故障节点并临时取代该节点，和其他完好之节点组成一个传输链路传输数据，并暂时推定问题节点网络设备可能亏电，给定一段时间待其充电；
若故障节点数量多，使用无人机携带路由设备，直接飞临待回收数据的目标终端设备，使该设备接入该路由设备，同时回收存储在该终端设备上的数据，此时终端设备到服务器的链路不完整，终端设备的视频流不能实时上传，且仍暂时推定问题节点网络设备可能亏电，给定一段时间待其充电；
给定充电时间结束后，重启链路进行测试，判断此时链路是否通畅；
若是，则恢复该节点工作，直到下一次出现故障；
若否，则推断该节点出现了不可自恢复的故障，提请人工维护。
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