一种适用于野外无人值守站的多模式数据管理与通信系统

摘要

本发明公开了一种适用于野外无人值守站的多模式数据管理与通信系统，通过多种通信手段的互相备份以及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技术通信手段单一，容易出现数据终端，系统监测预警功能丧失的缺点；克服了传统通信信号感知算法对通信道质量评估容易出现虚警和漏警，通信模式切换时间过长，影响数据传输即时性和系统可靠性的缺点，通过设计一种基于心跳包数据平滑策略的信道质量快速感知算法和基于双预警门限的通信模式快速切换策略，可以有效提高对通信信道质量感知的灵敏度，并缩短通信模式切换时间。

说明书

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多模式数据管理与通信系统，主要应用方向为野外无人值守站的数据管理与通信。

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和更强的故障自主恢复的能力。

常见的监测预警系统通常包括数据监测单元、数据采集与传输单元、控制中心三大部分。数据监测单元用于对关键区域的特定参数(如气象信息、坐标信息、视频信息等)进行持续的监测；数据采集与传输单元用于采集监测单元生成的监测数据，并发送给控制中心；控制中心通常位于用户办公区，用于对各个数据采集与传输单元回传的数据进行整合分析，实现对关键区域的远程监控。

现有的监测预警系统解决方案中，大多使用遥测终端单元(Remote TerminalUnit，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。

该方案存在以下不足：

1)、现有RTU采用的4G+北斗短报文的通信方案，通信手段比较单一，在受灾期间局部气象和通信环境往往比较恶劣，常出现两种通信模式同时失效的情况，导致数据通信中断，系统监测预警功能丧失。

2)、现有4G通信方案中，通过定时发送心跳包感知通信信道质量，在心跳包应答失败后即判断4G通信模式失效，系统自动切换至北斗短报文模式。这种切换方法在野外通信信号不稳定的情况下，很可能因为偶然的心跳包丢失或偶然的心跳包应答成功即触发通信模式切换或保持操作，导致出现虚警或漏警情况。

3)、现有4G通信方案中，系统在判断4G通信模式失效后切换至北斗短报文模式，若将这种策略应用于卫星通信单元，由于卫星通信单元的启动和入网时间较长(超过5分钟)，在此过程中系统处于离线状态，将会导致通信即时性变差，系统可靠性降低。

4)、北斗短报文消息的长度和发送频度受限，每分钟只能向外发送1条消息，通信速率十分有限，通信延迟大，无法满足监测预警对于时效性的要求。

5)、北斗短报文卫星位于地球同步轨道，在泥石流监测需求最为强烈的高山地区，由于同步轨道卫星的北坡效应，导致卫星与短报文模块之间被高山遮挡，无法建立通信链路，短报文模块失效。制约了灾害监测点的选址。

6)、现有RTU仅能实现数据的采集和回传功能，不具有设备工作模式控制和自主健康管理能力，当设备出现故障时，需要设备维护人员到现场进行恢复，系统维护难度大，维护成本高。

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多模式数据管理与通信系统，弥补现有方案在通信模式单一、通信时效性差、系统可靠性低和维护难度大方面的不足，解决监测站数据可靠传输和自主健康管理的问题，以满足野外无人值守站对于监测预警系统高可靠性的要求。

一种适用于野外无人值守站的多模式数据管理与通信系统，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；每个多模通信单元包含综合电子模块和数据通信模块；综合电子模块包含中心控制单元、电源管理单元、存储单元和接口单元；数据通信模块包含自组网通信单元、移动通信单元、卫星通信单元、UHF通信单元和北斗短报文通信单元；

所述中心控制单元用于实现对多模通信单元的智能调度和综合管理；

电源管理单元的作用是提供对多模通信单元内部各个模块以及多模通信单元外部各传感器的供电，并执行中心控制单元发来的加断电指令；

存储单元的作用是实现遥测数据、日志数据和外部采集数据的存储和读取；

接口单元的作用是对外部传感器提供传感器正常工作所需要的各类电接口，包括供电接口、通信接口、模拟量采集接口、开关控制接口；

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；

UHF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；

各个多模通信单元之间通过UHF通信组建MESH网络，同时通过移动通信、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，所述中心控制单元用于实现对多模通信单元的智能调度和综合管理包括：对外接口控制、对各个传感器以及通信单元的加断电控制、对存储单元的数据存储和读取控制、对各个通信单元的数据通信模式切换控制、与控制中心的应用层通信协议实现、与邻近多模通信单元的中继通信控制、遥测数据采集与判读。

较佳的，所述中心控制单元对各个通信单元的数据通信模式切换控制过程为：设当前通信模式为A，待切换模式为B，在通信模式A下，在无数据发送的时间段定时通过通信模式A的通道发送心跳包，若收到应答信号，则心跳计数+1，当心跳计数已达到最大值N，则心跳计数保持不变；若未收到应答信号，则心跳计数-1；当心跳计数低于设定门限值N1时，将通信模式B启动待用，进入预备状态，当心跳计数恢复至N1以上时，关闭通信模式B；当心跳计数继续降低，且低于设定门限值N2时，切换至通信模式B；在通信模式B下，通信模式A仍然保持定期发送心跳包，当心跳计数恢复至N2时，则切回通信模式A。

较佳的，所述中心控制单元实现中继通信控制过程为：若多模通信单元可用的通信模式中优先级最高的通信模式为任意一种直通通信模式，则系统进入相应的直通通信模式下，并通过相应的通信单元实现直通通信；若自检存储模块反馈多模通信单元可用的通信模式中优先级最高的通信模式为中继通信模式，则系统进入中继通信模式。

较佳的，在中继模式中，中继需求端按照LORA终端的角色向外广播组网请求，组网请求中包含有目标中继的SN信息；其余多模通信单元在收到组网请求后，判断本地直通模式是否可用，若直通模式可用且为目标中继，则向中继需求端反馈LORA网关回应信号；若中继需求端没有收到LORA网关回应，则持续发送请求，直至收到LORA网关回应；被选中的LORA网关收到广播结果后，即进入LORA网关中继模式，并按照LORA通信协议接收中继需求端发来的数据，再经过本地的直通信道将数据发送给控制中心；当中继需求端的中继需求完成后，需要通过LORA向外发送中继结束信号，释放中继资源。

本发明具有如下有益效果：

本发明的一种适用于野外无人值守站的多模式数据管理与通信系统，克服了现有RTU技术通信手段单一，容易出现数据终端，系统监测预警功能丧失的缺点，通过多种通信手段的互相备份以及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；

克服了传统通信信号感知算法对通信道质量评估容易出现虚警和漏警，通信模式切换时间过长，影响数据传输即时性和系统可靠性的缺点，通过设计一种基于心跳包数据平滑策略的信道质量快速感知算法和基于双预警门限的通信模式快速切换策略，可以有效提高对通信信道质量感知的灵敏度，并缩短通信模式切换时间；

克服了现有北斗短报文消息长度和发送频度受限，无法及时传送较大数据量的业务数据的缺点，通过提供卫星通信、基于WLAN的自组网通信等宽带通信手段，实现更高的通信速率和更快的系统响应；

克服了北斗短报文由于北坡效应，导致链路失效，因而制约灾害监测点布局位置的缺点，通过在多个多模通信单元之间组建的MESH网络，在卫星通信盲区，通过中继通信的方式实现多模通信单元与控制中心的双向通信；

克服了现有RTU不具有设备工作模式远程控制和自主健康管理能力，导致系统维护难度大，维护成本高的缺点，通过中心控制单元对遥测数据的采集和判读、对各个传感器和通信单元的加断电控制、对各个通信单元的数据通信控制、与控制中心的应用层通信协议实现以及与邻近多模通信单元的中继通信协议实现，可实现对多模通信单元的远程维护和自主健康管理能力，提升系统可靠性，有效降低系统维护难度和维护成本。

附图说明

图1为本发明的用于野外无人值守站的高可靠多模式数据管理与通信系统多模通信单元原理框图；

图2为本发明的用于野外无人值守站的高可靠多模式数据管理与通信系统系统框图；

图3为本发明的用于野外无人值守站的高可靠多模式数据管理与通信系统软件工作流程图。

图4为本发明的基于心跳包数据平滑策略的信道质量快速感知算法和基于双预警门限的通信模式快速切换策略流程图。

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，具有现场环境感知、工作模式自主切换和故障自主恢复能力的高可靠多模式数据管理与通信系统(下简称“多模通信系统”)。该系统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。每个多模通信单元包含综合电子模块和数据传输模块两大部分。综合电子模块包含中心控制单元、电源控制单元、存储单元和接口单元；数据通信模块包含自组网通信单元、移动通信单元、卫星通信单元、UHF通信单元和北斗短报文通信单元。多模通信单元的原理框图如图1所示，整个通信系统的框图如图2所示。

多模通信单元中，中心控制单元的作用是实现对多模通信单元的智能调度和综合管理，包括对外接口控制、对各个传感器以及通信单元的加断电控制、对存储单元的数据存储和读取控制、对各个通信单元的数据通信模式切换控制、与控制中心的应用层通信协议实现、与邻近多模通信单元的中继通信协议实现、遥测数据采集与判读。

为保证多模通信系统能够在复杂的野外环境下与控制中心建立高可靠的双向通信链路，在多模通信系统中设计了基于心跳包数据平滑策略的信道质量快速感知算法和基于双预警门限的通信模式快速切换策略。

电源管理单元的作用是提供对多模通信单元内部各个模块以及多模通信单元外部各传感器的供电，并执行中心控制单元发来的加断电指令。

存储单元的作用是实现遥测数据、日志数据和外部采集数据的存储和读取。

接口单元的作用是对外部传感器提供传感器正常工作所需要的各类电接口，包括供电接口、通信接口、模拟量采集接口、开关控制接口。

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。

UHF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。

各个多模通信单元之间通过UHF通信组建MESH网络，同时通过移动通信、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：

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系统平台组成，该嵌入式系统平台包含两个ARM cortex-A9处理器和一个FPGA核,ARM与FPGA通过AXI高速总线互联。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操作系统实现对多模通信单元的综合控制，其核心功能包括通信方式调度、命令处理分发、数据存储控制和系统监控。通信方式调度根据平台设定的优先级和自检结果进行通信方式的切换；命令处理分发功能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；数据存储控制功能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；系统监控完成系统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。

电源控制单元由一个电源输入接口和若干个电源输出接口以及继电器组成，电源输入接口实现外部总供电电源的输入，并在电源控制单元内将电源分配到各个电源输出接口，以供各个通信单元和外部传感器使用，在电源输入接口与输出接口之间设计了电源滤波电路和浪涌抑制电路，在每个电源输出接口前，设计了保险丝和继电器，可以实现对电源的保护以及对各路电源输出的加断电操作。

存储单元由嵌入式系统平台上的存储模块实现，采用EMMC作为存储介质，由Linux操作系统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，UHF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系统平台相连；UHF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。

软件部分的工作流程如图3所示，多模通信单元开机或复位后，首先读取系统配置表，根据配置表开启系统内部模块，并进入内部逻辑。内部逻辑分为控制流模块、通信模块、优先级切换模块、数据采集模块和自检存储模块。几个模块在控制流模块的统一协调下并行运行，控制流模块实现命令解析和分发；通信模块实现直通通信(基于自组网、移动通信、卫星通信、北斗短报文通信4种直通通信单元)和中继通信(基于UHF通信)的具体操作；优先级切换模块实现各种通信模式的切换控制；数据采集模块实现串口、SPI以及GPI接口数据的采集；自检存储模块实现系统自检、数据存储以及业务数据和遥测数据判读。

在优先级切换模块中采用基于心跳包数据平滑策略的信道质量快速感知算法和基于双预警门限的通信模式快速切换策略实现不同通信模式之间的快速切换。以4G和卫星通信模式切换为例，在4G通信模式下，系统在无数据发送的时间段定时通过4G通道发送心跳包，若收到应答信号，则说明当前时刻信道良好，心跳计数+1(若心跳计数已达到最大值N，则心跳计数保持不变)；若未收到应答信号，则说明当前时刻信道不可用，心跳计数-1；当心跳计数低于门限值N1时，说明4G信号较为频繁不可用，卫通模块启动，进入预备状态(当心跳计数恢复至N1以上时，卫通模块断电)；当心跳计数低于门限值N2时，说明4G信号频繁不可用，已无法确保数据有效发送，系统切至卫通模式；在卫通模式下，4G模块仍然保持定期发送心跳包，当心跳计数恢复至N2时，认为此时4G信号已经恢复，则切回4G工作模式。

在上述通信模式中，若自检存储模块反馈多模通信单元可用的通信模式中优先级最高的通信模式为任意一种直通通信模式，则系统进入相应的直通通信模式下，并通过相应的通信单元实现直通通信；若自检存储模块反馈多模通信单元可用的通信模式中优先级最高的通信模式为中继通信模式，则系统进入中继通信模式。

在中继模式中，中继需求端按照LORA终端的角色向外广播组网请求(即寻求LORA网关)，组网请求中包含有目标中继的SN信息。其余多模通信单元在收到组网请求后，判断本地直通模式是否可用，若直通模式可用且为目标中继，则向中继需求端反馈LORA网关回应信号；若中继需求端没有收到LORA网关回应，则持续发送请求，直至收到LORA网关回应；被选中的LORA网关收到广播结果后，即进入LORA网关中继模式，并按照LORA通信协议接收中继需求端发来的数据，再经过本地的直通信道将数据发送给控制中心；当中继需求端的中继需求完成后(例如数据发送完成，或直通模式恢复可用)，需要通过LORA向外发送中继结束信号，释放中继资源。

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。