CN107425998B - 一种基于工业wifi的通信链路保障方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于工业WIFI的通信链路保障方法，在TCP通信协议的基础之上增加一种新的通信协议，即使发送端以字节流的顺序发送给接收方的数据接收缓冲区，能够根据该新的通信协议重新组建每一种数据帧，识别每种数据帧的类型，根据收到的字节数据，解析完成的数据帧；然后再根据不同类型的数据帧，决定该数据帧的数据应该交付到系统的哪一个功能模块进行处理。本发明针对机器人在巡检过程中可能出现的异常状况，在通信两端的软件上，通过一定的异常通信状况恢复算法，提高通信链路数据传输的容错性。

Description

一种基于工业WIFI的通信链路保障方法

技术领域

本发明属于通信链路技术领域，特别涉及一种基于工业WIFI的通信链路保障方法。

背景技术

电力安全生产是电力工业发展的前提和基础，而变电站的运行管理则是电力安全管理的重要组成部分。目前，我国大部分变电站的日常运行维护采用人工巡检的方式，利用手持设备或者通过人工抄表记录的方式对变电站内各个设备依次进行故障排查。为了克服在人工巡检的过程中因为巡检设备数量庞大、种类繁多、人力投入成本高等问题，一些变电站不得不更新电力设备、仪表，通过自动化变电站系统将变电站现场设备的运行状态转化为数字信号发送到后端的控制中心，但是对于一些传统的已经处于高负荷运行状态的变电站设备，由于设备更换成本高、施工难度大、施工窗口期短等问题，很难完全实现真正的数字化。因此，为了解决人工巡检中遇到的问题，同时又避免更新设备带来高昂的费用，越来越多的变电站开始把技术研发方向转到变电站自主巡检机器人上面，旨在不改变原先设备、仪表的同时，通过移动机器人及其所承载的一些信息采集设备，获取变电站设备、仪表的运行状态，实现变电站状态信息采集、远程监控等功能。

但是变电站一般位于偏远的郊区，变电站范围大、电磁干扰强，又具有通信障碍物等问题，且巡检后台监控系统与机器人本体通信的数据类型又具有多类型、大数据量的特点，使得巡检后台控制系统与机器人本体之间的数据传输不稳定。同时，机器人的工作环境是室外无人值守的自动化变电站，所以当通信过程中出现异常，也无法在通信两端的软件控制上进行处理，数据通信链路的连接状态不稳定。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种能够使巡检机器人长时间稳定地与后台监控系统保持通信连接的基于工业WIFI的通信链路保障方法。

为此，本发明的技术方案是：一种基于工业WIFI的通信链路保障方法，其特征在于：

1）硬件通信链路模块：采用基于5.8G工业WIFI的定向天线技术，通信链路采用IEEE802.11n协议；

2）通信协议栈：在TCP通信协议的基础之上增加一种新的通信协议，即使发送端以字节流的顺序发送给接收方的数据接收缓冲区，能够根据该新的通信协议重新组建每一种数据帧，识别每种数据帧的类型，根据收到的字节数据，解析完成的数据帧；然后再根据不同类型的数据帧，决定该数据帧的数据应该交付到系统的哪一个功能模块进行处理；

a1)给数据加帧的边界符，用来区分不同的帧，防止不同的数据帧混淆；

a2)增加一个字节的确认字段，对于不允许丢失的帧要采用确认机制保证送达；

封装TCP数据的帧结构字段包括帧前边界、数据长度部分、确认位、数据部分和帧后边界；帧前边界是两个字节，分别是十六进制的0xAA和0xBB，这两个字节作为设计的协议帧的前边界符，帧后边界分别是十六进制的0xDD、0xEE、0xDD、0xEE这四个边界符；帧前边界符后面的两个字节就是帧的数据长度部分，代表数据部分和确认位两个部分的长度；

确认位部分占用1个字节，代表这个帧的重要性，判断是否需要回复，如果是1则代表需要回复，如果是0则代表可以不回复，即使丢失也不会影响系统的正常运行；

3）通信异常容错处理：防止由于数据通信异常导致巡检机器人和后台监控系统相互等待，发送死锁的现象；包括以下步骤：

b1) 在每个设备巡检点设定一个定时器，在定时器时间范围内，发送方一直等待接收方的数据应答；

b2) 一旦定时器超时，控制模块再次发送控制命令，通知受控方执行上次命令规定的动作；三次尝试之后，如果还没有收到接收方的任务应答，机器人将启动自我控制模块，自动返航到充电房；

b3) 在返回充电房的过程中，通信模块通过心跳程序一直监听通信的状态；如果通信能够恢复，机器人停止返航充电房，继续上次被中断的任务；如果未能够恢复通信，到达充电房后便启动报警模块，通过声光报警器显示机器人的异常状态；

b4) 后台监控中心在一段时间内没有收到机器人的通信数据便启动报警模块，同时后台变电站工作人员及时对机器人维修处理。

进一步地，在发送端数据交付给TCP发送端的时候，需要将数据封装到TCP协议栈中，TCP为传输控制协议，具体的封装步骤：

c1) 把要发送的数据首先加上一个数据帧的类型，现在的数据加上该数据的类型就组成了新设计协议的数据部分，并统计整个数据部分的长度；

c2) 在新的协议的数据部分的前部加上两个字节的协议数据长度部分，表示当前帧的数据部分的长度和确认位长度之和；

c3) 如果该帧数据必须送达，确认位置1；否则，置0；

c4) 在新的协议前边界增加帧前边界，0xAA和0xBB代表前边界符；在新的协议后边界增加帧后边界，0xDD、0xEE、0xDD、0xEE代表后边界符；

c5) 把封装好的新协议的帧交付给TCP发送端，等待其发送数据。

进一步地，TCP接收端对接收到的数据帧进行解析，具体的数据帧解析步骤如下：

d1) 接收端拿到TCP接收到的数据，缓存在一个数据缓冲区中，并用一个指针，记录当前缓冲区已经使用的位置；

d2) 依次遍历该缓冲区，直到找到数据帧的前边界符0xAA和0xBB，如果没有找到，说明收到的是垃圾信息，直接过滤掉；

d3) 找到帧前边界符后，如果后面的数据长度大于两个字节的长度，那么就解析这两个字段，分析出帧数据部分的长度；如果小于两个字节的长度，那么就继续等待TCP交付数据；

d4) 根据解析出来的帧数据部分的长度，找到帧的后边界符，如果有0xDD、0xEE、0xDD、0xEE这四个字节，那么就找到了一帧，就可以对该帧的类型进行分析，并交付到相应的功能模块；

d5) 如果确认位为1，向发送方发送确认信息；发送方收到确认消息后认为这个消息发送成功；如果发送方限定时间内没有接收到确认消息，发送方重新发送，直到发送成功或者链路中断发出警报；

d6) 如果接收到的数据不足以找到真的后边界符，那么就继续等待TCP交付新的数据；

d7) 遍历一次数据缓冲区后，把不够一帧且没有遍历的数据直接拷贝到缓冲区的最前端，覆盖掉已经遍历的数据或者垃圾信息，修改当前待遍历的指针，然后继续等待TCP交付数据。

本发明中的通信链路采用IEEE802.11n协议，最高支持300Mbps的传输带宽，并且正常的工作温度为-40~60℃，防水防寒等级为IP67，同时采用PoE供电。802.11n是在802.11g和802.11a之上发展起来的一项技术，最大的特点是速率提升，理论速率最高可达600Mbps（目前业界主流为300Mbps）。802.11n可工作在2.4GHz和5GHz两个频段。TCP（Transmission Control Protocol 传输控制协议）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。

本发明在数据通信数据的传输方案中，选择5.8G的工业WIFI的硬件通信链路。该通信链路的传输半径为1000m，能够有效地覆盖整个变电站的范围，实现对变电站的全站覆盖。同时该种通信链路有很强的电磁干扰特性，能够穿透围墙、电力设备等障碍物的遮挡。基于TCP通信传输协议的可靠性，设计扩展上层新的通信协议；通过一定的封装数据、解析数据的算法，实现巡检后台和机器人本体的可靠通信的通信协议。针对机器人在巡检过程中可能出现的异常状况，在通信两端的软件上，通过一定的异常通信状况恢复算法，提高通信链路数据传输的容错性；实现后台监控系统与机器人的异常通信问题的解决，继续完成巡检任务。

附图说明

以下结合附图和本发明的实施方式来作进一步详细说明

图1为本发明封装TCP数据的帧结构字段示意图；

图2为本发明异常容错处理的流程框图。

具体实施方式

本实施例的硬件通信链路模块设计：

采用基于5.8G工业WIFI的定向天线技术，提供更多的数据传输信道，提高通信链路的抗干扰性。基于工业级的WIFI定向天线技术提供超过100Mbps的实际TCP/IP吞吐量，能够满足视频传输对网络带宽的要求。该种通信链路方案的成本相对其目前可用并成熟的LTE技术等，具有很低的成本，同时工业级的WIFI天线具有一定的防风防雨性能，能够使用室外的通信环境。巡检机器人通过安装WIFI网关作为移动机器人与设置在变电站现场固定位置的无线接入点AP（Access Point）建立WIFI连接。而架设在变电站场地的固定AP需要能够覆盖巡检机器人的巡检轨迹，提供足够的信道带宽。同时由于工作于室外环境，AP的工作温度与防水防尘等级都有一定的要求。通信链路采用IEEE802.11n协议，最高支持300Mbps的传输带宽，并且正常的工作温度为-40~60℃，防水防寒等级为IP67，同时采用PoE供电。

本实施例的通信协议栈设计：

基于TCP通信协议的特性，TCP能够为通信的双方提供可靠的数据传输，但是TCP是面向字节流的通信方式。变电站机器人巡检系统传输的数据帧是多种类型、大数据量的。所以基于TCP的数据链路通信方式，虽然能够保证对机器人的控制命令和机器人反馈的状态信息数据包有序可靠的到达数据的接收端，但是并不能够正确的解析发送方发送的数据，也就是说没有一个很好的帧的边界界定符。

本实施例在TCP通信协议的基础之上设计一种通信协议，即使发送端以字节流的顺序发送给接收方的数据接收缓冲区，也能够根据该种协议重新组建每一种数据帧，识别每种数据帧的类型，根据收到的字节数据，解析完成的数据帧。然后再根据不同类型的数据帧，决定该数据帧的数据应该交付到系统的哪一个功能模块进行处理。

为了能够使TCP能够传输各种类型的数据帧，设计新的通信协议格式，实现对TCP数据帧的封装。主要解决两个问题，一个是TCP为字节流，帧与帧之间没有边界区分，一个是虽然TCP号称安全的，但在实际使用的过程中，TCP存在的丢包问题。第一个问题的解决方法就是：给数据加帧的边界符，用来区分不同的帧，防止不同的数据帧混淆在一起的事情发生。第二个问题的解决办法是增加了一个字节的确认位，对于不允许丢失的帧要采用确认机制保证送达。

因此，本实施例设计的数据通信协议的帧的格式如图1所示，封装TCP数据的帧结构字段包括帧前边界Z1、数据长度部分Z2、确认位Z3、数据部分Z4和帧后边界Z5；帧前边界Z1是两个字节，分别是十六进制的0xAA和0xBB，这两个字节作为设计的协议帧的前边界符，帧后边界Z5分别是十六进制的0xDD、0xEE、0xDD、0xEE这四个边界符；帧前边界Z1后面的两个字节就是帧的数据长度部分Z2，代表数据部分Z4和确认位Z3两个部分的长度；有了这个字段，能够很快获取数据帧的长度，快速找到帧尾，能够提高系统的效率。

确认位Z3占用1个字节，代表这个帧的重要性，判断是否需要回复，如果是1则代表需要回复，如果是0则代表可以不回复，即使丢失也不会影响系统的正常运行。通信双方的数据都封装在这种结构体中，结构体中包括数据的类型，以及各个字段。将结构体转化成字节数组后填充在数据部分。通过这种数据协议的设计，就能够在TCP的基础之上，传输各种类型的数据帧，能够封装数据，利用TCP协议进行传输，然后在通过接收端对接收到的TCP字节流进行解析，提取出每一个原始的数据帧。然后判断帧的类型，根据帧的类型，交付给不同的控制模块。

不能够丢失的消息的确认位上为1，接收方收到消息后立刻回复一个已经收到的消息反馈给发送方，发送方收到确认消息后认为这个消息发送成功。如果再发送的消息丢失，或者确认的消息丢失，发送方在一段时间之后不会接收到确认消息。超时后，发送方重新发送，直到发送成功或者链路中断发出警报。

在发送端数据交付给TCP发送端的时候，需要将数据封装到TCP的协议栈中，具体的封装算法流程是：

c1) 把要发送的数据首先加上一个数据帧的类型，现在的数据加上该数据的类型就组成了新设计协议的数据部分，并统计整个数据部分的长度；

c2) 在新的协议的数据部分的前部加上两个字节的协议数据长度部分，表示当前帧的数据部分的长度和确认位长度之和；

c3) 如果该帧数据必须送达，确认位置1；否则，置0；

c4) 在新的协议前边界增加帧前边界，0xAA和0xBB代表前边界符；在新的协议后边界增加帧后边界，0xDD、0xEE、0xDD、0xEE代表后边界符；

c5) 把封装好的新协议的帧交付给TCP发送端，等待其发送数据。

在TCP的接收端，TCP接收缓冲区满时，TCP协议就会把这些字节流的数据上交给本文设计的通信协议，所以在数据的接收端就会进行数据帧的解析功能模块。在数据解析时，解析的数据很有可能不是一个完整的数据包，所以这是要保存这个半包的数据，等待接下来的数据继续到达之后才能继续解析。具体的数据帧解析步骤如下：

d1) 接收端拿到TCP接收到的数据，缓存在一个数据缓冲区中，并用一个指针，记录当前缓冲区已经使用的位置；

d2) 依次遍历该缓冲区，直到找到数据帧的前边界符0xAA和0xBB，如果没有找到，说明收到的是垃圾信息，直接过滤掉；

d3) 找到帧前边界符后，如果后面的数据长度大于两个字节的长度，那么就解析这两个字段，分析出帧数据部分的长度；如果小于两个字节的长度，那么就继续等待TCP交付数据；

d4) 根据解析出来的帧数据部分的长度，找到帧的后边界符，如果有0xDD、0xEE、0xDD、0xEE这四个字节，那么就找到了一帧，就可以对该帧的类型进行分析，并交付到相应的功能模块；

d5) 如果确认位为1，向发送方发送确认信息；发送方收到确认消息后认为这个消息发送成功；如果发送方限定时间内没有接收到确认消息，发送方重新发送，直到发送成功或者链路中断发出警报；

d6) 如果接收到的数据不足以找到真的后边界符，那么就继续等待TCP交付新的数据；

d7) 遍历一次数据缓冲区后，把不够一帧且没有遍历的数据直接拷贝到缓冲区的最前端，覆盖掉已经遍历的数据或者垃圾信息，修改当前待遍历的指针，然后继续等待TCP交付数据。

如图2所示，本实施例包括通信异常容错处理，在巡检命令控制的过程中，后台监控系统与机器人本体通过命令交互的方式实现对变电站设备的自主巡检。所以该模块设计一定的数据异常处理模块，防止由于数据通信异常导致巡检机器人和后台监控系统相互等待，发送死锁的现象。该模块为每个设备巡检点设定一个定时器，在定时器时间范围内，发送方一直等待接收方的数据应答。一旦定时器超时，控制模块再次发送控制命令，通知受控方执行上次命令规定的动作。三次尝试之后，如果还没有收到接收方的任务应答，机器人将启动自我控制模块，自动返航到充电房。

在返回充电房的过程中，通信模块通过心跳程序一直监听通信的状态。如果通信能够恢复，机器人停止返航充电房，继续上次被中断的任务；如果未能够恢复通信，到达充电房后便启动报警模块，通过声光报警器显示机器人的异常状态。

同时后台监控中心，在一段时间内没有收到机器人的通信数据便启动报警模块，同时后台变电站工作人员及时对机器人维修处理。

Claims (3)

1.一种基于工业WIFI的通信链路保障方法，其特征在于：

1）硬件通信链路模块：采用基于5.8G工业WIFI的定向天线技术，通信链路采用IEEE802.11n协议；

2）通信协议栈：在TCP通信协议的基础之上增加一种新的通信协议，即使发送端以字节流的顺序发送给接收方的数据接收缓冲区，能够根据该新的通信协议重新组建每一种数据帧，识别每种数据帧的类型，根据收到的字节数据，解析完成的数据帧；然后再根据不同类型的数据帧，决定该数据帧的数据应该交付到系统的哪一个功能模块进行处理；

a1)给数据加帧的边界符，用来区分不同的帧，防止不同的数据帧混淆；

a2)增加一个字节的确认字段，对于不允许丢失的帧要采用确认机制保证送达；

封装TCP数据的帧结构字段包括帧前边界、数据长度部分、确认位、数据部分和帧后边界；帧前边界是两个字节，分别是十六进制的0xAA和0xBB，这两个字节作为设计的协议帧的前边界符，帧后边界分别是十六进制的0xDD、0xEE、0xDD、0xEE这四个边界符；帧前边界符后面的两个字节就是帧的数据长度部分，代表数据部分和确认位两个部分的长度；

确认位部分占用1个字节，代表这个帧的重要性，判断是否需要回复，如果是1则代表需要回复，如果是0则代表可以不回复，即使丢失也不会影响系统的正常运行；

3）通信异常容错处理：防止由于数据通信异常导致巡检机器人和后台监控系统相互等待，发送死锁的现象；包括以下步骤：

b1) 在每个设备巡检点设定一个定时器，在定时器时间范围内，发送方一直等待接收方的数据应答；

b2) 一旦定时器超时，控制模块再次发送控制命令，通知受控方执行上次命令规定的动作；三次尝试之后，如果还没有收到接收方的任务应答，机器人将启动自我控制模块，自动返航到充电房；

b3) 在返回充电房的过程中，通信模块通过心跳程序一直监听通信的状态；如果通信能够恢复，机器人停止返航充电房，继续上次被中断的任务；如果未能够恢复通信，到达充电房后便启动报警模块，通过声光报警器显示机器人的异常状态；

b4) 后台监控中心在一段时间内没有收到机器人的通信数据便启动报警模块，同时后台变电站工作人员及时对机器人维修处理。

2.如权利要求1所述的一种基于工业WIFI的通信链路保障方法，其特征在于：在发送端数据交付给TCP发送端的时候，需要将数据封装到TCP协议栈中，TCP为传输控制协议，具体的封装步骤：

c1) 把要发送的数据首先加上一个数据帧的类型，现在的数据加上该数据的类型就组成了新设计协议的数据部分，并统计整个数据部分的长度；

c2) 在新的协议的数据部分的前部加上两个字节的协议数据长度部分，表示当前帧的数据部分的长度和确认位长度之和；

c3) 如果该帧数据必须送达，确认位置1；否则，置0；

c4) 在新的协议前边界增加帧前边界，0xAA和0xBB代表前边界符；在新的协议后边界增加帧后边界，0xDD、0xEE、0xDD、0xEE代表后边界符；

c5) 把封装好的新协议的帧交付给TCP发送端，等待其发送数据。

3.如权利要求1所述的一种基于工业WIFI的通信链路保障方法，其特征在于：TCP接收端对接收到的数据帧进行解析，具体的数据帧解析步骤如下：

d1) 接收端拿到TCP接收到的数据，缓存在一个数据缓冲区中，并用一个指针，记录当前缓冲区已经使用的位置；

d2) 依次遍历该缓冲区，直到找到数据帧的前边界符0xAA和0xBB，如果没有找到，说明收到的是垃圾信息，直接过滤掉；

d3) 找到帧前边界符后，如果后面的数据长度大于两个字节的长度，那么就解析这两个字段，分析出帧数据部分的长度；如果小于两个字节的长度，那么就继续等待TCP交付数据；

d4) 根据解析出来的帧数据部分的长度，找到帧的后边界符，如果有0xDD、0xEE、0xDD、0xEE这四个字节，那么就找到了一帧，就可以对该帧的类型进行分析，并交付到相应的功能模块；

d5) 如果确认位为1，向发送方发送确认信息；发送方收到确认消息后认为这个消息发送成功；如果发送方限定时间内没有接收到确认消息，发送方重新发送，直到发送成功或者链路中断发出警报；

d6) 如果接收到的数据不足以找到帧的后边界符，那么就继续等待TCP交付新的数据；

d7) 遍历一次数据缓冲区后，把不够一帧且没有遍历的数据直接拷贝到缓冲区的最前端，覆盖掉已经遍历的数据或者垃圾信息，修改当前待遍历的指针，然后继续等待TCP交付数据。

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