CN107911318B - 一种一体化工业网络交换系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种一体化工业网络交换系统，包括工业以太网交换单元、光合路与分配单元，无线信号处理单元、波分复用单元和信号传输单元，工业以太网交换单元和光合路与分配单元之间传输光信号，光合路与分配单元将光信号合路后分配端口输出给波分复用单元，无线信号处理单元实现模拟信号的上下链路传输，波分复用单元对模拟信号和数字信号进行合路与分路处理；信号传输单元用于发送波分复用单元分路处理后的信号，信号传输单元接收外部信号发送给波分复用单元处理。本发明的一种一体化工业网络交换系统解决了现有的工业物联网覆盖范围有限的问题，实现了WiFi无线信号和工业以太网信号的较大规模交换和路由，实现了模拟支路与数字支路的合路传输。

Description

一种一体化工业网络交换系统

技术领域

本发明属于网络系统技术领域，具体涉及一种一体化工业网络交换系统。

背景技术

工业物联网作为一种以有线工业以太网、无线Wifi局域网及串口通信技术为基础的信息网络。

如果能将有线网络的高安全性、抗干扰等固有优势与无线技术的灵活、无需布线等优势结合起来，与工业中的各类环境灵活匹配，满足不同环境下的接入需求，就能有效地降低企业的运营成本、提高工作质量和管理效率，使得工业物联网技术与无线技术在工业领域的应用越来越广，而这也是工业领域实现智能化和信息化的必然趋势。

但是，由于分别受到辐射功率和布线难度及成本的限制，无线网络和有线网络的覆盖范围均有限。为实现远距离的传输信号的目的，目前一般采用的方法包括增大无线设备的辐射功率和增加有线网络的网线长度两种。然而，无线设备工作的频段本身限制了辐射功率的增加程度；而当信号覆盖距离过长时，增加有线网络网线的长度会导致网络建设的成本剧烈增加；而且外部环境的复杂度及物体的遮挡也会增加网线的布线难度及限制无线信号的传播，进而对有线及无线信号的远距离传输均造成极大的阻碍。

发明内容

本发明的目的在于提供一种一体化工业网络交换系统，解决了现有的工业物联网覆盖范围有限的问题。

本发明所采用的技术方案是：一种一体化工业网络交换系统，包括工业以太网交换单元、光合路与分配单元，以及若干路匹配的无线信号处理单元、波分复用单元和信号传输单元，

所述工业以太网交换单元和所述光合路与分配单元之间传输不同波长的光信号，所述光合路与分配单元将所述不同波长的光信号合路后再分配端口输出给所述波分复用单元或者所述光合路与分配单元通过分配端口从所述波分复用单元接收不同波长的光信号分路后传输给所述工业以太网交换单元，

所述无线信号处理单元用于实现模拟信号的光电转换或电光转换，将所述模拟信号分为上下链路分开进行传输，

所述波分复用单元对模拟信号和数字信号进行合路与分路处理；

所述信号传输单元用于发送所述波分复用单元分路处理后的信号，所述信号传输单元接收外部信号发送给所述波分复用单元处理。

进一步的，所述光合路与分配单元包括相连的波分复用器和光开关，所述波分复用器用于接收所述工业以太网交换单元发送的不同波长的光信号并将其合成一路光信号，然后通过光开关选择端口传输给所述波分复用单元；或者所述光开关选择端口接收所述波分复用单元发送的光信号，然后通过所述波分复用器将其分为不同波长的光信号传输给所述工业以太网交换单元。

进一步的，每路所述无线信号处理单元包括收发WiFi信号的常规AP点、控制常规AP点通断的矩阵开关单元、以及对信号进行光电转换或电光转换并进行上下链路分离的信号转换模块。

优选的，还包括至少一路备用AP点，当常规AP点发生故障时，所述矩阵开关单元切换至备用AP点与信号转换模块连通接替工作。

事例性的，所述矩阵开关单元为二路射频开关且其数量与所述常规AP点的数量相同，每个所述二路射频开关的一路与对应的所述常规AP点相连、另一路均与所述备用AP点相连。

进一步的，还包括控制电路，所述控制电路用于监控所述光合路与分配单元、无线信号处理单元的工作状态。

进一步的，所述信号转换模块包括用于将WiFi无线信号转变为光信号的三个电光转换单元、用于将光信号转变为WiFi无线信号的三个光电转换单元，用于在矩阵开关单元与电光转换单元、光电转换单元之间进行上下行链路分离的电环路器，以及用于在电光转换单元、光电转换单元与波分复用单元之间进行上下行链路分离的光环路器。

进一步的，所述波分复用单元包括通过光纤链路连接的两个波分复用器，前端的波分复用器用于接收模拟光信号和数字光信号并合为一路信号，然后传输给后端的波分复用器后由所述信号传输单元发出；后端的波分复用器也接收由所述信号传输单元发送的模拟光信号和数字光信号，然后通过前端的波分复用器分配后分别传输给所述无线信号处理单元和光合路与分配单元。

进一步的，所述信号传输单元包括与所述波分复用单元相连的远端射频单元，所述远端射频单元包括光环路器、射频开关、与所述光环路器连接的光电转换单元和电光转换单元、用于对所述光电转换单元输出的信号进行放大的射频功率放大器、与所述电光转换单元电性连接的低噪声放大器、以及与射频开关电性连接的收发一体天线。

进一步的，所述信号传输单元包括与所述波分复用单元相连的远端数字单元，所述远端数字单元包括多个光纤收发器以及与每个所述光纤收发器均连接的网口。

本发明的一种一体化工业网络交换系统解决了现有的工业物联网覆盖范围有限的问题。在该工业网络交换系统中采用了光纤副载波技术、工业以太网技术、矩阵开关单元技术以及光合路与分配技术，因此实现了WiFi无线信号和工业以太网信号的较大规模交换和路由；而且本发明实现了模拟支路与数字支路的合路传输，且模拟支路中的远端射频单元采用一路下行通道和一路上行通道以及收发一体的辐射天线结构，既能实现多种无线信号和有线信号的混合传输，又有结构简单易控制的优点。

附图说明

图1为本发明的一体化工业网络交换系统一个实施例的结构框图；

图2为图1中矩阵开关单元的结构框图；

图3为图1中光合路与分配单元的结构框图；

图4为图1中控制电路的工作流程图；

图5为图1中波分复用单元的结构框图；

图6为图1中远端射频单元的结构框图；

图7为图1中远端数字单元的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

参考图1，提供了本发明一种一体化工业网络交换系统的一个实施例，包括：无线信号处理单元100，工业以太网交换单元110，光合路与分配单元120，对模拟支路和数字支路进行合路与分路的波分复用单元130，远端射频单元140，远端射频单元140包含一个收发一体的辐射天线160，远端数字单元150，对矩阵开关单元102和光合路与分配单元120进行控制的控制电路190，用于在无线与有线信号处理单元和远端单元之间传递信号的数字支路光纤传输链路170和模拟支路光纤传输链路180。

在本实施例中，无线信号处理单元100包括三个用于正常收发WiFi无线信号的常规AP点101A-101C和一个用于冗余的备用AP点101D，用于实现备用AP点101D实时替换在线AP点101A、101B或101C的矩阵开关单元102，还包括用于将WiFi无线信号转变为光信号的三个电光转换单元1041、用于将光信号转变为WiFi无线信号的三个光电转换单元1051、用于在矩阵开关单元102与电光转换单元1041及光电转换单元1051之间进行上下行链路分离的三个电环路器1031，用于在电光转换单元1041及光电转换单元1051与波分复用单元130之间进行上下行链路分离的三个光环路器1061。优选的，其中四个矩阵开关单元102、即part1-part4可以为一个整体。

无线信号处理单元100中的电环路器1031和光环路器1061均为单向环路传输器件，二者同时使用实现了无线信号处理单元100的上下行分离。当电信号从AP点101A-101D输入，经过矩阵开关单元102传输至电环路器1031的端口P11，经电环路器1031的转换从端口P12输出，再由电光转换单元1041转化成光信号，通过端口P14输入至光环路器1061，最后从光环路器1061的端口P16输出到波分复用单元130，上述链路构成了无线信号处理单元100的下行通道。

从端口P16输入的光信号，经光环路器1061转换，从端口P15输出，再由光电转换单元1051转化成电信号，通过端口P13输入至电环路器1031，最后从电环路器1031的端口P11输出到矩阵开关单元102，上传至AP点101A-101D，上述链路构成了无线信号处理单元100的上行通道。

参照图2，给出本实施例中无线信号处理单元100的矩阵开关单元102的详细结构框图。如图2所示，矩阵开关单元102用于实现备用AP点101D实时替换常规AP点101A、101B或101C的功能。从结构上看，矩阵开关单元102包括三个二路射频开关210A-210C。当三个在线AP点101A-101C中的一个出现故障时，可用备用AP点101D替换故障AP点101A或101B、101C。

在正常情况下，无线信号处理单元100中的三个AP点101A-101C一直处于工作状态，图2中的端口P211、P221、P231分别与端口P212、P222、P232相连，信号从三个AP点101A-101C输入，通过无线信号交换和波分复用传输，分布到对应的远端射频单元140中。当其中一个AP点出现故障时，以AP1、101A为例，信号不能从故障的AP1、101A输入，可控制矩阵开关单元102，将与故障的AP1、101A相连的开关210A断开，即断开端口P211与端口P212的连接，转接至备用AP点101D，即连接端口P211与端口P213，从而使得信号可从备用AP点101D输入，传输至对应的电环路器1031及之后的链路。

AP2、101B和AP3、101C出现故障时的信号处理方法与AP1、101A出现故障时相同，在此不再赘述。

当然，备用AP点和矩阵开关单元的数量可以根据需要进行调整。

参照图3，本实施例给出一种光合路与分配单元120的结构框图。光合路与分配单元120用于实现数字支路中四路光信号的合路与分配。光合路与分配单元120为8端口器件，其中四个端口为输入端P31、P32、P33和P34，四个端口为输出端P35、P36、P37和P38。

光合路与分配单元120包括一个波分复用器301和一个四路光开关302。工业以太网交换单元110输出四种不同波长的光信号λ1、λ2、λ3和λ4，分别由端口P31、P32、P33和P34进入光合路与分配单元120，经波分复用器301合成一路，再输入至四路光开关302。

输入至四路光开关302的合路信号，可在光开关302的控制下从端口P35-P37中的任意一个端口输出，其中端口P38不接任何电路。上述光合路与分配单元120实现四路数字光信号的合路与分配。

图4则给出本实施例控制单元190的工作流程图，控制单元190采用STM32F103RCT6芯片，可以提供两种控制方式：接收串口HMI屏的指令，或者接收系统服务器的指令。通过接收指令、译码、数据转换，实施对矩阵开关单元102和光合路与分配单元120中的四路光开关302控制状况的监视和控制。

图5为本实施例中波分复用单元130的系统框图。波分复用单元130包括两个波分复用器401、402和连接两个波分复用器的光纤链路403。

波分复用单元130为7端口器件，两个输入端口P41和P42分别接模拟光支路和数字光支路；五个输出端口P43-P47，其中，端口P43后接远端射频单元140，P44-P47通过光纤分别与远端数字单元150的四个输入端口相连，波分复用单元130与远端数字单元150的四个输入端口之间分别传输波长为λ1、λ2、λ3和λ4的光信号。

波分复用单元130中波分复用器401用于将模拟光支路和数字光支路合为一路信号，通过光纤403传输至波分复用器402，波分复用器402将合路信号分路为五路信号，分别传输至远端射频单元140和远端数字单元150。所述波分复用单元130实现了模拟支路的信号与数字支路的信号的合路与分路。

参考图6，每个远端射频单元140包括：光环路器501、射频开关506、与光环路器501通过光纤连接的光电转换单元502和电光转换单元503、用于对所述光电转换单元502输出的信号进行放大的射频功率放大器504、与所述电光转换单元503电性连接的低噪声放大器505、与射频开关506电性连接的收发一体天线160。

远端射频单元140实现无线信号处理单元100的下行光信号转换为无线电信号及无线信号功率放大，并通过辐射天线160辐射出去；同时，通过辐射天线160接收上行无线电信号，并转换为光信号，通过波分复用单元130上传至无线信号处理单元100的上行输入端口。

远端射频单元140由一路下行通道和一路上行通道构成，可以同时处理下行光信号和上传光信号。上行光信号的波长与下行光信号的波长相同。

从波分复用单元130输出端口P43输出的光信号从光环路器501的输入端口P51输入，经光环路器501转换由端口P52输出，再由光电转换单元502转换为无线信号，然后由射频功率放大器504放大，最后从辐射天线发射160出去，从而构成远端射频单元140的下行通道。

经天线160接收的无线信号，经低噪声放大器505放大，然后由电光转换单元503转换成光信号，由端口P53输入光环路器501，经光环路器501转换后，通过端口P51输出，由波分复用单元130上传到无线信号处理单元100，从而构成远端射频单元140的上行通道。

本实施例中电光转换单元502的激光器和光电转换的探测器使用相同波长：λ5＝1310nm。

优选的，远端射频单元140设计为一组收发一体的辐射天线，完成一个通道信号的收发。

图7给出本实施例中远端数字单元150的系统框图。远端数字单元150由四个光纤收发器601-604和通过网线分别与四个光纤收发器601-604连接的四个网口605-608构成。从端口P44-P47输入的波长分别为λ1、λ2、λ3和λ4的光信号，分别经过四个光纤收发器601-604转化成电信号，最后通过网线传输至四个网口605-608。

本发明中工业以太网交换单元110和光合路与交换单元120之间的四路光信号，以及波分复用单元130与远端数字单元150之间的四路光信号使用四组波长：λ1＝1470nm、λ2＝1510nm、λ3＝1550nm和λ4＝1590nm。

优选地，所述模拟光纤传输链路170为单模光纤传输链路，并且其工作波长为1550nm。

优选地，所述模拟光纤传输链路180为单模光纤传输链路，并且其工作波长为1310nm。

本实施例的无线信号处理单元100，工业以太网交换单元110，光合路与分配单元120，波分复用单元130，远端射频单元140，远端数字单元150，控制电路190，数字支路光纤传输链路170和模拟支路光纤传输链路180构成完整的一体化工业网络系统，实现WiFi无线信号与工业以太网信号的交换与分配以及远距离分布。

下面根据上述本实施例一种一体化工业网络系统的结构，详细描述其

工作原理：

对于下行链路，以AP1、101A为例，无线信号从AP1 101A接入无线信号处理单元100，经电光转换器1041转换成光信号，接入波分复用单元130的端口P41，电光转换单元1041将下行无线信号调制在波长λ5上；当AP1、101A发生故障时，矩阵开关单元102切换至AP4、101D，无线信号从AP4、101D输入，并传输至与AP1、101A相对应的波分复用单元130的端口P41。同时，从工业以太网交换单元110输出的四路光信号经光合路与交换单元120合成一路信号，工业以太网交换单元110输出的四路光信号波长分别为λ1、λ2、λ3和λ4，从Port1、Port2和Port3中任意一个端口输出，输出的光信号从波分复用单元130中的端口P42输入。分别从波分复用单元130的端口P41和P42输入的两路信号，经波分复用单元130合成一路信号，传输至远端，再利用波分复用器402分成五路信号。波长λ5的信号传输至相应的远端射频单元140，并辐射出去，覆盖相应区域；波长为λ1、λ2、λ3和λ4的四路信号分别传输至远端数字单元150中的四个端口P44-P47，并通过对应网口接出。上行链路的传输路线与下行链路基本一致，方向相反，区别在于上行链路从模拟支路中，远端射频单元140包含电光转换单元503的上行链路与无线信号处理单元100中包含光电转换单元1051的上行链路传输。接入电光转换单元503的光信号波长也为λ5。

本实施例中的工业以太网交换单元110的四路信号工作波长分为λ1＝1470nm、λ2＝1510nm、λ3＝1550nm、λ4＝1590nm。

本实施例中的无线信号处理单元100中，电光转换单元1041和光电转换单元1051分别使用的激光器和探测器的工作波长均为λ5＝1310nm。

事例性的，本实施例中的WiFi接入的AP点101A-101D采用802.11n标准，工作在2.4GHz频段。

上述实施例详细说明了模拟信号和数字信号同时工作然后通过远端射频单元和远端数字单元传输出去的过程。很显然的，也存在只需传输数字信号或者模拟信号的情况，由于模拟支路和数字支路的工作波长不同，而波分复用单元的作用就是根据不同波长的信号将其分配到对应的支路上，另一路支路是否接收到信号不会影响该工作支路的信号分配和传输。

更进一步的，本发明的工业网络交换系统还可以接收数字信号和/或模拟信号，整个接收过程与信号发送时的传输过程正好相反。

概括而言，本发明提供了一种集成矩阵开关单元技术、光纤副载波技术、工业以太网技术和光合路与分配技术于一体的一体化工业网络交换系统，有效地实现WiFi无线信号与工业以太网信号的路由、分配和光纤分布。

本实施例中实现了3路模拟支路的WiFi无线信号和4路数字支路的光信号的路由、分配和光纤分布。由此可知，当需要处理较多路信号时，可以扩展矩阵开关单元和工业以太网交换单元，实现多路无线信号的交换和光纤分布。

本实施例中的3路模拟无线信号均为WiFi无线信号，但是也可以接入2G、3G和4G移动通信信号，实现WiFi、2G、3G和4G信号的混合路由、交换和光纤分布。

本实施例中λ1、λ2、λ3和λ4使用的光波长为粗波分复用(CWDM)标准的1470～1610nm的4个波长，当然也可以使用其他标准波长。

以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照该实施例对本发明已进行了详细的说明；但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换；而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的保护范围当中。

Claims (7)

1.一种一体化工业网络交换系统，其特征在于，包括工业以太网交换单元、光合路与分配单元，以及若干路匹配的无线信号处理单元、波分复用单元和信号传输单元，

所述工业以太网交换单元和所述光合路与分配单元之间传输不同波长的光信号，所述光合路与分配单元将所述不同波长的光信号合路后再分配端口输出给所述波分复用单元或者所述光合路与分配单元通过分配端口从所述波分复用单元接收不同波长的光信号分路后传输给所述工业以太网交换单元；

所述无线信号处理单元用于实现模拟信号的光电转换或电光转换，将所述模拟信号分为上下链路分开进行传输；

所述波分复用单元对模拟信号和数字信号进行合路与分路处理，具体包括通过光纤链路连接的两个波分复用器，前端的波分复用器用于接收模拟光信号和数字光信号并合为一路信号，然后传输给后端的波分复用器后由所述信号传输单元发出；后端的波分复用器也接收由所述信号传输单元发送的模拟光信号和数字光信号，然后通过前端的波分复用器分配后分别传输给所述无线信号处理单元和光合路与分配单元；

所述信号传输单元用于发送所述波分复用单元分路处理后的信号，所述信号传输单元接收外部信号发送给所述波分复用单元处理；所述信号传输单元具体包括与所述波分复用单元分别相连的远端射频单元和远端数字单元，所述远端射频单元包括光环路器、射频开关、与所述光环路器连接的光电转换单元和电光转换单元、用于对所述光电转换单元输出的信号进行放大的射频功率放大器、与所述电光转换单元电性连接的低噪声放大器、以及与射频开关电性连接的收发一体天线，所述远端数字单元包括多个光纤收发器以及与每个所述光纤收发器均连接的网口。

2.如权利要求1所述的一种一体化工业网络交换系统，其特征在于，所述光合路与分配单元包括相连的波分复用器和光开关，所述波分复用器用于接收所述工业以太网交换单元发送的不同波长的光信号并将其合成一路光信号，然后通过光开关选择端口传输给所述波分复用单元；或者所述光开关选择端口接收所述波分复用单元发送的光信号，然后通过所述波分复用器将其分为不同波长的光信号传输给所述工业以太网交换单元。

3.如权利要求1所述的一种一体化工业网络交换系统，其特征在于，每路所述无线信号处理单元包括收发WiFi信号的常规AP点、控制常规AP点通断的矩阵开关单元、以及对信号进行光电转换或电光转换并进行上下链路分离的信号转换模块。

4.如权利要求3所述的一种一体化工业网络交换系统，其特征在于，还包括至少一路备用AP点，当常规AP点发生故障时，所述矩阵开关单元切换至备用AP点与信号转换模块连通接替工作。

5.如权利要求4所述的一种一体化工业网络交换系统，其特征在于，所述矩阵开关单元为二路射频开关且其数量与所述常规AP点的数量相同，每个所述二路射频开关的一路与对应的所述常规AP点相连、另一路均与所述备用AP点相连。

6.如权利要求4或5所述的一种一体化工业网络交换系统，其特征在于，还包括控制电路，所述控制电路用于监控所述光合路与分配单元、无线信号处理单元的工作状态。

7.如权利要求3所述的一种一体化工业网络交换系统，其特征在于，所述信号转换模块包括用于将WiFi无线信号转变为光信号的三个电光转换单元、用于将光信号转变为WiFi无线信号的三个光电转换单元，用于在矩阵开关单元与电光转换单元、光电转换单元之间进行上下行链路分离的电环路器，以及用于在电光转换单元、光电转换单元与波分复用单元之间进行上下行链路分离的光环路器。

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