CN109982408B - 支持多路转发的无线中继系统及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种支持多路转发的无线中继系统及其使用方法，包括互相连接的第一、二无线模组，第一无线模组、第一平衡匹配阻抗模块、第一发射功率增强模块、第一射频天线依次连接，第一无线模组还连接第一人机交互模块；第二无线模组、第二平衡匹配阻抗模块、第二发射功率增强模块、第二射频天线依次连接，第二无线模组还连接第二人机交互模块；电源模块连接第一、二无线模组。本发明采用ZigBee无线通信技术，支持设备组网，设备接入性好，兼容性高；支持中继器级联使用，支持对多个设备的数据中继与转发；设备体积小，安装简易，免维护；延长了无线设备之间的通信距离，增强了通信可靠性，拓宽了无线通信的覆盖范围。

Description

支持多路转发的无线中继系统及其使用方法

技术领域

本发明主要涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种支持多路转发的无线中继系统及其使用方法。

背景技术

无线通信技术在工业物联网领域有着较高的应用占比，具有良好的市场前景。无线通信相较于传统的有线通信，有着无法比拟的优越性，比如成本低、安装便捷、工程量小以及通信安全等。

目前，应用在工业监控领域的无线通信常采用2.4GHz通信频率，网络拓扑往往采用简单的星形拓扑结构，即“中心节点+终端节点”的形式，终端数据汇聚到中心节点统一上送，下行数据也经由中心节点再相应下发。在链路拓扑方面，也是单跳的设计思想。

上述“中心节点+终端节点”形式的网络在实际使用中存在一些明显的缺点：

1、无线通信具有很强的指向性，单跳的链路拓扑设计无法对处于信号盲区的设备进行监控；

2、在环境复杂或者距离较远的监控点，无线信号较差，容易丢失数据；

3、监控传输范围受限于2.4GHz无线通信的最远距离，难以大规模扩展。

发明内容

本发明要解决的技术问题是如何延长无线设备之间的通信距离，增强通信可靠性，拓宽无线通信的覆盖范围。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种支持多路转发的无线中继系统，包括互相连接的第一无线模组和第二无线模组，第一无线模组、第一平衡匹配阻抗模块、第一发射功率增强模块、第一射频天线依次连接，第一无线模组还连接第一人机交互模块；第二无线模组、第二平衡匹配阻抗模块、第二发射功率增强模块、第二射频天线依次连接，第二无线模组还连接第二人机交互模块；电源模块连接第一无线模组和第二无线模组。

优选地，所述第一无线模组和第二无线模组均采用主控单元SoC，所述主控单元SoC包括中央处理器、RF调制解调单元、ZigBee协议栈、电源管理单元和UART串口单元，中央处理器连接RF调制解调单元、ZigBee协议栈、电源管理单元和UART串口单元。

更优选地，所述第一无线模组的中央处理器连接所述第一人机交互模块，所述第二无线模组的中央处理器连接所述第二人机交互模块。

更优选地，所述第一无线模组的UART串口单元和所述第二无线模组的UART串口单元连接。

进一步地，所述第一无线模组和第二无线模组单独运行各自的控制程序，实现对经过链路的其他设备无线数据包的接收与发送；所述第一无线模组和第二无线模组之间采用UART串口单元通信，完成数据交互后，由各自控制程序的路由转发机制进行寻址，最后由RF射频调制解调单元实现数据无线化。

更优选地，所述第一无线模组的RF调制解调单元通过所述第一平衡匹配阻抗模块连接所述第一发射功率增强模块的输入端，所述第二无线模组的RF调制解调单元通过所述第二平衡匹配阻抗模块连接所述第二发射功率增强模块的输入端。

优选地，所述第一平衡匹配阻抗模块和第二平衡匹配阻抗模块均采用Balun器件。

优选地，所述第一发射功率增强模块和第二发射功率增强模块均采用功率放大器。

优选地，所述第一人机交互模块和第二人机交互模块均包括操作按键模块和LED指示灯。

本发明还提供上述的支持多路转发的无线中继系统的使用方法，其特征在于，步骤为：

步骤1、第一无线模组和第二无线模组都加入到现有的无线网络中，成为局域网的一个数据转发者；

步骤2、第一无线模组和第二无线模组首先工作在侦听模式，探测当前是否有设备在发送数据包，如果有，则第一无线模组和第二无线模组均获取所述数据包；

步骤3、分析所述数据包中的发送方地址和接收方地址，进而判断所述数据包是上行数据还是下行数据；

步骤4、如果是下行数据，则第一无线模组执行路由表学习动作；如果是上行数据，则第二无线模组执行路由表学习动作；所示路由表学习动作是指记录下当前数据包的流向，保证路由表信息掉电不丢失；

步骤5、如果是下行数据，则第一无线模组将需要转发的数据包传输到第二无线模组，随后附带一帧路由路径的信息；第二无线模组根据第一无线模组提供的路由路径，在自身的路由表中查找目的地址，随后完成转发工作；

如果是上行数据，则第二无线模组将需要转发的数据包传输到第一无线模组，随后附带一帧路由路径的信息；第一无线模组根据第二无线模组提供的路由路径，在自身的路由表中查找目的地址，随后完成转发工作。

与现有技术相比，本发明提供的支持多路转发的无线中继系统具有如下有益效果：

1、采用工作在ISM频段的ZigBee 2.4GHz无线通信技术，全球通用，使用ZigBee标准协议，支持设备组网，设备接入性好，兼容性高；

2、支持中继器级联使用，支持对多个设备的数据中继与转发，支持一对多形式的数据转发；

3、设备体积小，安装简易，免维护；

4、空旷环境下直线传输距离达300米，延长了无线设备之间的通信距离，增强了通信可靠性，拓宽了无线通信的覆盖范围。

附图说明

附图通过示例说明本发明，而非限制本发明。类似的附图标记指代类似的元件。

图1为本实施例提供的支持多路转发的无线中继系统框图。

具体实施方式

参考本文阐述的详细图和描述，可以最好地理解本公开。

图1为本实施例提供的支持多路转发的无线中继系统框图，所述的支持多路转发的无线中继系统主要由无线模组、平衡匹配阻抗模块、发射功率增强模块、射频天线、电源模块、人机交互模块等几部分组成，具有很高的集成度。

无线模组、平衡匹配阻抗模块、发射功率增强模块、射频天线、人机交互模块均设有两组，两组结构相同。第一无线模组、第一平衡匹配阻抗模块、第一发射功率增强模块、第一射频天线依次连接，第一无线模组还连接第一人机交互模块；第二无线模组、第二平衡匹配阻抗模块、第二发射功率增强模块、第二射频天线依次连接，第二无线模组还连接第二人机交互模块；电源模块连接第一无线模组和第二无线模组。

其中，无线模组采用主控单元SoC(Silicon Labs EM357)，平衡匹配阻抗模块采用Balun器件，发射功率增强模块采用功率放大器SE2432L。

功率放大器SE2432L的输入端与主控单元SoC(Silicon Labs EM357)的RF功能脚直连，包括TxN，TxP和RxN，RxP。功率放大器SE2432L的输出端与射频天线连接。

主控单元SoC包括中央处理器、RF调制解调单元、ZigBee协议栈、电源管理单元和UART串口单元等，中央处理器连接RF调制解调单元、ZigBee协议栈、电源管理单元和UART串口单元，中央处理器还连接人机交互模块。

RF调制解调单元通过Balun器件连接功率放大器SE2432L的输入端，第一无线模组和第二无线模组的UART串口单元连接。电源管理单元连接电源模块。

两块无线模组单独运行各自的控制程序，实现对经过链路的其他设备无线数据包的接收与发送，包括上行与下行，无线模组自身不会篡改和偷窃数据包。两块无线模组之间采用UART串口通信，完成数据交互后，由各自控制程序的先进的路由转发机制进行寻址，最后由RF射频调制解调单元实现数据无线化。

Balun器件起到匹配线路阻抗的作用；SE2432L功率放大IC芯片对无线模组的射频信号发射功率二次放大，提升无线传输距离。

电源模块支持5～12V超宽电压DC直流输入，输出DC 3.3V为整套系统供电。具有供电范围广，纹波小，带载能力强的特点。

人机交互模块包括操作按键模块和LED指示灯，用于ZigBee组网和软件调试、工况指示。

本实施例提供的支持多路转发的无线中继系统的使用方法如下：

步骤1、第一无线模组和第二无线模组都需要加入到现有的ZigBee无线网络中，成为局域网的一个数据转发者。

步骤2、第一无线模组和第二无线模组首先工作在侦听模式，探测当前是否有ZigBee设备在发送数据包，如果有，则第一无线模组和第二无线模组均获取该帧数据包。

步骤3、分析数据包中的发送方地址(源地址)和接收方地址，根据此来判断数据包是上行还是下行。

步骤4、如果是下行数据，则第一无线模组执行路由表学习动作。如果是上行数据，则第二无线模组执行路由表学习动作。路由表学习动作，即主控单元SoC(Silicon LabsEM357)记录下当前数据包的流向。路由表信息掉电不丢失。

步骤5、如果是下行数据，则第一无线模组通过主控单元SoC(Silicon LabsEM357)的UART串口单元，将需要转发的数据包传输到第二无线模组的主控单元SoC(Silicon Labs EM357)中，随后附带一帧路由路径的信息。第二无线模组根据第一无线模组提供的路由路径，在自身的路由表中查找目的地址，随后完成转发工作。

如果是上行数据，则第二无线模组通过主控单元SoC(Silicon Labs EM357)的UART串口单元，将需要转发的数据包传输到第一无线模组的主控单元SoC(Silicon LabsEM357)中，随后附带一帧路由路径的信息。第一无线模组根据第二无线模组提供的路由路径，在自身的路由表中查找目的地址，随后完成转发工作。

其中，ZigBee协议栈支持了应答机制，最大程度保证数据包的正确到达。

此外，定期清除长期不活跃的路由路径，以增加路由表寻址的效率。

本实施例提供的支持多路转发的无线中继系统具有如下特性：

1、采用了双模块+双天线设计，收发双线程的设计支持全双工无线数据收发，提升数据转发效率。

2、支持路由表学习功能，数据转发采用查表方式，寻址效率高。避免了重复查找，节省时间。

3、射频天线连接放电管，具有防雷、防静电特性。

4、无线模组增加屏蔽罩，进一步保证设备准确运行。

Claims (7)

1.一种支持多路转发的无线中继系统，其特征在于：包括互相连接的第一无线模组和第二无线模组，第一无线模组、第一平衡匹配阻抗模块、第一发射功率增强模块、第一射频天线依次连接，第一无线模组还连接第一人机交互模块；第二无线模组、第二平衡匹配阻抗模块、第二发射功率增强模块、第二射频天线依次连接，第二无线模组还连接第二人机交互模块；电源模块连接第一无线模组和第二无线模组；

所述第一无线模组和第二无线模组均采用主控单元SoC，所述主控单元SoC包括中央处理器、RF调制解调单元、ZigBee协议栈、电源管理单元和UART串口单元，中央处理器连接RF调制解调单元、ZigBee协议栈、电源管理单元和UART串口单元；

所述第一无线模组的UART串口单元和所述第二无线模组的UART串口单元连接，电源管理单元连接电源模块，所述第一无线模组和第二无线模组单独运行各自的控制程序，实现对经过链路的其他设备无线数据包的接收与发送，包括上行与下行；所述第一无线模组和第二无线模组之间采用UART串口单元通信，完成数据交互后，由各自控制程序的路由转发机制进行寻址，最后由RF射频调制解调单元实现数据无线化。

2.如权利要求1所述的支持多路转发的无线中继系统，其特征在于：所述第一无线模组的中央处理器连接所述第一人机交互模块，所述第二无线模组的中央处理器连接所述第二人机交互模块。

3.如权利要求1所述的支持多路转发的无线中继系统，其特征在于：所述第一无线模组的RF调制解调单元通过所述第一平衡匹配阻抗模块连接所述第一发射功率增强模块的输入端，所述第二无线模组的RF调制解调单元通过所述第二平衡匹配阻抗模块连接所述第二发射功率增强模块的输入端。

4.如权利要求1所述的支持多路转发的无线中继系统，其特征在于：所述第一平衡匹配阻抗模块和第二平衡匹配阻抗模块均采用Balun器件。

5.如权利要求1所述的支持多路转发的无线中继系统，其特征在于：所述第一发射功率增强模块和第二发射功率增强模块均采用功率放大器。

6.如权利要求1所述的支持多路转发的无线中继系统，其特征在于：所述第一人机交互模块和第二人机交互模块均包括操作按键模块和LED指示灯。

7.一种如权利要求1~6所述的支持多路转发的无线中继系统的使用方法，其特征在于，步骤为：

步骤1、第一无线模组和第二无线模组都加入到现有的无线网络中，成为局域网的一个数据转发者；

步骤2、第一无线模组和第二无线模组首先工作在侦听模式，探测当前是否有设备在发送数据包，如果有，则第一无线模组和第二无线模组均获取所述数据包；

步骤3、分析所述数据包中的发送方地址和接收方地址，进而判断所述数据包是上行数据还是下行数据；

步骤4、如果是下行数据，则第一无线模组执行路由表学习动作；如果是上行数据，则第二无线模组执行路由表学习动作；所示路由表学习动作是指记录下当前数据包的流向，保证路由表信息掉电不丢失；

步骤5、如果是下行数据，则第一无线模组将需要转发的数据包传输到第二无线模组，随后附带一帧路由路径的信息；第二无线模组根据第一无线模组提供的路由路径，在自身的路由表中查找目的地址，随后完成转发工作；

如果是上行数据，则第二无线模组将需要转发的数据包传输到第一无线模组，随后附带一帧路由路径的信息；第一无线模组根据第二无线模组提供的路由路径，在自身的路由表中查找目的地址，随后完成转发工作。