CN110429972B - 一种船载物联网终端及信息传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种船载物联网终端及信息传输方法，属于物联网技术领域；一种船载物联网通信终端，包括物联网终端模块，接收来自传感器数据接口传来的信息传输至卫星射频单元；卫星射频单元，对发送到卫星的信息进行变频并发送给二维相控阵天线；二维相控阵天线，将变频后的信息发送至同步或中低轨道通信卫星；同步或中低轨道通信卫星，将接收到的信息发送至地面信息处理站；本发明的有益效果是：利用一个终端实现同步或中低轨道轨道卫星的物联网通信，通过卫星的远距离覆盖，解决了传统物联网传输距离近，无法实现跨区域覆盖的信息采集的问题；并实现了在船只静止和运行中的准确和快速的对准卫星，完成信息的实时通信。

Description

一种船载物联网终端及信息传输方法

技术领域

本发明涉及物联网技术领域，具体涉及一种船载物联网终端及信息传输方法。

背景技术

现有的物联网主要是基于运营商地面公共移动通信网络或者自建网关搭建的近距离的封闭物联网络，物联网终端利用VHF\UHF等几百MHz的较低频率实现短距离的无线通信；其必须依赖运营商地面网络或者接入网关，在偏远地区、海洋、空中等区域，在运营商地面网络无法覆盖、或者无法布置接入网关的区域，将不能提供物联网的通信连接。

申请号为201410845811.1的中国专利提出了一种基于北斗卫星定位的冷藏箱专用物联网网关的方法。该专利利用北斗卫星定位功能实现位置信息采集，并将位置、温度等信息通过GPRS传输至平台；因此在此发明专利中卫星仅起到的定位功能，而物联网传输功能由运营商提供GPRS数据通信服务实现。

申请号为201711416665.0的中国专利提出了一种基于多个物联网小卫星组成的物联网星座实现物联网数据采集传输的系统，该专利中的物联网卫星为轨道高度为几百到一千公里左右的低轨道小卫星，且需要几十颗甚至上千颗才能实现实时的大范围地面覆盖，并且从实施到投入运营提供服务需要若干年时间，无法解决当前快速蓬勃的物联网应用发展需要，而且专利中未涉及具体的物联网终端设计和结构等内容。

发明内容

本发明解决的问题在于提供一种船载物联网通信终端及信息传输方法，利用同步或者中低轨道通信卫星，实现跨海域、远距离的移动船载应用环境下的物联网实时通信。

一种船载物联网通信终端，包括传感器数据接口，用于接收外部传感器的检测信息；物联网终端模块，接收来自传感器数据接口传来的信息传输至卫星射频单元；物联网终端模块：包括对外接口、基带单元和处理单元，所述基带单元对来自传感器数据端口数据进行适合卫星信道传输的协议打包；并增加冗余纠错符号用于远距离无线信道传输数据引发的突发性误码纠正；所述基带单元还用于将调制编码后的数据包分组，并对分组后的数据包进行扩频调制，使其适应于远距离卫星信道传输；所述处理单元用于唤醒或休眠基带单元，所述唤醒包括定时唤醒和定点唤醒，所述定时唤醒用于唤醒指定地点内的物联网终端，所述定点唤醒用于唤醒指定区域内的物联网终端；或对地面信息处理站发出的采集指令实现响应并唤醒船载物联网终端完成对所需数据的采集和传输；卫星射频单元，对发送到卫星的信息进行变频并发送给二维相控阵天线；卫星射频单元：包括上变频模块和下变频模块，所述上变频模块对发送到卫星的信息进行上波段变频，所述下变频模块对卫星返回的信息进行下波段变频；二维相控阵天线，将变频后的信息发送至同步或中低轨道通信卫星；二维相控阵天线：通过俯仰方位实现二维扫描，并用于发送至同步轨道通信卫星射频信号的波束跟踪和调制编码；同步或中低轨道通信卫星，将接收到的信息发送至地面信息处理站；地面信息处理站，用于接收卫星传来的信息或向卫星发送采集指令；

船载物联网终端接收传感器传来的数据，并传输至卫星射频单元进行变频，二维相控阵天线将变频后的信息发送至同步或中低轨道通信卫星，同步或中低轨道通信卫星将信息发送至地面信息处理站。

进一步地，若所述卫星射频单元上传信息，船载物联网终端模块通过传感器数据接口采集数据，并对接收到的有效信息进行调制编码；卫星射频单元的上变频模块对调制编码后的上传数据从L波段上变频至L、S、C、X、Ku、Ka或EHF频段信号，二维相控阵天线对变频后的上传数据接收和放大后，发送至同步或中低轨道通信卫星；

若所述卫星射频单元下载信息，则卫星射频单元的下变频模块对同步或中低轨道通信卫星传来的信息从L、S、C、X、Ku、Ka或EHF频段波段信号下变频至L波段，物联网终端模块接收下变频信息后并通过对外数据接口发送至传感器。

进一步地，还包括用于给船载物联网终端供电锂离子电池模块；

用于物联网终端内部控制的驱动控制单元；

用于物联网终端与中心站之间的数据透传的同步轨道通信卫星；

所述锂离子电池模块分别与驱动控制单元、物联网终端模块、传感器数据接口、微型射频单元和二维相控阵天线相互连通，所述驱动控制单元还与物联网终端模块相连通，所述物联网终端模块还分别与卫星射频单元和传感器数据接口相连通，所述卫星射频单元还与二维相控阵天线相连通。

进一步地，所述的船载物联网终端通过定位螺栓或螺钉固定在船体顶端的一侧，所述二维相控阵天线设于终端临空无遮挡的上方。

一种船载物联网信息传输方法，船载物联网终端固定在船体上，随船移动至指定地点或移动巡逻；用于接收船只内部或水面传感器传来的数据信息，并传输至卫星射频单元进行变频，二维相控阵天线将变频后的信息发送至同步或中低轨道通信卫星，同步或中低轨道通信卫星将信息发送至地面信息处理站。

进一步地，所述船载物联网终端可以移动至指定地点或随船在指定区域巡逻，用来接收指定范围内传感器传来的信息，并将信息传输至卫星射频单元实现变频，以使所述卫星能够通过二维相控阵天线的发射行为接收到信号；卫星将信息发送至地面信息处理站；

若需要采集特定信息，则通过地面信息处理站将采集指令发送至卫星，所述卫星经二维相控阵天线将采集指令传输至卫星射频单元，卫星射频单元接收采集指令并发送至物联网终端，物联网终端通过采集指令控制传感器采集信心。

进一步地，所述船载物联网终端包括对外接口和基带单元，所述船载物联网终端通过对外接口与指定地点或指定区域内的传感器相互连接，船载物联网终端接收到对外接口传来的传感器数据后，基带单元对数据进行用于适应卫星信道传输的调制编码，并在调制编码中增加4/5编码率的冗余纠错符号对突发性误码纠正；

船载物联网终端还包括处理单元，所述处理单元用于唤醒或休眠基带单元，所述唤醒包括定时唤醒和定点唤醒，所述定时唤醒用于唤醒指定地点内的物联网终端，所述定点唤醒用于唤醒指定区域内的物联网终端；或对地面信息处理站发出的采集指令实现响应并唤醒船载物联网终端完成对所需数据的采集和传输。

进一步地，所述基带单元对来自传感器数据端口数据进行适合卫星信道传输的协议打包；并增加冗余纠错符号用于远距离无线信道传输数据引发的突发性误码纠正；

所述基带单元还用于将调制编码后的数据包分组，并对分组后的数据包进行扩频调制，使其适应于远距离卫星信道传输。

进一步地，当船在指定区域内的移动时，二维相控阵天线通过驱动单元、驱动控制单元调整波束的指向，实现对准和跟踪同步或中低轨道通信卫星；其中，驱动控制单元分别接收GPS定位模块和姿态航向传感器的信息，确定二维相控阵天线当前的位置、姿态和航向信息，根据同步或中低轨道通信卫星的要求获取二维相控阵天线对准需调整的俯仰角度和方位角度，然后发送给驱动单元；驱动单元根据俯仰角度和方位角度进行调整使二维相控阵天线的波束对准卫星。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

利用物联网数据接口、物联网终端、卫星射频单元和天线集成在一个终端内，实现同步或中低轨道卫星的物联网通信，通过卫星的远距离覆盖，解决了传统物联网传输距离近，无法实现跨海域覆盖的信息采集的问题；同时采用采用二维相控阵天线，实现了终端的小型化、低轮廓，易于安装于各类不同的船只以及移动、固定平台使用，并实现了在船只静止和运行中的准确和快速的对准卫星，完成信息的实时通信。

附图说明

图1为本发明的同步轨道通信卫星物联网终端组成示意图；

图2为本发明的传输数据工作流程示意图；

图3为本发明的相控阵天线跟踪对星流程图；

图4为本发明的物联网终端内部模块示意图；

图5为本发明的物联网终端安装在船上的示意图。

图中：1-船载物联网终端。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。

参见图1-5，一种船载物联网信息传输方法，通过将船载物联网终端接收船上或周边水面物联网传感器传来的数据，采集数据包括位置、温度、湿度、读数等数据，各传感器为自动采集传感器；并传输至卫星射频单元实现变频，以使同步或中低轨道通信卫星能够通过二维相控阵天线的发射行为接收到信号。

船载物联网终端可以在船只停泊或随船只航行中接收一定范围内船载物联网传感器传来的信息，船载物联网传感器自动采集船内外各种传感数据传到船载物联网终端，并传输至卫星射频单元实现变频，以使同步或中低轨道通信卫星能够通过二维相控阵天线的发射行为接收到信号；该信号通过同步卫星转发，由远端的数据中心通过卫星地面站接收后存入数据库，供用户使用。

如图4所示，船载物联网终端通过对外接口与指定地点或指定区域内的传感器相互连接，船载物联网终端接收到对外接口传来的传感器数据后；基带单元对来自传感器数据端口数据进行适合卫星信道传输的协议打包，并增加冗余纠错符号，用于远距离无线信道传输数据引发的突发性误码纠正；基带单元将编码过的数据包分组，并对分组后的每一个组进行扩频调制，实现对信息的频谱扩展，增加了链路预算和带内抗干扰能力，同时降低了对终端内晶振等器件要求，获取更大灵敏度指标同时降低了成本，适合于卫星这类远距离无线信道；物联网终端模块采用了针对远距离无线信道设计的数字信号处理、前向纠错编码和数字扩频调制相融合的方案，当终端接收来自传感器数据端口数据时，基带单元对数据包进行协议打包，使其适合卫星信道传输，并增加冗余纠错符号，可以被及时纠正数据传输进程中由于远距离无线信道引发的突发性误码；

船载物联网终端还包括处理单元，处理单元用于唤醒或休眠基带单元，可以及时调整基带单元的工作状态或对云端发出的采集指令实现响应并唤醒船载物联网终端完成对所需数据的采集和传输，有利于在发出采集指令时就可以启动基带单元完成对指令的采集。

如图3所示，传感器包括姿态传感器和位移传感器；通过姿态传感器和GPS接收机单元获取船只的姿态和航向信息传输至驱动控制单元，驱动控制单控制根据同步或中低轨道通信卫星位置计算二维相控阵天线的俯仰和方位角度并传输到二维相控阵天线内部，二维相控阵天线根据俯仰和方位角度计算结果完成波束的对准卫星，并随着船辆在指定区域内的移动调整波束的指向，对准和跟踪同步或中低轨道通信卫星；其中要实现船只在静止或行进中完成对同步轨道卫星传输，需要二维相控阵天线完成准确的对星跟踪，其工作流程是：终端内部的控制驱动单元配置有BLT901型姿态传感器和GPS接收机，用于测量终端的实时位置和姿态变化；在开机控制驱动单元后会自动获取船只的姿态和航向信息，并根据所选同步卫星经度位置，实时计算二维相控阵天线的俯仰和方位角度，计算的结果通过串口传输到二维相控阵天线内部，天线根据计算结果完成波束的自动对准卫星，并在船只移动中调整波束的指向，并对准和跟踪同步轨道通信卫星。

参照图1，一种船载物联网通信终端，包括：传感器数据接口，用于接收外部传感器的检测信息；物联网终端模块：接收来自传感器数据接口传来的信息，对接收到信息是否有效进行判断，若有效，则进行用于适应卫星信道传输的调制编码并发送至卫星射频单元；

卫星射频单元：包括上变频模块和下变频模块，上变频模块对发送到卫星的信息进行上波段变频，下变频模块对卫星返回的信息进行下波段变频；卫星射频单元将调制后信号变频至卫星频率并进行发射功率放大和低噪声放大接收，与卫星主站网关间建立卫星通信链路。

二维相控阵天线：通过俯仰方位实现二维扫描，并用于发送至同步轨道通信卫星射频信号的波束跟踪、接收和放大。

还包括用于给船载物联网终端供电锂离子电池模块；用于物联网终端内部控制的驱动控制单元；用于物联网终端与中心站之间的数据透传的同步轨道通信卫星；锂离子电池模块分别与驱动控制单元、物联网终端模块、传感器数据接口、微型射频单元和二维相控阵天线相互连通，驱动控制单元还与物联网终端模块相连通，物联网终端模块还分别与卫星射频单元和传感器数据接口相连通，卫星射频单元还与二维相控阵天线相连通。

物联网终端模块对接收到的信息进行调制和编码处理并传送至卫星射频单元，卫星射频单元将处理后的数据上变频至L、S、C、X、Ku、Ka或EHF频段。

对外接口为射频接口、数据接口或电源接口中的一或多个；支持多种物联网传输协议的传感器，如MQT、DDS、AMQP、XMPP、JMS、REST、CoAP等，数据类型包括航运物流、水文海情、电力能源、环境监测等。

船载物联网终端的外形尺寸小于等于250×120×80mm，并通过定位螺栓固定在船只上层平台(三面临空无遮挡)；为了保证终端在船只上面安装，需要船只船顶有足够安装空间，而不需要对固定通信终端的船只做其他特殊要求。

本发明通过物联网模块、同步轨道通信卫星收发放大单元、二维相控阵天线单元、控制单元、锂离子电池等构成一个完整的物联网通信终端，实现利用现有同步轨道通信卫星构建一个跨海域、远距离的船载应用环境下的物联网实时通信功能。其中包括物联网模块及其基带传感器数据通信接口，小型化同步轨道通信卫星收发放大单元及其基带信号和射频信号转换，二维相控阵天线单元及其卫星信号收发，控制单元及其电控制驱动和数据通信信号，锂离子电池单元供电等。

船载物联网终端用于各类物流运输、水文海情、远洋渔业、环境监测等应用场景，可通过有线或无线wifi等的方式连接设置在船内或周边海域各类物联网传感器传来的定位信息、环境监测和海情海况等数据，并传输至卫星射频单元进行变频，二维相控阵天线将变频后的信息发送至同步或中低轨道通信卫星，同步或中低轨道通信卫星将信息发送至地面信息处理站。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (9)

1.一种船载物联网通信终端，其特征在于：

包括传感器数据接口，用于接收外部传感器的检测信息；

物联网终端模块，接收来自传感器数据接口传来的信息传输至卫星射频单元；物联网终端模块：包括对外接口、基带单元和处理单元，所述基带单元对来自传感器数据端口数据进行适合卫星信道传输的协议打包；并增加冗余纠错符号用于远距离无线信道传输数据引发的突发性误码纠正；所述基带单元还用于将调制编码后的数据包分组，并对分组后的数据包进行扩频调制，使其适应于远距离卫星信道传输；所述处理单元用于唤醒或休眠基带单元，所述唤醒包括定时唤醒和定点唤醒，所述定时唤醒用于唤醒指定地点内的物联网终端，所述定点唤醒用于唤醒指定区域内的物联网终端；或对地面信息处理站发出的采集指令实现响应并唤醒船载物联网终端完成对所需数据的采集和传输；

卫星射频单元，对发送到卫星的信息进行变频并发送给二维相控阵天线；卫星射频单元：包括上变频模块和下变频模块，所述上变频模块对发送到卫星的信息进行上波段变频，所述下变频模块对卫星返回的信息进行下波段变频；

二维相控阵天线，将变频后的信息发送至同步或中低轨道通信卫星；二维相控阵天线：通过俯仰方位实现二维扫描，并用于发送至同步轨道通信卫星射频信号的波束跟踪和调制编码；

同步或中低轨道通信卫星，将接收到的信息发送至地面信息处理站；

地面信息处理站，用于接收卫星传来的信息或向卫星发送采集指令。

2.根据权利要求1所述的一种船载物联网通信终端，其特征在于：

若所述卫星射频单元上传信息，船载物联网终端模块通过传感器数据接口采集船载或周边水域的物联网传感器收集的数据，并对接收到的有效信息进行调制编码；卫星射频单元的上变频模块对调制编码后的上传数据从L波段上变频至L、S、C、X、Ku、Ka或EHF频段波段信号，二维相控阵天线对变频后的上传数据接收和放大后，发送至同步或中低轨道通信卫星；

若所述卫星射频单元下载信息，则卫星射频单元的下变频模块对同步或中低轨道通信卫星传来的信息从L、S、C、X、Ku、Ka或EHF频段波段信号下变频至L波段，物联网终端模块接收下变频信息后并通过对外数据接口发送至传感器。

3.根据权利要求1所述的一种船载物联网通信终端，其特征在于：还包括用于给船载物联网终端供电锂离子电池模块；

用于物联网终端内部控制的驱动控制单元；

用于物联网终端与中心站之间的数据透传的同步轨道通信卫星；

所述锂离子电池模块分别与驱动控制单元、物联网终端模块、传感器数据接口、微型射频单元和二维相控阵天线相互连通，所述驱动控制单元还与物联网终端模块相连通，所述物联网终端模块还分别与卫星射频单元和传感器数据接口相连通，所述卫星射频单元还与二维相控阵天线相连通。

4.根据权利要求1所述的船载物联网通信终端，其特征在于：所述的船载物联网终端通过定位螺栓或螺钉固定在船体顶端的一侧，所述二维相控阵天线设于终端临空无遮挡的上方。

5.根据权利要求1所述的一种船载物联网通信终端的信息传输方法，其特征在于：

船载物联网终端固定在船体上，随船移动至指定地点或移动巡逻；用于接收船只内部或水面传感器传来的数据信息，并传输至卫星射频单元进行变频，二维相控阵天线将变频后的信息发送至同步或中低轨道通信卫星，同步或中低轨道通信卫星将信息发送至地面信息处理站。

6.根据权利要求5所述的船载物联网通信终端的信息传输方法，其特征在于：

所述船载物联网终端可以移动至指定地点或随船在指定区域巡逻，用来接收指定范围内传感器传来的信息，并将信息传输至卫星射频单元实现变频，以使所述卫星能够通过二维相控阵天线的发射行为接收到信号；卫星将信息发送至地面信息处理站；

若需要采集特定信息，则通过地面信息处理站将采集指令发送至卫星，所述卫星经二维相控阵天线将采集指令传输至卫星射频单元，卫星射频单元接收采集指令并发送至物联网终端，物联网终端通过采集指令控制传感器采集信心。

7.根据权利要求6所述的船载物联网通信终端的信息传输方法，其特征在于：

所述船载物联网终端包括对外接口和基带单元，所述船载物联网终端通过对外接口与指定地点或指定区域内的传感器相互连接，船载物联网终端接收到对外接口传来的传感器数据后，基带单元对数据进行用于适应卫星信道传输的调制编码，并在调制编码中增加4/5编码率的冗余纠错符号对突发性误码纠正；

船载物联网终端还包括处理单元，所述处理单元用于唤醒或休眠基带单元，所述唤醒包括定时唤醒和定点唤醒，所述定时唤醒用于唤醒指定地点内的物联网终端，所述定点唤醒用于唤醒指定区域内的物联网终端；或对地面信息处理站发出的采集指令实现响应并唤醒船载物联网终端完成对所需数据的采集和传输。

8.根据权利要求7所述的船载物联网通信终端的信息传输方法，其特征在于：所述基带单元对来自传感器数据端口数据进行适合卫星信道传输的协议打包；并增加冗余纠错符号用于远距离无线信道传输数据引发的突发性误码纠正；

所述基带单元还用于将调制编码后的数据包分组，并对分组后的数据包进行扩频调制，使其适应于远距离卫星信道传输。

9.根据权利要求7所述的船载物联网通信终端的信息传输方法，其特征在于，当船在指定区域内的移动时，二维相控阵天线通过驱动单元、驱动控制单元调整波束的指向，实现对准和跟踪同步或中低轨道通信卫星；其中，驱动控制单元分别接收GPS定位模块和姿态航向传感器的信息，确定二维相控阵天线当前的位置、姿态和航向信息，根据同步或中低轨道通信卫星的要求获取二维相控阵天线对准需调整的俯仰角度和方位角度，然后发送给驱动单元；驱动单元根据俯仰角度和方位角度进行调整使二维相控阵天线的波束对准卫星。

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