CN110557328A - 一种应用于无人机场景的异构多模智能网关设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于无人机场景的异构多模智能网关设备及方法，属于物联网无线通信技术领域，该设备包括通信模组和中央处理器，通信模组包括Wifi、Bluetooth5.0、以太网和4G等各数据收发模块，中央处理器设有数据收发转换、通信质量监测、通信链路切换和通信链路协调各功能模块；通信质量监测模块对各个通信链路进行监测，保障通信的可靠性和有效性，通信链路切换模块能够选择传输效率最高的通信链路进行数据传输；通信链路协调模块用于在通信链路之间同时传输存在互相干扰的情况下协调链路使用。本发明的网关设备，能够实现无人机与遥控器之间的高速链路，并能连通外部网络，存储无人机系统采集到的图像信息以及无人机遥控器组的信令日志。

Description

一种应用于无人机场景的异构多模智能网关设备及方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种应用于无人机场景的异构多模网关设备及数据传输方法。

背景技术

随着通信的发展，使用旧有协议进行通信的设备覆盖面越来越广，并且，许多新的通信协议和旧有协议的新的版本出现在我们的视野中，并很快投入使用。这些协议都有着各自适用的场景，有时往往需要联合使用。这样，他们之间如何能够互相通信协同工作就成了一个亟待解决的问题。目前，使用较多和比较热门的协议类型有，以太网、Wifi、Bluetooth5.0和4G。

以太网最初在20世纪70年代早期开发的，并且被设计为“广播”系统，即网络上的站点可以随时随地发送消息。所有站都可以接收消息，但是只有消息所针对的特定站才会响应。以太网的原始格式使用带有冲突检测的载波侦听多路访问(CSMA/CD)，其传输速率为2.94Mb/s，可支持256个设备电缆伸展1km。随后是以太网版本1.0和2.0，直到IEEE 802.3委员会重新连接以太网II数据包以形成以太网802.3数据包。以太网的“以太”部分表示该系统不限于仅用于一种介质类型，可以使用铜缆，光缆甚至无线电波。借助有线电缆，以太网最大的特点就是稳定与数据传输快。

Wifi是有线网络的替代网络，通常用于以无线模式连接设备。Wifi全城是Wireless Fidelity，指无线局域网或WLAN的IEEE802.11标准。Wifi可以将设备相互连接，连接到互联网和有线网络。同时，它也是一种中距离有效的传输手段，适合传输一些流量比较大的数据。

Bluetooth5.0是蓝牙协议的最新版本，拥有标准v4.2的四倍范围，该标准还将以v4.2的两倍速度传输数据，速度从1Mbps到2Mbps，数据广播容量将增加800％。该协议将大大提升一些近距离设备的连接稳定性和传输速率。

LTE是基于OFDMA技术、由3GPP组织制定的全球通用标准，包括FDD和TDD两种模式用于成对频谱和非成对频谱。LTE-FDD，LTE-TDD，在中国，LTE-TDD简称TD-LTE。全球主流的通讯技术是LTE-FDD。

目前市场上，有许多物联网网关，但是针对这几种协议，特别是较新的Bluetooth5.0协议，还没有相应的网关设备，妨碍了这项优秀技术的普及。另外，现有的网关设备也没有自适应切换的链路的功能，性能有待提升。

发明内容

发明目的：本发明目的在于提供一种应用于无人机场景的异构多模网关设备及数据传输方法，以解决以上提及的协议之间的协作通信，以及尽可能的提高通信效率和稳定性。

技术方案：本发明提供了一种应用于无人机场景的异构多模智能网关设备，包括中央处理器和与中央处理器相连的通信模组；所述中央处理器中的软件程序模块包括数据收发转换模块、通信质量监测模块、通信链路切换模块和通信链路协调模块；所述通信模组包括Wifi模块、Bluetooth5.0模块、以太网模块和4G模块，用于实现多种通信协议下的数据接收和发送，能够接收无人机通过Wifi模块传输的图像信号和蓝牙遥控器通过Bluetooth5.0模块传输的信令信息，并通过多种渠道，包括4G模块和以太网模块，转发到外网；所述数据收发转换模块，用于实现以太网、Wifi、Bluetooth5.0以及4G协议相互之间的转换和通信；所述通信质量监测模块，对通信模组各数据收发模块中的各个通信链路进行监测，保障通信的可靠性和有效性；所述通信链路切换模块，用于在有多种通信链路可选时选择传输效率最高的通信链路进行数据传输；所述通信链路协调模块，用于在Bluetooth5.0模块和Wifi模块共同工作时通信链路之间同时传输数据存在互相干扰的情况下协调链路使用。

作为该智能网关设备的一种实现方式，所述数据收发转换模块对收到的各种协议包进行拆包，提取负载信息，然后重新封装为待发协议的协议包，最后通过相应的数据收发模块发送出去。

作为该智能网关设备的一种实现方式，所述通信质量监测模块能够监测适配的各通信链路，在各种通信链路的通信质量监测单元均实现自动重传机制和校验码校验机制；通信质量监测模块与同该网关建立连接的远端设备均在软件层面上实现这两种机制，远端设备在发送信息时，会附加序列号以及校验码，随后通信质量监测模块会在接收信息之后校验接收到的数据包，如果序列号断开或者校验码验证错误，则发送重传请求。

作为该智能网关设备的一种实现方式，所述通信链路切换模块对于传输效率进行衡量的指标，包括平均传输速率、最坏误码率、平均误码率中的一种或多种。

作为该智能网关设备的一种实现方式，所述通信链路协调模块在软件层面上实现跳频算法，当协议在某一个允许频点上传输效率明显下降时，该模块会将此频点放入忙碌频点队列，并设置出队时间，然后在可用频点队列内取出一个可用频点，随后跳频至该可用频点进行通信；忙碌频点队列中的频点会在指定时间之后自动加入可用频点队列，若连续多次进入忙碌频点队列，则会加倍延长出队时间。

作为该智能网关设备的一种实现方式，该设备还包括触摸显示屏和UART串口，所述触摸显示屏和UART串口与中央处理器相连；所述中央处理器还设有设备管理模块，用来获取设备运行时各模块的运行状态，以及设置自主选择的参数；所述网关设备既可以通过触摸显示屏展示系统信息和用手或鼠标操作，也可以通过UART串口输出系统信息和输入指令操作设备管理模块。

作为该智能网关设备的一种实现方式，所述数据收发转换模块对于接收到的数据包有缓存机制，对于无人机与蓝牙遥控器之间的通信的数据包进行缓存，在网关设备中建立接收到的协议的数据包与待发送协议数据包之间的映射关系，这样，初次转换之后将这一对协议包放入映射表中，下次转换时便不必再次执行转换过程，从映射表中根据映射关系取出转换后的协议包即可。作为设备收发模块的一种实现方式，该模块对于接收到的数据包有缓存机制。对于某些信令数量大但种类少的通信，比如蓝牙遥控器之间的通信，对该种通信的数据包进行缓存，在网关设备中建立接收到的该种协议的数据包与待发送协议数据包之间的映射关系。这样，初次转换之后将这一对协议报放入映射表中，下次转换时便不必再次执行转换过程，之间从映射表中根据映射关系取出转换后的协议包即可。

所述的应用于无人机场景的异构多模智能网关设备，其数据传输过程包括以下几个步骤:设备开机初始化和配置完成后，通信链路切换模块开始检查配置的通信链路，如果用户指定了通信链路，就直接在指定链路上尝试建立连接，否则，就在所有可行的通信链路上发送测试包，进行发送和接收的质量检测，选择最优的通信链路尝试建立连接；通信链路切换模块会一直在后台周期性工作，当检测到有链路的通信效果好于当前链路一个定值之后，就会自动切换至该链路进行通信，如果一次尝试后没能成功建立连接，就等待一段时间然后自动尝试重新建立连接；

当设备接收到数据包后，通信质量监测模块开始工作，如果用户开启了校验机制，设备的通信链路监测模块会进行数据校验，如果没能校验成功，则判断是否开启的自动重传机制，如果是就向数据发送方发送重传请求，否则直接丢弃，然后监听接收下一个到来的数据包；

当通信质量监测模块发现丢包率或者误码率达到一个阈值时，自动启用校验码机制以及自动重传机制，并通知数据发送方需要启用校验机制，当数据传输稳定无误达到一定的时长之后，自动取消校验机制以提高通信效率；当通信质量不佳时，通信链路协调模块也会自动启动，主动检测忙碌的通信频点，并将其放入忙碌频点队列，选择空闲频点提供给数据收发转换模块，再由数据收发转换模块通知数据发送方，待双发协商一致后就切换到空闲频点上进行通信；

当数据包正确接收后，在数据收发转换模块中进行协议转换，在接收到的数据包中将有效数据提取出来，然后再放入发送链路所使用的数据包中，将就绪的数据包发送出去；此后，循环往复数据收发的过程，直至整个传输完成。

有益效果：本发明中的智能网关设备，同时接入以太网、Wifi、Bluetooth5.0和4G通信链路，对多协议之间的转化提供了良好的支持，并且支持的都是较新的协议，满足了使用者对于较高通信质量的需求。同时，该智能网关设备还对个链路进行了通信质量监测，并采取了相应的改善质量的方法，能够较好的保证通信的可靠性。另外，本设备还有链路自动切换的功能，在设定的策略下自主选择合适的通信链路，能够满足多方面的需求。针对有着固定格式并且收发量很大的通信协议报，本设备创造性的使用了缓存机制，有效降低了在转换协议上的时间损耗，大大提高了设备运行效率。并且，本设备还提供了多种方式的输入输出，使得设备可以工作在多种场景中，提高了适用性。最后，除了自主调节能力，本设备还提供给用户自主确定参数的能力，满足用户的定制化要求。总的来说，本发明中的网关设备支持的协议多且新，通信效率高，普适性好，用户体验佳，有着十分广阔的应用范围。

附图说明

图1为本发明实施例中的智能网关设备的硬件架构图。

图2为本发明实施例中的智能网关设备的一种应用场景图。

图3为本发明实施例中的智能网关设备的软件流程图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

本发明实施例提供了一种应用于无人机场景的异构多模智能网关设备，主要包括中央处理器和通信模组，实现了多种协议之间的转换传输以及通信可靠性和有效性的保障。中央处理器中软件在逻辑上划分为，数据收发转换模块、通信质量监测模块、通信链路切换模块、通信链路协调模块。

具体地，从物理上来看，本发明实施例中的智能网关设备主要由如图1所示的几个模块构成：1.中央处理器，这是设备的核心模块，其他所有的模块都接入中央处理器进行数据处理。其中纯软件逻辑的模块，包括通信质量监测模块，通信链路切换模块和通信链路协调模块所需的代码都是放在这其中执行的。另外，它也处理数据收发模块(通信模组中各通信模块)中的协议转换和转发过程；2.电源，用途就是为整个设备供电，一般来说使用交流电供电；3.复位和其他按键，是为给设备提供一些外部输入能力，可以自由定制按键行为，包括中断传输、显示屏幕等等；4.触摸显示屏，提供直观的设备运行状态显示和便捷的输入能力；5.UART串口，相比于触摸显示屏，可以输出更为详细的设备信息，另外也能接收更为复杂的操作指令，进行系统级运维；6.通信模组，包括Wifi模块，Bluetooth5.0模块，以太网模块和4G模块。顾名思义，提供了通信能力，一切的通信都是基于此上进行的。

通信模组，用于实现多种通信协议下的数据接收和发送，能够接收无人机的图像传输信号和蓝牙遥控器的信令信息，并通过多种渠道转发到外网。数据收发转换模块，对收到的各种协议包进行拆包，提取负载信息，然后重新封装为待发协议的协议包，最后通过相应的数据收发模块发送出去。通信质量监测模块，对数据收发模块中的各个通信链路进行监测，用于保障通信的可靠性和有效性；通信链路切换模块，用于在有多种通信链路可选时选择传输效率最高的通信链路进行数据传输，对外传输时可能有多种可用链路，通过此模块选择最佳传输链路；通信链路协调模块，用于在通信链路之间同时传输数据存在互相干扰的情况下协调链路使用，比如共同工作在2.4G频段的Bluetooth5.0和Wifi模块。软件管理模块与显示屏和串口配合，可以用来展示设备运行时各模块的运行状态，并能自主选择参数。既可以通过触摸显示屏展示系统信息和用手或鼠标操作，也可以通过UART串口输出系统信息和输入指令操作设备管理模块。

通信质量监测模块能够监测适配的各通信链路，在各种通信链路的通信质量监测单元均实现自动重传机制，校验码校验机制。该模块与同该网关建立连接的远端设备均在软件层面上实现这两种机制。远端设备在发送信息时，会附加序列号以及自定义算法算出的校验码，随后该模块会在接收信息之后通过已知的算法校验接收到的数据包。如果序列号断开或者校验码验证错误，则发送重传请求。

通信链路切换模块对于传输效率可以使用多种指标进行衡量，包括平均传输速率、最坏误码率、平均误码率等等。

通信链路协调模块在软件层面上实现跳频算法，当协议在某一个允许频点上传输效率明显下降时，该模块会将此频点放入忙碌频点队列，并设置出队时间，然后在可用频点队列内取出一个可用频点，随后跳频至该可用频点进行通信。忙碌频点队列中的频点会在指定时间之后自动加入可用频点队列，若连续多次进入忙碌频点队列，则会加倍延长出队时间。该模块能够显著抑制同时使用Bluetooth5.0和wifi传输时互相之间的干扰。

通信链路协调模块对于接收到的数据包有缓存机制。对于某些信令数量大但种类少的通信，比如蓝牙遥控器之间的通信，对该种通信的数据包进行缓存，在网关设备中建立接收到的该种协议的数据包与待发送协议数据包之间的映射关系。这样，初次转换之后将这一对协议报放入映射表中，下次转换时便不必再次执行转换过程，之间从映射表中根据映射关系取出转换后的协议包即可。

图2展示的是本发明实施例的智能网关设备的无人机应用场景。无人机在空中飞行，进行地面图像采集等工作时，需要较高的传输速率，因此可以另其配备Wifi模块，通过该模块将数据即时传输到智能网关设备，在通过网关的对外联网模块，4G或者以太网模块，将数据转存到外部数据仓库存储，释放无人机存储压力。另外，由于无人机学习有一定的门槛，当某一个学员需要学习无人机操纵技术的时候，需要有一名教练进行指导，以防有意外发生，造成财产和人身损失。这时候，学员遥控器和教练遥控器就组成了一个遥控器组，两者之间距离较短，信息传输速率不高，但对稳定性和即时性有较高的要求，可以采用蓝牙模块进行通信。两者之间的通信日志信息可以发送至智能网关设备，然后通过4G或者以太网模块发送至外网备查。因为遥控器上存储空间有限，为了能够让日志信息完整的传输出去，可在遥控器上选用能够同时实现两套蓝牙协议的Bluetooth5.0芯片，充当蓝牙协议中的主机和从机角色。这样，在教练遥控器与学员遥控器之间进行通信的时候，也可以及时的将日志信息发送给网关设备，减轻了遥控器的存储负担。此外，若有足够日志存储空间，也可在一次指导遥控结束之后，空闲之时将日志同步到网关设备，再发送至外网。当然，无人机和遥控器之间有独立的通信模块，但不在此发明的讨论范围内，故忽略。

如图3所示，是本发明中的智能网关设备的软件流程图。首先，用户开机启动，设备自动进行各模块的初始化工作。然后，用户可以通过UART串口或者触摸显示屏配置各模块的工作参数。配置完成后，通信链路切换模块开始检查配置的通信链路。如果用户指定了通信链路，就直接在该链路上尝试建立连接。否则，该模块就在所有可行的通信链路上发送测试包，进行发送和接收的质量检测，根据返回的数据包测量链路的通信速率、通信延迟和丢包率等等，收集到足够的链路信息之后，就在其中选择最优的通信链路尝试建立连接。该模块会一直在后台周期性工作，当检测到有链路的通信效果好于当前链路一个定值之后，就会自动切换至该链路进行通信。如果一次尝试后没能成功建立连接，就会稍稍等待一段时间然后自动尝试重新建立连接，在用户没有干扰的情况下，会一直尝试直到成功连接为止。随后，设备开始正常接收数据。当设备接收到数据包后，通信质量监测模块开始工作，如果用户开启了校验机制，设备的通信链路监测模块会进行数据校验。如果没能校验成功，则判断是否开启的自动重传机制，如果是就向数据发送端发送重传请求(这里需要发送端也支持重传)，否则直接丢弃，然后监听接收下一个到来的数据包。在默认的情况下，一开始通信时，双方都不会使用完整的校验机制，只会使用序列号进行包排序。当通信质量监测模块发现丢包率或者误码率达到一个阈值时，会自动启用自定义算法的校验码机制以及自动重传机制，并通知数据发送方需要启用校验机制。当数据传输稳定无误达到一定的时长之后，也会自动取消校验机制以提高通信效率。另外，当通信质量不佳时，通信链路协调模块也会自动启动，主动去检测忙碌的通信频点，并将其放入忙碌频点队列，选择空闲频点提供给数据收发转换模块，再由数据收发转换模块通知数据发送方，待双发协商一致后就切换到空闲频点上进行通信。当数据包正确接收后，就会在数据收发转换模块中进行协议转换，在接收到的数据包中将有效数据提取出来，然后再放入发送链路所使用的数据包中。最后，将就绪的数据包发送出去。这就是一个数据包完整的收发流程。此后，循环往复此数据收发的过程，直至整个传输完成。在图2描述的场景中，接收链路就是Wifi和Bluetooth5.0链路，而发送链路则是4G和以太网链路。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (8)

1.一种应用于无人机场景的异构多模智能网关设备，其特征在于：包括中央处理器和与中央处理器相连的通信模组；所述中央处理器中的软件程序模块包括数据收发转换模块、通信质量监测模块、通信链路切换模块和通信链路协调模块；所述通信模组包括Wifi模块、Bluetooth5.0模块、以太网模块和4G模块，用于实现多种通信协议下的数据接收和发送，能够接收无人机通过Wifi模块传输的图像信号和蓝牙遥控器通过Bluetooth5.0模块传输的信令信息，并通过多种渠道，包括4G模块和以太网模块，转发到外网；所述数据收发转换模块，用于实现以太网、Wifi、Bluetooth5.0以及4G协议相互之间的转换和通信；所述通信质量监测模块，对通信模组各数据收发模块中的各个通信链路进行监测，保障通信的可靠性和有效性；所述通信链路切换模块，用于在有多种通信链路可选时选择传输效率最高的通信链路进行数据传输；所述通信链路协调模块，用于在Bluetooth5.0模块和Wifi模块共同工作时通信链路之间同时传输数据存在互相干扰的情况下协调链路使用。

2.根据权利要求1所述的应用于无人机场景的异构多模智能网关设备，其特征在于：所述数据收发转换模块对收到的各种协议包进行拆包，提取负载信息，然后重新封装为待发协议的协议包，最后通过相应的数据收发模块发送出去。

3.根据权利要求1所述的应用于无人机场景的异构多模智能网关设备，其特征在于：所述通信质量监测模块能够监测适配的各通信链路，在各种通信链路的通信质量监测单元均实现自动重传机制和校验码校验机制；通信质量监测模块与同该网关建立连接的远端设备均在软件层面上实现这两种机制，远端设备在发送信息时，会附加序列号以及校验码，随后通信质量监测模块会在接收信息之后校验接收到的数据包，如果序列号断开或者校验码验证错误，则发送重传请求。

4.根据权利要求1所述的应用于无人机场景的异构多模智能网关设备，其特征在于：所述通信链路切换模块对于传输效率进行衡量的指标，包括平均传输速率、最坏误码率、平均误码率中的一种或多种。

5.根据权利要求1所述的应用于无人机场景的异构多模智能网关设备，其特征在于：所述通信链路协调模块在软件层面上实现跳频算法，当协议在某一个允许频点上传输效率明显下降时，该模块会将此频点放入忙碌频点队列，并设置出队时间，然后在可用频点队列内取出一个可用频点，随后跳频至该可用频点进行通信；忙碌频点队列中的频点会在指定时间之后自动加入可用频点队列，若连续多次进入忙碌频点队列，则会加倍延长出队时间。

6.根据权利要求1所述的应用于无人机场景的异构多模智能网关设备，其特征在于：还包括触摸显示屏和UART串口，所述触摸显示屏和UART串口与中央处理器相连；所述中央处理器还设有设备管理模块，用来获取设备运行时各模块的运行状态，以及设置自主选择的参数；所述网关设备既可以通过触摸显示屏展示系统信息和用手或鼠标操作，也可以通过UART串口输出系统信息和输入指令操作设备管理模块。

7.根据权利要求1所述的应用于无人机场景的异构多模智能网关设备，其特征在于：所述数据收发转换模块对于接收到的数据包有缓存机制，对于无人机与蓝牙遥控器之间的通信的数据包进行缓存，在网关设备中建立接收到的协议的数据包与待发送协议数据包之间的映射关系，这样，初次转换之后将这一对协议包放入映射表中，下次转换时便不必再次执行转换过程，从映射表中根据映射关系取出转换后的协议包即可。

8.根据权利要求1-7任一项所述的应用于无人机场景的异构多模智能网关设备的数据传输方法，其特征在于，包括如下步骤：

设备开机初始化和配置完成后，通信链路切换模块开始检查配置的通信链路，如果用户指定了通信链路，就直接在指定链路上尝试建立连接，否则，就在所有可行的通信链路上发送测试包，进行发送和接收的质量检测，选择最优的通信链路尝试建立连接；通信链路切换模块会一直在后台周期性工作，当检测到有链路的通信效果好于当前链路一个定值之后，就会自动切换至该链路进行通信，如果一次尝试后没能成功建立连接，就等待一段时间然后自动尝试重新建立连接；

当设备接收到数据包后，通信质量监测模块开始工作，如果用户开启了校验机制，设备的通信链路监测模块会进行数据校验，如果没能校验成功，则判断是否开启的自动重传机制，如果是就向数据发送方发送重传请求，否则直接丢弃，然后监听接收下一个到来的数据包；

当通信质量监测模块发现丢包率或者误码率达到一个阈值时，自动启用校验码机制以及自动重传机制，并通知数据发送方需要启用校验机制，当数据传输稳定无误达到一定的时长之后，自动取消校验机制以提高通信效率；当通信质量不佳时，通信链路协调模块也会自动启动，主动检测忙碌的通信频点，并将其放入忙碌频点队列，选择空闲频点提供给数据收发转换模块，再由数据收发转换模块通知数据发送方，待双发协商一致后就切换到空闲频点上进行通信；

当数据包正确接收后，在数据收发转换模块中进行协议转换，在接收到的数据包中将有效数据提取出来，然后再放入发送链路所使用的数据包中，将就绪的数据包发送出去；此后，循环往复数据收发的过程，直至整个传输完成。