CN111405588B - 一种高速无线测试网络系统架构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高速无线测试网络系统架构，用于高速动态过程中参数的大范围无线测试，所述的系统架构采用基于WIFI的无线网络和平面树形的网络结构，具有多种网络拓扑，支持无线远距离传输，所述的系统架构分为感知层、数据链路层、网络层和应用层；所述的感知层用于完成效应参数的感知、高速采集、数字信号生成、存储和无线通信收发；所述的数据链路层用于完成统一数据帧设计生成、收发冲突检测和差错控制；所述的网络层用于实现感知层设备之间的数据高速互联通信；所述的应用层包括无线测控软件平台及其应用服务，具有对感知层设备的实时定位功能。本发明解决了高速动态参数的无线测试问题。

Description

一种高速无线测试网络系统架构

技术领域

本发明涉及动态无线测试技术，具体是一种高速无线测试网络系统架构。

背景技术

近年来，随着无线通信技术和信息技术的高速发展，无线传感器网络的相关研究已经比较成熟，集传感、数据采集、无线组网功能于一体的无线传感器网络已经利用在军事侦察、环境监测、精细农业、智能家居、建筑结构健康监测等领域。无线传感器网络的大范围内的信息感知能力也被用来进行试验过程中的信号测试，但对于高速动态过程（如爆炸、冲击过程），由于需要测试的参数变化快，时间短，因此要求节点设备的采样率高（通常大于1MSPS），动态过程测试中会大容量的数据流，基于传统无线传感器网络架构的测试系统无能为力。

目前，北京理工大学、中北大学、南京理工大学、部分国内科研机构和企业也开发了用于动态试验参数测量的专用无线测试设备，但是这些设备大都是在传统的有线测试设备或存储测试设备基础上扩展了无线通信功能，可部分解决试验中动态过程特定参数的测试问题。而对于爆炸效应这种大范围内分布的快变参数测量，如采用无线传感网络进行测试，不仅要求单个节点设备具有高的采样率和大的存储容量，还要求节点具有较高的数据无线传输速率，不同节点采集设备之间的时间同步精度高；同时由于采样率高，采集设备不能一直保持采样状态，通常采用等待触发采集的模式，这样就需要可靠的触发控制策略，确保试验动态过程到达时数据的有效采集；而且动态试验测试区域范围大，人员安全距离远，跟随测试人员的控制终端（测试服务器）与试验测试区内的无线节点设备的距离就远，因此要求无线测试网络应具有较大的无线覆盖范围。从这些方面来讲，现有的专用无线测试设备均无法满足要求。

另外，在现有的无线传感器网络技术中，授权公告号为CN 100542138C的中国发明专利也提出了一种无线传感器网络三层体系构架，中层为中程无线MESH传感器节点，通过该节点传输底层节点的数据，但其不能实现高采样速率的信号采集和数据高速大容量无线传输，该三层体系构架也不宜实现大范围高速无线组网。

发明内容

针对大范围内高速动态参数测试的应用需求，本发明的目的是提供一种高速无线测试网络系统架构，解决高速动态参数的无线测试问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种高速无线测试网络系统架构，所述的系统架构采用基于WIFI的无线网络和平面树形的网络结构，具有多种网络拓扑，支持无线远距离传输，所述的系统架构分为感知层、数据链路层、网络层和应用层；

所述的感知层用于完成效应参数的感知、高速采集、数字信号生成、存储和无线通信收发；感知层中的设备包括测试节点的数据采集存储设备和测试服务器，所述数据采集存储设备采用基于并行处理器（FPGA）、串行处理器（ARM）、大容量非易失存储器、WIFI无线模块相结合的高速大容量采集存储硬件，用以实现信号的感知、高速模数转换及数据的节点本地存储，并提供无线通信接口；所述的感知层中的测试服务器为便携式笔记本电脑或PC机，所述的测试服务器内设WIFI无线模块或无线网卡，用以提供无线通信接口、运行操作系统及无线测控软件，负责测试网络中节点设备的管理及数据汇集；

所述的数据链路层用于完成统一数据帧设计生成、收发冲突检测和差错控制，为应用层软件平台与感知层设备提供统一的消息协议接口，其传输的数据帧包括多种控制协议数据帧和测试数据帧，控制协议数据帧采用时分复用的方式收发，测试数据帧采用时分复用和频分复用相结合的方式收发；

所述的网络层用于完成无线路由选择、数据高速传输、无线覆盖与无线远传的结合，实现感知层设备之间的数据高速互联通信；网络层中的设备包括无线接入设备、天线、无线中继设备和/或光纤中继设备；

所述的应用层包括无线测控软件平台及其应用服务，还包括融合有地理信息的定位系统，所述定位系统具有对感知层设备的实时定位功能。

所述感知层中的数据采集存储设备均采用IEEE 1588协议实现高精度无线时钟同步；所述感知层中的数据采集存储设备分为两类，一类为主触发设备，所述主触发设备的触发控制方式为外部触发、内部触发、定时触发、手动触发的多种触发和任意采集通道组合的条件组合触发方式，另一类为从触发设备，所述从触发设备依靠无线电信号或光信号承载的由主触发设备发出的触发信号触发。

所述感知层中的数据采集存储设备均配置有用于感知模拟信号的适配模块，所述适配模块具有统一的接口类型。

所述的感知层中的无线通信采用IEEE 802.11n或802 .11ac协议；

所述数据链路层传输的控制协议数据帧包括五种类型，第一类为设备发现接入类，用于数据采集存储设备的接入；第二类为测试参数配置类，用于数据采集存储设备的工作参数配置；第三类为测试过程控制类，用于数据采集存储设备完成测试任务；第四类为设备状态信息类，用于数据采集存储设备回传所有测试软件的信息内容；第五类为异常报警类，用于测试服务器对异常情况的监控。

所述的数据链路层采用传输信道侦听和收发ACK确认机制，控制协议数据帧、测试数据帧内均加入CRC校验。

所述网络层中的路由和数据传输采用TCP和UDP协议。

与现有技术相比，本发明的优点和有益效果在于：

1. 采用基于WIFI的基础架构，通过无线接入、无线桥接及无线中继，扩展了无线网络覆盖范围；采用平面树形或者星型等网络结构，保证测试网络的健壮性；

2. 利用802.11n或802.11ac标准网络协议及支持该标准的无线芯片和组网设备设计无线测试节点和构建测试网络，保证了控制消息的即时性，提高了数据无线传输速率；

3. 感知层中的无线测试节点数据采集采用基于并行处理器（FPGA）与串行处理器（ARM）相结合的高速大容量采集存储硬件，大大提高了无线网络节点的数据采集、存储、计算及管理能力；硬件采用模块化、标准化、通用化设计，可实现节点采集设备的灵活配置及单无线节点多通道、多类型参数的同时测试；节点采集设备内置嵌入式程序及无线通信协议，自动完成数据的采集、存储、网络连接和高速通信；

4. 设置统一的消息协议接口，实现对测试网络内所有设备的高效智能管理；

5. 高精度时钟同步，提高了无线测试系统的动态应用能力；

6. 设置主、从触发控制方式，可保证测试节点的数据采集设备的可靠触发及数据有效采集。

附图说明

图1为本发明的系统架构示意图。

图2为本发明的应用层软件主要功能示意图。

图3为本发明的在爆炸毁伤效应试验中的系统组成图。

图4为本发明的网络层环形拓扑结构示意图。

图5为本发明的网络层星型拓扑结构示意图。

图6为本发明的网络层平面树形拓扑结构示意图。

图7为本发明的系统架构在爆炸效应测试工作中的流程图。

具体实施方式

下面以爆炸试验过程爆炸效应参数测试这一典型的动态过程试验为例，并结合说明书附图对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示，爆炸效应无线测试网络的系统架构采用基于WIFI的无线网络和平面树形的网络结构，支持无线远距离传输，所述系统架构分为感知层、数据链路层、网络层和应用层。

所述的感知层用于完成爆炸效应参数的感知、高速采集、数字信号生成、存储和无线通信收发等功能；感知层中的设备包括布设于各测试节点的数据采集存储设备和伴随测试人员的测试服务器等；所述数据采集存储设备采用基于并行处理器、串行处理器、大容量非易失存储器、WIFI无线模块相结合的高速大容量采集存储硬件，用以实现信号的感知、高速模数转换及数据的节点本地存储，并提供无线通信接口；所述的测试服务器内设WIFI无线模块或无线网卡，用以提供无线通信接口、运行操作系统及无线测控软件，负责测试网络中节点设备的管理及数据汇集；节点的数据采集存储设备可以为单通道的无线存储测试传感器，主要用于分散的单个测点的单一参数的测试，也可以是多通道无线存储测试仪，用于测点集中的多个参数的测试，该多通道无线存储测试仪在无线测试网络中作为一个网络节点进行无线通讯和管理；

所述的数据链路层用于完成统一数据帧设计生成、收发冲突检测和差错控制，为应用层软件平台与感知层设备提供统一的消息协议接口，其传输的数据帧包括多种控制协议数据帧和测试数据帧，控制协议数据帧采用时分复用的方式收发，测试数据帧采用时分复用和频分复用相结合的方式收发；

所述的网络层用于完成无线路由选择、数据高速传输、无线覆盖与无线远传的结合，实现感知层设备之间的数据高速互联通信；网络层中的设备包括无线接入设备（AP）、无线中继设备（无线网桥）、天线等；当中继距离太远时，也可无线转为光纤中继设备；在爆炸效应无线测试网络的系统架构中，用于动态过程试验的无线分布式测试系统与传统的无线传感网络的应用对象和数据特征差异很多，系统内所有节点的数据量大且必须保证可靠高速传输，因此网络传输层设计高效可靠的无线传输策略和路由选择，以核心无线通信设备为主，作为中心节点为其他节点提供高速无线覆盖，同时核心无线通信设备通过频分复用的方式可为远端服务器提供无线远传服务，便于监测系统内设备状态信息和测试数据第一时间回传；

所述的应用层包括无线测控软件平台及其应用服务，还包括融合有地理信息的定位系统，所述定位系统具有对感知层设备的实时定位功能。在爆炸效应无线测试网络的系统架构中，应用层运行测试系统软件，适配接入各种测试硬件，控制测试过程，回收测试数据，分析处理显示测试结果，动态三维复现测试结果，根据位置信息加载测试对象态势，保证各种支撑技术平台的技术实现。在对系统内多设备管理时，实现设备发现、测试参数配置、示波采样过程控制、触发采样过程控制、设备时间位置电量状态、设备异常信息等业务应用。应用层软件主要功能如图2所示。

所述感知层中的数据采集存储设备均采用IEEE 1588协议实现高精度无线时钟同步；所述感知层中的数据采集存储设备分为两类，一类为主触发设备，所述主触发设备的触发控制方式为外部触发、内部触发、定时触发、手动触发的多种触发和任意采集通道组合的条件组合触发方式，另一类为从触发设备，所述从触发设备依靠无线电信号或光信号承载的由主触发设备发出的触发信号触发。在动态过程试验的无线分布式测试系统中，由于测试对象变化快、频响高，持续时间短，动态过程各测点之间传播的时间间隔也小，因此要求各测点采集设备的时间同步精度高。在爆炸效应无线测试网络的系统架构中，测试设备均集成卫星接收机模块，设备内部采用温度补偿晶振保证时钟的高稳定性，多个测试设备之间的时钟同步利用北斗和GPS系统同步授时，通过“网络测量和控制系统的精确时钟同步协议”IEEE 1588协议标准同步协议完成高精度时钟同步。针对大范围内多设备的可靠触发，爆炸效应无线测试网络的系统架构采用全网主节点多触发方式，从节点仅靠无线电信号或光信号（保证在数公里范围内近似于光速传播）承载的主从触发信号同步/延迟触发，主节点可以由测试服务器配置任意具有触发条件的设备来承担，触发方式支持测试系统中常用的通断线触发、信号触发、时间触发等具体方式。

所述感知层中的数据采集存储设备均配置有用于感知模拟信号的适配模块，所述适配模块具有统一的接口类型。在爆炸效应无线测试网络的系统架构中，节点的数据采集存储设备中，无论是单通道的无线存储测试传感器还是多通道无线存储测试仪均采用模块化、标准化、通用化设计，其中采集通道的模拟信号的适配模块分为电压、电荷、ICP/IEPE、应变、电阻等五种适配板，各种适配板采用统一的标准机械接口，以便于选用不同类型传感器时适配板的灵活更换；采集通道的模数转换模块采用四种采样率的数据采集板，分别为1k SPS、100k SPS、1M SPS和20M SPS，以适应不同类型的动态参数的数据采集，每种速率的数据采集板采用统一的接口类型；设计单通道和四通道的通用数字处理模块，可灵活配置不同通道数目的无线测试设备；通信路由模块以以太网交换为主，均配置双频高速无线模块，作为通信和路由处理核心。基于上述设计，感知层内主要设备均可灵活配置、标准化生产。

所述的感知层中的无线通信采用IEEE 802.11n或802 .11ac协议。在爆炸效应无线测试网络的系统架构中，单通道无线存储测试传感器和多通道无线存储测试仪均配置支持802.11n或802.11ac标准网络协议的无线芯片。

所述数据链路层传输的控制协议数据帧包括五种类型，控制协议数据帧涵盖设备发现、测试参数配置、示波采样过程控制、触发采样过程控制、设备时间位置电量状态、设备异常信息等内容，根据用于动态过程试验的无线分布式测试系统的特点，本架构中设计主要的控制协议数据帧包括五种类型：第一类为设备发现接入类，含心跳、服务器地址、设备端口号、设备名称、连接请求消息等，保证所有无线测试设备的正常接入；第二类为测试参数配置类，含采样速率、工作模式（示波采样和触发采样）、通道信息、采样点数、触发方式、传感器及适配器参数等，保证无线测试设备的工作参数正常配置；第三类为测试过程控制类，含示波采样开始、示波采样停止、触发采样等待触发、触发到达、数据回传、触发时刻及主触发设备信息等，保证无线测试设备能够以示波采样模式和触发采样模式两种工作模式完成测试任务；第四类为设备状态信息类，含设备电量、定位信息、网络接入情况、时钟同步信息、当前工作模式及状态、触发源状态等，保证无线测试设备能够实时准确的回传所有测试软件和测试人员关注的信息内容；第五类为异常报警类，含电量过低、输入信号异常、工作模式冲突、板卡不在线、传感器断开连接、网络延迟高等，确保出现影响测试任务实施的情况出现时测试服务器第一时间获知该信息。测试数据帧含示波采样数据包、触发采样数据包、整体工作配置查询数据包等，保证测试数据的完整统一和工作状态的快速查询。

所述的数据链路层采用传输信道侦听和收发ACK确认机制，用于保证无冲突的收发，控制协议数据帧、测试数据帧内均加入CRC校验，以保证传输后的准确率。

所述网络层中的路由和数据传输采用TCP和UDP协议。

爆炸效应无线测试网络的系统架构在爆炸毁伤效应试验这一典型的动态过程试验系统中主要设备组成如图3所示，感知层由单通道的无线测试传感器、多通道无线存储测试仪完成，网络层由多类型无线路由器形成多种网络拓扑满足不同的测试节点布设要求，不同的网络拓扑如图4、图5、图6所示，基于本发明的爆炸效应无线测试网络系统架构，在动态测试工作中的流程图如图7所示。

本发明未详述部分为现有技术。

Claims (3)

1.一种高速无线测试网络系统架构，所述系统架构分为感知层、数据链路层、网络层和应用层，其特征是：

所述的感知层用于完成效应参数的感知、高速采集、数字信号生成、存储和无线通信收发；感知层中的设备包括测试节点的数据采集存储设备和测试服务器，所述数据采集存储设备采用基于并行处理器、串行处理器、大容量非易失存储器、WIFI无线模块相结合的高速大容量采集存储硬件，用以实现信号的感知、高速模数转换及数据的节点本地存储，并提供无线通信接口；所述的测试服务器内设WIFI无线模块或无线网卡，用以提供无线通信接口、运行操作系统及无线测控软件，负责测试网络中节点设备的管理及数据汇集；

所述的数据链路层用于完成统一数据帧设计生成、收发冲突检测和差错控制，为应用层软件平台与感知层设备提供统一的消息协议接口，其传输的数据帧包括多种控制协议数据帧和测试数据帧，控制协议数据帧采用时分复用的方式收发，测试数据帧采用时分复用和频分复用相结合的方式收发；所述数据链路层传输的控制协议数据帧包括五种类型，第一种为设备发现接入类，用于数据采集存储设备的接入；第二类为测试参数配置类，用于数据采集存储设备的工作参数配置；第三类为测试过程控制类，用于数据采集存储设备完成测试任务；第四类为设备状态信息类，用于数据采集存储设备回传所有测试软件的信息内容；第五类为异常报警类，用于测试服务器对异常情况的监控；

所述的网络层用于完成无线路由选择、数据高速传输、无线覆盖与无线远传的结合，实现感知层设备之间的数据高速互联通信；网络层中的设备包括无线接入设备、天线、无线中继设备和/或光纤中继设备；

所述的应用层包括无线测控软件平台及其应用服务，还包括融合有地理信息的定位系统，所述定位系统具有对感知层设备的实时定位功能。

2.根据权利要求1所述的一种高速无线测试网络系统架构，其特征在于：所述感知层中的数据采集存储设备均采用IEEE1588协议实现高精度无线时钟同步；所述感知层中的数据采集存储设备分为两类，一类为主触发设备，所述主触发设备的触发控制方式为外部触发、内部触发、定时触发、手动触发的多种触发和任意采集通道组合的条件组合触发方式，另一类为从触发设备，所述从触发设备依靠无线电信号或光信号承载的由主触发设备发出的触发信号触发。

3.根据权利要求1所述的一种高速无线测试网络系统架构，其特征是：所述系统架构中，测试设备均集成卫星接收机模块，设备内部采用温度补偿晶振保证时钟的高稳定性，多个测试设备之间的时钟同步利用北斗和GPS系统同步授时，通过“网络测量和控制系统的精确时钟同步协议”IEEE1588协议标准同步协议完成高精度时钟同步。