CN111538037A - 一种gnss接收机数据采集器及其数据、网络接入和能耗管理方法 - Google Patents

一种gnss接收机数据采集器及其数据、网络接入和能耗管理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种GNSS接收机数据采集器及其数据、网络接入和能耗管理方法，包括GNSS接收机、接口模块、主控制器MCU、无线传输模块、存储模块和电源模块。接口模块将GNSS接收机接收到的全球卫星导航系统数据传输给主控制器MCU，主控制器MCU进行数据的接收、压缩和打包，通过无线传输模块发送给无线MASH网络，并进行网络接入管理和能耗管理，存储模块对接收到的数据进行本地保存。本发明采用了有效的数据管理方法、网络接入策略以及采集器能耗管理方法，确保采集器数据发送的准确完整，又可充分节约能耗保证网络的长时间有效运行，采集器的通用性强、灵活性好，确保在野外环境或灾难情况下数据传输的完整性和准确。

Description

一种GNSS接收机数据采集器及其数据、网络接入和能耗管理 方法
技术领域
本发明涉及GNSS领域，具体地说，特别涉及到一种GNSS接收机数据采集器及其数据、网络接入和能耗管理方法。
背景技术
全球卫星导航系统GNSS，是一种能在地球表面或近地空间的任何地点为用户提供全天候的三维坐标和速度以及时间信息的空基无线电导航定位系统。
GNSS接收机接收GPS/BDS/GALILEO/GLONASS信号后，数据的输出通常是通过串口输出(室内/定点型)，或通过读取接收机自带的存储卡/内部存储器存储(野外/移动型)，当需要远程实时获取数据时，通常是是通过串口输出至电脑，再经由电脑通过互联网或星传等途径传输至远端，部分新型号的GPS能够提供网口的网络传输，但往往是需要电脑主动访问，由此需要接收机拥有公网IP，而这在地震等灾情发生时或野外移动环境下较为困难，而且在多点监测的应用场景下，如果每台监测设备单独一个网络卡上传不仅会造成资金的浪费，也会影响移动网络基站的局部工作效率。
当有地震等灾情发生时或野外移动环境下，通常也会出现网络通讯的中断，导致GNSS接收机无法将观测数据传送到网络基站或接收端，而且在网络通讯中断时，容易造成数据的丢失情况，影响数据传输的完整性和准确性，因此具有测量的实时性和精确性等，布设方便、成本低、精度稳定的，提供全天候实时监测，并能通过无线方式进行GNSS数据传输的GNSS数据采集设备必不可少。
申请号为201610777913.3的中国专利文献公开了一体化GNSS测量设备，包括FPGA芯片、ARM芯片、传感器模块、无线通信模块、RTK处理器和依次电性连接的低噪放模块、功率分配模块、滤波器、混频器和卫星接收机芯片，但只给出了设备的结构，并未给出数据的具体处理方法和网络连接方法。
申请号为201610152678.0中国专利文献公开了一种嵌入式GNSS接收机无线数据传输完整性的技术，给出了无线模块联网监测、GNSS数据包打包按序发送、服务器回馈包序号检查和GNSS数据包缓存与重发机制，使用该技术提供的方法可以有效保证和服务器通信的GNSS数据包的完整性，特别在较堵塞和容易断线的环境下，也能确保数据传输的完整性，但并未考虑网络的能耗管。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中的不足，提供一种GNSS接收机数据采集器及其数据、网络接入和能耗管理方法，以解决现有技术中存在的问题。
本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：
一种GNSS接收机数据采集器，包括
GNSS接收机，其通过GRU接口模块与主控制器MCU连接，用于接收全球卫星导航系统发送的数据，并将其发送给主控制器MCU；
主控制器MCU，其用于对接收到的数据进行接收、处理、压缩和打包，并进行各模块管理；
GRU接口模块是测量数据处理模块，GRU接口模块由更新门和重置门组成，采用深度学习算法策略进行观测噪声去除处理，得到更准确的观测数据。
无线传输及网络接入管理模块，其与主控制器MCU连接，用于管理无线网络协议栈，并对GNSS接收机数据采集器的网络接入和数据的双向传输进行管理；
存储模块，其与主控制器MCU连接，用于对接收到的数据进行本地保存；
电源模块，其用于为上述模块提供电源和能耗管理。
2.根据权利要求1所述的GNSS接收机数据采集器，其特征在于，所述GNSS接收机数据采集器的数据管理方法为：
所述的GRU接口模块将GNSS接收机接收到的全球卫星导航系统数据传输给主控制器MCU，主控制器MCU进行数据的接收、处理、压缩和打包，并通过无线传输模块发送给无线MASH网络，存储模块对接收到的数据进行本地保存，并进行各模块管理；
其中数据的处理采用了深度学习算法策略：通过GRU接口模块对测量数据进行处理，去除观测噪声。GRU接口模块由更新门zt和重置门rt组成，通过更新门选择观测噪声被带入神经网络学习算法的多少，通过重置门确定测量数据的上一状态数据被保留的信息量大小，进行测量数据的噪声处理；
更新门为：
zt＝σr(Wzhht-1+Wzxxt)
重置门为：
rt＝σr(Wrhht-1+Wrxxt)
其中xt为当前观测状态，ht为当前输出，ht-1为前一时间隐藏状态，σ为激活函数，W为学习训练参数。
3.根据权利要求1所述的GNSS接收机数据采集器，其特征在于，所述GNSS接收机数据采集器的网络接入管理方法为：
采用联网时间计时的网络接入管理策略，累计联网时间超过设定的时间长度时，无线传输模块重新联网或放弃联网；在网络连接成功的情况下采用应答次数累计的数据包发送管理策略，未收到应答信号则视为发送不成功，若发送不成功达到设定次数，则断开网络，重新联网和进行数据的发送。
4.根据权利要求1所述的GNSS接收机数据采集器，其特征在于，所述GNSS接收机数据采集器的能耗管理方法为：
采用联网时间计时和连续休眠次数累计的管理策略，当系统初始化或因中断唤醒时，开始对联网时间进行计时，并对连续休眠次数进行计数；
当联网时间超过设定时间仍未能成功，且连续休眠次数未超过设定次数时，则进入休眠状态，等待中断唤醒；
被中断唤醒后，继续联网，并再次对联网时间进行计时，连续休眠次数累计，若联网时间超过设定时间，且连续休眠次数超过设定次数，则GNSS接收机数据采集器进入更节电的待机状态。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1.可自动接受并读取GNSS接收机数据，进行数据的接收、处理、压缩、打包和发送，并进行本地数据的保存。其中数据的处理采用了：采用了基于深度学习算法策略的GRU接口模块对测量数据进行处理，去除观测噪声，确保测量数据的准确性。
2.为保证GNSS数据采集器成功接入MESH网络，采用了联网时间计时的策略进行网络接入管理，累计联网时间超过一定时间长度时，重新联网的策略或放弃联网，解决了网络通讯中断时，容易造成数据的丢失的问题，确保数据传输的完整性。在网络连接成功的情况下采用了应答次数累计的数据包发送管理策略，多次发送不成功，则重新联网，重新进行数据的发送，确保数据传输的完整性和准确性。
3.采集器的能耗管理采用了联网时间计时和连续休眠次数累计兼顾的管理策略，累计联网时间超过一定时间长度并且连续休眠次数超过一定次数，便进入待机状态，更大程度的节约采集器的能耗，便于在野外或灾害发生情况下，网络无法连接时，尽可能低功耗运行。
附图说明
图1为本发明所述的GNSS接收机数据采集器的结构框图。
图2为本发明所述的GNSS接收机数据采集器的数据流向图。
图3为本发明所述的能耗管理策略的示意图。
图4为本发明所述的GRU接口模块结构图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
参见图1、图2、图3和图4，本发明所述的一种GNSS接收机数据采集器，包括：
GNSS接收机，其通过GRU接口模块与主控制器MCU连接，用于接收全球卫星导航系统发送的数据，并将去除了观测噪声的观测数据发送给主控制器MCU；
主控制器MCU，其用于对接收到的数据进行接收、处理、压缩和打包，并进行各模块管理；
无线传输及网络接入管理模块，其与主控制器MCU连接，用于管理无线网络协议栈，并对GNSS接收机数据采集器的网络接入和数据的双向传输进行管理；
存储模块，其与主控制器MCU连接，用于对接收到的数据进行本地保存；
电源模块，其用于为上述模块提供电源和能耗管理。
2.根据权利要求1所述的GNSS接收机数据采集器，其特征在于，所述GNSS接收机数据采集器的数据管理方法为：
所述的接口模块将GNSS接收机接收到的全球卫星导航系统数据传输给主控制器MCU，主控制器MCU进行数据的接收、处理、压缩和打包，并通过无线传输模块发送给无线MASH网络，存储模块对接收到的数据进行本地保存。
无线传输模块用于管理无线网络协议栈，并对整个节点的网络接入和数据的双向传输进行管理，提供2.4GHz的功率放大线性低噪声放大，可支持点对点/点对多传输，并支持串口透传。
3.根据权利要求1所述的GNSS接收机数据采集器，其特征在于，所述GNSS接收机数据采集器的网络接入管理方法为：
采用联网时间计时的网络接入管理策略，累计联网时间超过设定的时间长度时，无线传输模块重新联网或放弃联网；在网络连接成功的情况下采用应答次数累计的数据包发送管理策略，未收到应答信号则视为发送不成功，若发送不成功达到设定次数，则断开网络，重新联网和进行数据的发送。
4.根据权利要求1所述的GNSS接收机数据采集器，其特征在于，所述GNSS接收机数据采集器的能耗管理方法为：
采用联网时间计时和连续休眠次数累计的管理策略，当系统初始化或因中断唤醒时，开始对联网时间进行计时，并对连续休眠次数进行计数；
当联网时间超过设定时间仍未能成功，且连续休眠次数未超过设定次数时，则进入休眠状态，等待中断唤醒；
被中断唤醒后，继续联网，并再次对联网时间进行计时，连续休眠次数累计，若联网时间超过设定时间，且连续休眠次数超过设定次数，则GNSS接收机数据采集器进入更节电的待机状态。
实施例1
在实施例1中进行了通讯速率为20Hz、10Hz、1Hz下的以下4项实验，采用无应答直接联网发送的方式，见表1，未采用本发明所述的联网时间计时的网络接入管理策略，以及联网时间计时和连续休眠次数累计兼顾的能耗管理策略，表中时间栏为实验数据发送/接收持续的时间，表1中实验一中速率栏下的发送栏为采集GPS设备并处理后的数据包数，接收栏为SD卡存贮的数据包数。
四项实验环境设置如下：
实验一为GPS采集及本地存贮测试，直接将采集器采集GPS设备并处理后的数据进行本地输出，检验MCU的数据处理能力，数据本地存贮的可靠性；
实验二为近距离测试，以采集器采集GPS设备并处理后的数据输出为源，输出到接收端，接收端距离发射端为距离不超过10米的室内，以测试网络环境信号良好状况下的传输效果；
实验三为同一幢楼楼内部署分布式Mesh网，在两个原本在两个不相邻的楼层无法通信的两个房间内的发射与接收端连通，测试分布式Mesh网中经过路由节点转发后的数据传输，路径总长度400米；
实验四为距离空旷状况下两栋楼顶通讯测试，楼顶有分布式Mesh网部署，通讯距离400米。
Figure BDA0002487668230000081
表1无应答直接联网发送方式下的丢包率
从实施例1的实验结果可以看出，当数据发送频率增加时丢包率会有较大的增加，在楼内部署网络相比在空旷环境中部署网络丢包率有较大增加。
实施例2
在实施例2中也进行了通讯速率为20Hz、10Hz、1Hz下的4项实验，采用了本发明权利1所述的联网时间计时的网络接入管理策略，以及联网时间计时和连续休眠次数累计兼顾的能耗管理策略，见表2。
四项实验环境设置如下：
实验一，本实施例中实验一仍为实施例1中的实验一测试结果，保留实验一，是为了便于实验二、实验三、实验四进行表格对照比较；
实验二为近距离测试，以采集器采集GPS设备并处理后的数据输出为源，输出到接收端，接收端距离发射端为距离不超过10米的室内，以测试网络环境信号良好状况下的传输效果；
实验三为同一幢楼楼内部署分布式Mesh网，在两个原本在两个不相邻的楼层无法通信的两个房间内的发射与接收端连通，测试分布式Mesh网中经过路由节点转发后的数据传输，路径总长度400米；
实验四为距离空旷状况下两栋楼顶通讯测试，楼顶有分布式Mesh网部署，通讯距离400米。
实验一、实验二、实验三、实验四通讯过程中分别人为中断了网络通讯5分钟。
Figure BDA0002487668230000091
表2本发明方法联网发送方式下的丢包率
对比实施例1和实施例2的实验结果，从表1与表2数据对比可以看出：(1)实验二、实验三、实验四的丢包率明显下降；(2)在人为中断网络通讯的情况下，发送相同的数据量，发送时间增加了5分钟左右，表明在网络中断的时间内并没有数据发送，采集器处于休眠或待机状态。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种GNSS接收机数据采集器，其特征在于，包括
GNSS接收机，其通过GRU接口模块与主控制器MCU连接，用于接收全球卫星导航系统发送的数据，并将其发送给主控制器MCU；
主控制器MCU，其用于对接收到的数据进行接收、压缩和打包，并进行模块管理；
无线传输及网络接入管理模块，其与主控制器MCU连接，用于管理无线网络协议栈，并对GNSS接收机数据采集器的网络接入和数据的双向传输进行管理；
存储模块，其与主控制器MCU连接，用于对接收到的数据进行本地保存；
电源模块，其用于为上述模块提供电源和能耗管理。
2.根据权利要求1所述的GNSS接收机数据采集器，其特征在于，所述GNSS接收机数据采集器的数据管理方法为：
所述的GRU接口模块将GNSS接收机接收到的全球卫星导航系统数据传输给主控制器MCU，主控制器MCU进行数据的接收、处理、压缩和打包，通过无线传输模块发送给无线MASH网络，存储模块对接收到的数据进行本地保存；
其中数据的处理采用了深度学习算法策略：通过GRU接口模块对测量数据进行处理，去除观测噪声；GRU接口模块由更新门zt和重置门rt组成，通过更新门选择观测噪声被带入神经网络学习算法的多少，通过重置门确定测量数据的上一状态数据被保留的信息量大小，进行测量数据的噪声处理；
更新门为：
zt＝σr(Wzhht-1+Wzxxt)
重置门为：
rt＝σr(Wrhht-1+Wrxxt)
其中xt为当前观测状态，ht为当前输出，ht-1为前一时间隐藏状态，σ为激活函数，W为学习训练参数。
3.根据权利要求1所述的GNSS接收机数据采集器，其特征在于，所述GNSS接收机数据采集器的网络接入管理方法为：
采用联网时间计时的网络接入管理策略，累计联网时间超过设定的时间长度时，无线传输模块重新联网或放弃联网；在网络连接成功的情况下采用应答次数累计的数据包发送管理策略，未收到应答信号则视为发送不成功，若发送不成功达到设定次数，则断开网络，重新联网和进行数据的发送。
4.根据权利要求1所述的GNSS接收机数据采集器，其特征在于，所述GNSS接收机数据采集器的能耗管理方法为：
采用联网时间计时和连续休眠次数累计的管理策略，当系统初始化或因中断唤醒时，开始对联网时间进行计时，并对连续休眠次数进行计数；
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被中断唤醒后，继续联网，并再次对联网时间进行计时，连续休眠次数累计，若联网时间超过设定时间，且连续休眠次数超过设定次数，则GNSS接收机数据采集器进入更节电的待机状态。
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