CN111585603A - 一种双无线链路热备电路及冗余通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双无线链路热备电路及冗余通信方法，在N个模组组成的网络中设置一个主动发送数据的模组；需要通讯的N个模组之间预设ZIGBEE作为一个缺省的无线链路；发送端在发送数据后无法接收到任一接收端反馈的确认信息，或接收到的确认信息错误时；发送端首先查看故障列表；若该接收端未记录在故障列表中，发送端暂停当前数据通讯任务；在确定通讯失效是由于接收端无法接收数据时，发送端启动ZIGBEE链路测试线程；主链路恢复后，发送端将数据切换回ZigBee通信链路。本发明解决了单一无线通讯自组网时，无线链路由于干扰或设备故障导致的通讯失效时，数据无法传输的问题，提高了无线通讯的稳定性和实时性。

Description

一种双无线链路热备电路及冗余通信方法

技术领域

本发明涉及一种双无线链路热备电路及冗余通信方法，可应用于涉及工业控制，智慧交通，智慧市政，水处理，石油化工等各类需要搭建松散耦合、去中心化的无线通讯网络的应用领域。

背景技术

随着物联网无线通讯技术的发展，无线透传技术的应用越来越广泛，更多的设备控制、仪表采集场景采用无线通讯方式进行数据的传输。尤其是针对一些传统控制系统的扩展或升级，物联网无线通讯技术扮演了越来越重要的角色。

传统控制系统内子站、受控设备、采集仪表等普遍通过有线方式与主控制器连接，当系统升级改造时，很多业主将目光集中到了无线通讯技术上。无线通讯方式有其显著的优点，系统改造简单，周期短，不影响现有生产或影响很小，可以快速见效。但无线通讯也存在其致命的弱点，即连接不可靠，容易因为受到干扰而失效。对此很多业主也是望而却步，不敢在控制系统，尤其在可靠性、实时性要求高的核心控制系统中使用无线通讯技术。同时，相对而言，无线通讯不可靠不稳定的特性也制约了其技术本身的发展。

导致这一问题的原因是在实际应用中，大部分无线通讯网关使用的都是单一链路的无线通讯设备。一旦受到干扰，有可能使通讯失效，或使通讯时延变长，无法保证数据传输的可靠性与实时性。

目前市场中常见的产品包括深圳中鼎泰，成都易佰特等厂家推出的ZIGBEE转MODBUS-485网关，基于ZIGBEE自组网无线透传技术，将原有有线连接的通讯协议转换成无线连接，很大程度降低了自动控制系统的通讯、组网的难度。尤其对于一些，位置较分散，距离较远，敷设线缆难度大、成本高的仪表数据采集或小型控制系统数据传输更加适用。

ZIGBEE网络是MESH结构网络，一个网络由一个Coordnator（协调器，主模块）及N个Router（路由器、从模块）构成，所有的节点具有相同的频道及组号。MESH网络的最大特点是自动路由及动态维护路由，如图9中C与B3通讯，如不能直接到达，会自动通过B1,B2将数据路由到B3，而且，当B1或B2损坏时，会自动寻找新的路由路径。

但存在以下问题：

在实际应用中有可能存在数据传输只有一条路由的情况，在这种情况下，单无线通讯链路很难保证通讯可靠。如图10中协调器端C与节点B5通讯：如果节点B5距离协调器C较远，只能够通过路由器B4与协调器C通讯，路由器B4作为中转节点就起到很重要的作用，一旦协调器C与路由器B4间的无线通讯因故障或收到干扰而失效，由于节点B5与协调器C之间只有一条ZIGBEE无线通讯链路，则节点B5在ZIGBEE通讯链路恢复之前无法与协调器C连接。

发明内容

鉴于现有技术状况及存在的不足，本发明提供了一种双无线链路热备电路及冗余通信方法，本发明开发了双无线链路热备技术，将传统的单一无线通讯链路改为双无线通讯链路，双链路保持实时连接状态，双链路互为主备，在主链路受到干扰时，MCU能够迅速判断当前通讯状态，一旦通讯失效，在最短的时间内可以将数据流切换到备用链路上，整个切换时间可以达到毫秒级，从而保证无线通讯的可靠及实时性。

本发明为实现上述目的，采用的技术方案是：一种双无线链路热备电路，其特征在于：包括微处理器和无线通讯模块，所述微处理器模块由相互连接的MCU模块和存储器外部电路组成；

所述无线通讯模块由ZIGBEE模块和LORA模块组成；

所述微处理器模块分别与ZIGBEE模块和LORA模块连接。

一种双无线链路热备电路的冗余通信方法，其特征在于，步骤如下：

1）在N个模组组成的网络中，设置唯一一个主动发送数据的模组，下简称发送端，其他N-1个模组作为数据接收端，下简称接收端，发送端可主动发送数据到接收端，接收端在接到发送端发送的数据后反馈确认信息给发送端，发送端在接到接收端反馈的正确的确认信息后，完成一次有效的数据通讯；

2）需要通讯的N个模组之间预设ZIGBEE作为一个缺省的无线链路，即模组上电后首先使用ZIGBEE链路进行通讯，与此同时，任意模组上的LORA链路作为备用无线链路，且处于监听状态；

3）监听状态是指：发送端启动一个监听线程，该线程间隔自定义单位时间通过LORA备用通信链路依次向每个接收端发送自定义数据包，接收端在接到发送端发送的数据包后，反馈给发送端一个自定义的确认信息，发送端接到各个接收端确认信息后完成一次监听任务；若任一接收端未反馈确认数据，或反馈的确认数据错误，则将该接收端记录在故障列表中；

4）数据通过ZIGBEE通讯链路在N个模组中任意模组间进行无线通讯时，发送端在发送数据后无法接收到任一接收端反馈的确认信息，或接收到的确认信息错误时；

5）发送端首先查看故障列表，若该接收端已经记录在故障列表中，则发送端为该接收端设置故障标记并发送报警信息，同时发送端继续通过ZIGBEE链路执行数据通讯任务，执行过程中发现故障标记后自动跳过该接收端；

6）若该接收端未记录在故障列表中，发送端暂停当前数据通讯任务，并通过 ZIGBEE链路对该接收端进行指定次数的重发数据包测试，用此方式判断通讯失效是由于发送端发送数据失败导致还是接收端无法接收数据导致；

7）在确定通讯失效是由于接收端无法接收数据时，则发送端认为当前使用的ZIGBEE通讯链路失效，发送端会将数据通讯任务切换到备用的LoRa通信链路上去并与接收端进行通信；同时，发送端启动ZIGBEE链路测试线程，发送端不断间隔自定义单位时间通过ZIGBEE通信链路给之前无法通讯的接收端发送自定义测试数据包，直到接收到接收端反馈的正确的确认信息后，发送端再依次发送测试数据包到链路上每一个接收端，在每个接收端都反馈回正确的确认信息后，发送端认为ZIGBEE链路恢复；

8）主链路恢复后，发送端将数据切换回ZigBee通信链路, 关闭ZIGBEE链路测试线程，同时将备用LORA链路切换回监听状态，继续使用ZIGBEE链路向各接收端发送数据，直到再次出现通讯失效情况发生。

本发明的有益效果是：本发明解决了单一无线通讯自组网时，无线链路由于干扰或设备故障导致的通讯失效时，数据无法传输的问题，补足了无线通讯技术在实际应用中的短板，显著提高了无线通讯的稳定性和实时性，提升了无线通讯在控制系统中的使用效果，同时促进无线通讯产品升级以及无线通讯技术的发展。本专利所开发的双无线链路热备技术适用于各类中远距离无线通讯场景。

附图说明

图1为本发明的电路连接框图；

图2为本发明冗余通信方法的流程图；

图3为本发明冗余通信方法的组网示意图；

图4为本发明实施例1电路连接框图；

图5为本发明实施例2典型应用中通讯正常情况的示意图；

图6为本发明实施例2典型应用中ZIGBEE主链路故障或受到干扰情况的示意图；

图7为本发明实施例2典型应用中自动启用LORA备用链路情况的示意图；

图8为本发明实施例2典型应用中ZIGBEE主链路恢复情况的示意图；

图9为现有技术ZigBee网络的示意图；

图10为现有技术单无线通讯链路发生故障的示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种双无线链路热备电路，包括微处理器和无线通讯模块，微处理器由相互连接的MCU模块和存储器及外部电路组成；无线通讯模块由ZIGBEE模块和LORA模块组成；MCU模块分别与ZIGBEE模块和LORA模块连接实现无线通讯。

如图2、图3所示，一种双无线链路热备电路的冗余通信方法，步骤如下：

1）在N个模组组成的网络中，设置唯一一个主动发送数据的模组，下简称发送端，其他N-1个模组作为数据接收端，下简称接收端，发送端可主动发送数据到接收端，接收端在接到发送端发送的数据后反馈确认信息给发送端，发送端在接到接收端反馈的正确的确认信息后，完成一次有效的数据通讯；

2）需要通讯的N个模组之间预设ZIGBEE作为一个缺省的无线链路，即模组上电后首先使用ZIGBEE链路进行通讯，与此同时，任意模组上的LORA链路作为备用无线链路，且处于监听状态；

3）监听状态是指：发送端启动一个监听线程，该线程间隔自定义单位时间通过LORA备用通信链路依次向每个接收端发送自定义数据包，接收端在接到发送端发送的数据包后，反馈给发送端一个自定义的确认信息，发送端接到各个接收端确认信息后完成一次监听任务；若任一接收端未反馈确认数据，或反馈的确认数据错误，则将该接收端记录在故障列表中；

4）数据通过ZIGBEE通讯链路在N个模组中任意模组间进行无线通讯时，发送端在发送数据后无法接收到任一接收端反馈的确认信息，或接收到的确认信息错误时；

5）发送端首先查看故障列表，若该接收端已经记录在故障列表中，则发送端为该接收端设置故障标记并发送报警信息，同时发送端继续通过ZIGBEE链路执行数据通讯任务，执行过程中发现故障标记后自动跳过该接收端；

6）若该接收端未记录在故障列表中，发送端暂停当前数据通讯任务，并通过 ZIGBEE链路对该接收端进行指定次数的重发数据包测试，用此方式判断通讯失效是由于发送端发送数据失败导致还是接收端无法接收数据导致；

7）在确定通讯失效是由于接收端无法接收数据时，则发送端认为当前使用的ZIGBEE通讯链路失效，发送端会将数据通讯任务切换到备用的LoRa通信链路上去并与接收端进行通信；同时，发送端启动ZIGBEE链路测试线程，发送端不断间隔自定义单位时间通过ZIGBEE通信链路给之前无法通讯的接收端发送自定义测试数据包，直到接收到接收端反馈的正确的确认信息后，发送端再依次发送测试数据包到链路上每一个接收端，在每个接收端都反馈回正确的确认信息后，发送端认为ZIGBEE链路恢复；

8）主链路恢复后，发送端将数据切换回ZigBee通信链路, 关闭ZIGBEE链路测试线程，同时将备用LORA链路切换回监听状态，继续使用ZIGBEE链路向各接收端发送数据，直到再次出现通讯失效情况发生。

实施例1，如图4所示：

双无线链路建立完成后，基于微处理器-无线通讯模块架构可以扩展出更多其他应用方式。由于MCU具有优秀的扩展能力，因此可以扩展各类形式接口。

例如：在双无线通讯的基础上可以扩展数字量输入输出模块，数字量输入输出模块可以连接数字量控制设备，从而实现设备远程无线监控。在扩展数字量输入输出接口的基础上可以扩展标准工业通讯协议接口, 包括但不限于MODBUS-485， CAN-BUS等主流工业协议接口

实施例2，如图5至图8所示典型应用场景：

此场景中，模组A扩展数字量输入输出模块及标准MODBUS-485接口模块，与控制器连接，作为通讯主站。在ZIGBEE自组网中作为协调器节点，LORA自组网中作为基站。模组B扩展数字量输入输出模块，连接现场受控设备，作为通讯从站。在ZIGBEE自组网中作为路由器节点，LORA自组网中作为节点。模组B距离模组A较近，ZIGBEE信号不需要中转可以直接与协调器节点连接。模组N连扩展标准MODBUS-485接口模块，接现场采集仪表，作为通讯从站。在ZIGBEE自组网作为终端节点，LORA自组网中作为节点。模组N距离模组A较远，ZIGBEE信号无法直接与协调器节点连接，需要通过作为路由器节点的模组B进行中转。

如图5所示：正常情况：各个模组间双无线通讯链路均保持实时连接状态。其中一条链路可设置为主通讯链路，另一链路可设置为辅助通讯链路（图中ZIGBEE链路为主通讯链路，LORA链路为备用链路）。现场设备数据及控制器控制指令数据流通过主通讯链路传递。（无线通讯为自组网透明传输，具体数据流格式遵循所选的通讯协议而定）。如图中所示，首先为保证各模组能够实现自组网，模组内ZIGBEE模块及LORA模块的频段及分组应统一。模组A内ZIGBEE模块配置为“协调器”LORA模块配置为“基站”，模组B中ZIGBEE模块配置为“路由器”LORA模块配置为“节点”，模组N内ZIGBEE模块配置为“终端”LORA模块配置为“节点”。

模组N距离模组A较远，通过ZIGBEE无法直接与模组A连接，遂通过模组B中ZIGBEE的路由转发功能，将数据转发给模组A，实现与模组A的通讯。

如图6所示：当模组N与模组B间的ZIGBEE通讯链路受到干扰，无法与模组B建立链路，数据也无法到达模组A，通讯中断。

如图7所示：此时模组会自动将数据流切换到LORA辅助链路中，恢复数据通讯。

如图8所示：直到主回路链路恢复后，再将数据流切换回主回路，通讯恢复到如图5所示的正常工作状态，以此保证无线通讯的稳定性。

Claims (2)

1.一种双无线链路热备电路，其特征在于：包括微处理器和无线通讯模块，所述微处理器模块由相互连接的MCU模块和存储器外部电路组成；

所述无线通讯模块由ZIGBEE模块和LORA模块组成；

所述微处理器模块分别与ZIGBEE模块和LORA模块连接。

2.一种采用权利要求1所述的双无线链路热备电路的冗余通信方法，其特征在于，步骤如下：

1）在N个模组组成的网络中，设置唯一一个主动发送数据的模组，下简称发送端，其他N-1个模组作为数据接收端，下简称接收端，发送端可主动发送数据到接收端，接收端在接到发送端发送的数据后反馈确认信息给发送端，发送端在接到接收端反馈的正确的确认信息后，完成一次有效的数据通讯；

2）需要通讯的N个模组之间预设ZIGBEE作为一个缺省的无线链路，即模组上电后首先使用ZIGBEE链路进行通讯，与此同时，任意模组上的LORA链路作为备用无线链路，且处于监听状态；

3）监听状态是指：发送端启动一个监听线程，该线程间隔自定义单位时间通过LORA备用通信链路依次向每个接收端发送自定义数据包，接收端在接到发送端发送的数据包后，反馈给发送端一个自定义的确认信息，发送端接到各个接收端确认信息后完成一次监听任务；若任一接收端未反馈确认数据，或反馈的确认数据错误，则将该接收端记录在故障列表中；

4）数据通过ZIGBEE通讯链路在N个模组中任意模组间进行无线通讯时，发送端在发送数据后无法接收到任一接收端反馈的确认信息，或接收到的确认信息错误时；

5）发送端首先查看故障列表，若该接收端已经记录在故障列表中，则发送端为该接收端设置故障标记并发送报警信息，同时发送端继续通过ZIGBEE链路执行数据通讯任务，执行过程中发现故障标记后自动跳过该接收端；

6）若该接收端未记录在故障列表中，发送端暂停当前数据通讯任务，并通过 ZIGBEE链路对该接收端进行指定次数的重发数据包测试，用此方式判断通讯失效是由于发送端发送数据失败导致还是接收端无法接收数据导致；

7）在确定通讯失效是由于接收端无法接收数据时，则发送端认为当前使用的ZIGBEE通讯链路失效，发送端会将数据通讯任务切换到备用的LoRa通信链路上去并与接收端进行通信；同时，发送端启动ZIGBEE链路测试线程，发送端不断间隔自定义单位时间通过ZIGBEE通信链路给之前无法通讯的接收端发送自定义测试数据包，直到接收到接收端反馈的正确的确认信息后，发送端再依次发送测试数据包到链路上每一个接收端，在每个接收端都反馈回正确的确认信息后，发送端认为ZIGBEE链路恢复；

8）主链路恢复后，发送端将数据切换回ZigBee通信链路, 关闭ZIGBEE链路测试线程，同时将备用LORA链路切换回监听状态，继续使用ZIGBEE链路向各接收端发送数据，直到再次出现通讯失效情况发生。

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