CN112188409B - 适用于矿井空间的ble网络及漫游通信方法 - Google Patents

适用于矿井空间的ble网络及漫游通信方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种适用于矿井空间的BLE网络及漫游通信方法，BLE网络包括以下设备：BLE基站，BLE基站沿矿井的线型巷道空间布设，形成交叉覆盖的BLE信号；BLE固定终端，BLE固定终端与BLE基站建立固定的连接、并与BLE基站传输交互数据；BLE移动终端，BLE移动终端与两台BLE基站建立冗余的BLE连接，并在移动过程中切换与BLE基站的连接并保持传输链路以及交互数据的不间断。根据本发明实施例的BLE网络，BLE基站沿矿井的线型巷道空间布设，有效增加低功耗BLE移动终端设备与网络的连接和信息交互的稳定性。

Description

适用于矿井空间的BLE网络及漫游通信方法
技术领域
本发明涉及矿井通信技术领域，更具体地，涉及一种适用于矿井空间的BLE网络以及适用于矿井空间的BLE漫游通信方法。
背景技术
煤矿智能化是推动煤炭行业高质量发展、促进煤炭产业转型升级的核心技术支撑。在矿山特定环境中，深入应用物联网技术，全面提升感知、连接能力，人与人、人与物、物与物在数据构筑的智能环境中进行交互，将是提升煤矿数字化能力、建成煤矿智慧化体系的重要基础。通信是交互的基础，基于光纤、电缆等介质的有线通信需要铺设和维护线缆、难以大量使用，因此，无线通信是提升矿山物联网末端感知与连接能力的主要方式。
煤矿井下使用的无线传输技术存在多样性，包括以ZigBee为代表的低速无线自组网、以WiFi为代表的高速无线局域网、以3G/4G为代表的无线广域网，各有优劣。井下作业人员、行走作业的煤机设备需要保持与无线通信网络的连接、保持感知数据的交互，但设备在移动过程不断切换无线连接的通信基站，因此，需要无线通信系统具备快速漫游能力。现有的无线通信技术中：ZigBee等自组网技术不支持移动节点漫游，仅能通过网络自愈功能使移动的节点在网络中重建连接；常规的WIFI通信不具备漫游功能，需要重新连接；移动设备与无线网络重建连接会导致通信数据丢失，影响信息交互的可靠性；3G/4G通信系统具有良好的漫游功能，但通信模组的成本高、功耗大，无法大量使用。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种适用于矿井空间的BLE网络、适用于矿井空间的BLE漫游通信方法，通过低功耗、低成本的BLE技术实现矿井人员、机电设备在矿井巷道中行走时在无线网络中快速漫游，保证信息交互通道的稳定性。
为解决上述技术问题，一方面，本发明提供一种适用于矿井空间的BLE网络，所述BLE网络包括以下设备：BLE基站，所述BLE基站沿矿井的线型巷道空间布设，形成交叉覆盖的BLE信号；BLE固定终端，所述BLE固定终端与所述BLE基站建立固定的连接、并与所述BLE基站传输交互数据；BLE移动终端，所述BLE移动终端与两台BLE基站建立冗余的BLE连接，并在移动过程中切换与所述BLE基站的连接并保持传输链路以及交互数据的不间断。
根据本发明实施例适用于矿井空间的BLE网络设备，沿矿井的线型巷道空间部署的BLE基站形成交叉覆盖的BLE信号，具有低功耗、低成本优点，有利于BLE固定终端、BLE移动终端在矿井下大量集成使用，便于矿用手机等移动通信设备加入网络。
根据本发明的一个实施例，所述BLE基站包括：至少一个基站模组，每个所述基站模组包括若干BLE基站接口，所述BLE固定终端和BLE移动终端与所述BLE基站的所述BLE基站接口无线连接。
根据本发明的一个实施例，控制仅一组所述基站模组的所述BLE基站接口进行可连接的广播。
第二方面，本发明实施例提供一种适用于矿井空间的BLE漫游通信方法，包括以下步骤：S1、未连接BLE基站的BLE移动终端监测若干BLE基站发布的广播信号，获得基站的通信地址、无线信号强度和已建连接数量，并评估BLE基站的信号质量Qa；S2、所述BLE移动终端按照步骤S1所述的信号质量Qa选择最佳的两个BLE基站进行连接，以与信号质量最佳的BLE基站的连接为主要通信链路，传输交互数据，以与信号质量次佳的BLE基站的连接为次要通信链路，不传输交互数据，仅保持连接；S3、所述BLE移动终端在移动过程中，持续监测和评估所述主要通信链路的信号质量Qpc、所述次要通信链路的信号质量Qsc以及未连接的BLE基站的广播信号质量Qa；S4、所述BLE移动终端持续监测步骤S3所述的信号质量，当Qsc大于Qpc，且质量差大于ΔQ时，进行数据通道切换；S5、所述BLE移动终端持续监测步骤S3所述的信号质量，当Qa大于Qsc，且质量差大于ΔQ时，进行连接通道切换。
根据本发明的一个实施例，当所述BLE移动终端的主要通信链路切换时，所述BLE移动终端通过所述BLE基站向网络广播主要通信链路的连接通道，各BLE基站接收并更新该所述BLE移动终端的连接通道。
根据本发明的一个实施例，所述BLE基站、所述BLE移动终端与所述BLE固定终端具有相应的名称属性。
根据本发明的一个实施例，各信号质量Q根据所述BLE基站的无线信号强度和已建连接数量进行核算。
根据本发明的一个实施例，所述信号质量差ΔQ为10dBm。
根据本发明的一个实施例，所述信号质量差ΔQ通过所述BLE移动终端设置。
根据本发明的一个实施例，所述BLE移动终端控制漫游过程的链路切换和连接切换，所述BLE基站仅提供可连接的接口。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明实施例的适用于矿井空间的BLE网络的示意图；
图2为根据本发明实施例的适用于矿井空间的BLE漫游通信方法的流程图；
图3为根据本发明实施例的适用于矿井空间的BLE漫游通信方法的示意图。
附图标记：
适用于矿井空间的BLE网络100；
BLE基站10；第一BLE基站11；第二BLE基站12；第三BLE基站13；第四BLE基站14；
BLE固定终端20；
BLE移动终端30；
主要通信链路40；
次要通信链路50。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面首先结合附图具体描述根据本发明实施例的适用于矿井空间的BLE网络100。
如图1所示，根据本发明实施例适用于矿井空间的BLE网络100，BLE网络包括以下设备：BLE基站10、BLE固定终端20和BLE移动终端30。
具体地，BLE基站10沿矿井的线型巷道空间布设，形成交叉覆盖的BLE信号，BLE固定终端20与BLE基站10建立固定的连接、并与BLE基站10传输交互数据，BLE移动终端30与两台BLE基站10建立冗余的BLE连接，并在移动过程中切换与BLE基站10的连接并保持传输链路以及交互数据的不间断。
换言之，根据本发明实施例适用于矿井空间的BLE无线网络100主要由沿矿井的线型巷道空间布置的BLE基站10，以及与BLE基站10相连接的BLE固定终端20和BLE移动终端30组成。
其中，BLE基站10与BLE基站10间相互连接，并形成交叉覆盖的BLE信号，BLE基站10之间可以通过高速以太网、低速现场总线连接并通信，也可以通过BLE信号进行无线跳接通信，BLE固定终端20和BLE移动终端30与BLE基站10连接，接入BLE无线网络，BLE固定终端20能够与BLE基站10传输交互数据，BLE移动终端30不仅能够与BLE基站10传输交互数据，而且在移动过程中能够快速切换与BLE基站10的BLE连接，以保持最佳的传输信号，并且能够保证传输链路以及交互数据的不间断，可以是矿用的手机、便携式安全仪等。
由此，根据本发明实施例适用于矿井空间的BLE无线网络100，BLE无线网络设备的成本低、功耗低，有利于矿井下大量集成使用，便于手机等通信设备加入网络。
在本发明的一些实施例中，BLE基站10包括：至少一个基站模组，每个基站模组包括若干BLE基站10接口，BLE固定终端20和BLE移动终端30与BLE基站10的BLE基站10接口无线连接。
优选地，控制仅一组基站模组的BLE基站10接口进行可连接的广播
为提高BLE基站10的终端接入能力，BLE基站10设计具有4个基站模组，每个基站模组可开放8个并行BLE接口、允许8个终端连接，BLE基站10可同时允许32个终端接入。需要说明的是，BLE基站10应至少具有1个基站模组，可通过增加或减少基站模组的数量调整BLE基站10接入终端的能力。
BLE基站10通过模组控制器控制基站模组逐个投入工作，优选地，仅有1个基站模组的从机接口进行可连接的广播，即：
1)当1号模组的8个通道未完全占用时，2、3、4等三个模组休眠；
2)当1号模组的8个通道已完全占用时，1号模组停止广播，2号模组投入运行，3、4等两个模组保持休眠；
3)当2号模组的8个通道未完全占用时，3、4等两个模组休眠；
4)当1号模组的占用解除、产生空闲的通道时，其它投入运行的模组保持连接、停止广播。
通过控制BLE基站10的基站模组的基站接口逐个投入工作，能够避免连接重复，也减少了无线信道的占用。
总而言之，根据本发明实施例适用于矿井空间的BLE无线网络100，通过设置沿矿井的线型巷道空间布置的BLE基站10，形成交叉覆盖的BLE信号，BLE固定终端20、BLE移动终端30接入BLE基站10，BLE无线网络设备的成本低、功耗低，有利于矿井下大量集成使用，也便于手机等通用设备加入网络。通过设计具有可增减的BLE基站模组和终端接入能力，并控制基站模组的接口逐个投入工作，能够避免连接重复，也减少了无线信道的占用。
如图2所示，本发明实施例还提供了适用于矿井空间的BLE漫游通信方法，包括以下步骤：
S1、未连接BLE基站10的BLE移动终端30监测若干BLE基站10发布的广播信号，获得基站的通信地址、无线信号强度和已建连接数量，并评估BLE基站10的信号质量Qa；
S2、BLE移动终端30按照步骤S1的信号质量Qa选择最佳的两个BLE基站10进行连接，以与信号质量最佳的BLE基站10的连接为主要通信链路40，传输交互数据，以与信号质量次佳的BLE基站10的连接为次要通信链路50，不传输交互数据，仅保持连接；
S3、BLE移动终端30在移动过程中，持续监测和评估主要通信链路40的信号质量Qpc、次要通信链路50的信号质量Qsc以及未连接的BLE基站10的广播信号质量Qa；
S4、BLE移动终端30持续监测步骤S3的信号质量，当Qsc大于Qpc，且质量差大于ΔQ时，进行数据通道切换；
S5、BLE移动终端30持续监测步骤S3的信号质量，当Qa大于Qsc，且质量差大于ΔQ时，进行连接通道切换。
换言之，根据本发明的适用于矿井空间的BLE漫游通信方法，首先，BLE移动终端30不断进行扫描，搜索获得附近BLE基站10发布的广播信号，并从发布的广播信号中挑选出信号质量最佳的两个BLE基站10进行连接，接着，从这两个BLE基站10中挑选信号质量最佳的作为主要通信链路40，BLE移动终端30通过主要通信链路40进行传输数据，余下的一个BLE基站10作为次要通信链路50进行连接，次要通信链路50仅保持连接，不进行传输交互数据。
BLE移动终端30在不断移动过程中，与BLE基站10的距离逐渐产生变化，连接的信号质量以及其他BLE基站10的广播信号质量也随着BLE移动终端30的移动而变化，BLE移动终端30持续监测已连接的信号质量、其它BLE基站10的广播信号质量，当BLE移动终端30监测到主要通信链路40信号质量低于次要通信链路50的信号质量，且质量差大于ΔQ时，连接通道由主要通信链路40切换至次要通信链路50，次要通信链路50转变为新的主要通信链路40，当BLE移动终端30监测到次要通信链路50的信号质量低于BLE基站10发布广播的信号质量，且质量大于ΔQ时，连接通道由次要通信链路50切换至发布的广播信号的BLE基站10，重新建立次要通信链路50。BLE基站10提供可连接的基站接口，漫游过程的链路切换和连接切换由BLE移动终端30控制。
由此，根据本发明的适用于矿井空间的BLE漫游通信方法，BLE移动终端30建立传输数据的主要通信链路40和保持连接的次要通信链路50，通过链路和连接切换保证了信息交互通道的稳定性，与传统的矿井无线通信相比，能够减少因移动导致无线终端与无线基站连接断开、造成通信链路的中断和数据丢失，与基于广播的BLE MESH相比，本发明采用基于连接的通信方式，数据包的有效数据载荷容量大、数据收发传输的目标明确，通信带宽更高。
可选地，当BLE移动终端30的主要通信链路40切换时，BLE移动终端30通过BLE基站10向网络广播主要通信链路40的连接通道，各BLE基站10接收并更新该BLE移动终端30的连接通道。通过BLE移动终端30的连接通道更新，BLE移动终端30漫游引起的传输路径的变化得以不断更新，交互信息可以准确到达目标设备，保证通信路径有效性。
在本发明的一些实施例中，BLE基站10、BLE移动终端30与BLE固定终端20设置相应的名称属性。通过将BLE基站10、BLE移动终端30与BLE固定终端20设置相应的名称属性，能够避免BLE移动终端30扫描和连接到BLE基站10以外的BLE设备，同时避免BLE基站10被未知的BLE设备连接，提高通信的安全性能。
根据本发明的一个实施例，各信号质量Q根据BLE基站10的无线信号强度和已建连接数量进行核算。
具体地，信号质量Q的核算依据为BLE基站10的无线信号强度、已建连接数量，Q评估方法如下：当Nc不小于常数C时，Q＝0，当Nc小于常数C时、Q＝(G+Rg)。
其中，常数C为BLE基站10的连接信道总数、一般为37个，Nc为BLE基站10已建立的连接数量，G为常数，表示包含BLE网络中BLE基站10与BLE移动终端30的天线增益的BLE信号强度范围，一般为200dBm，Rg为BLE移动终端30监测到的各BLE基站10的BLE信号强度。
优选地，ΔQ为10dBm，通过BLE移动终端进行设置。
如图3所示，根据本发明的一个实施例，BLE移动终端30沿第一BLE基站11到第四BLE基站14的范围内移动时的漫游方法，步骤如下：
本实施例中主要通信链路40简称为主链路，次要通信链路50简称为次链路。
1)BLE移动终端30扫描发现多个BLE基站10，与信号质量最佳的第一BLE基站11连接、以该连接C2为主链路LP，与信号质量次等的第二BLE基站12连接、以该连接C3为次链路LS，BLE移动终端30为BLE连接的主机、各BLE基站10为BLE连接的从机；
2)BLE移动终端30实时监测第一BLE基站11、第二BLE基站12和第三BLE基站13、第四BLE基站14的信号强度；其中，第一BLE基站11、第二BLE基站12为连接基站，第三BLE基站13、第四BLE基站14为广播基站。
3)BLE移动终端30由第一BLE基站11向第二BLE基站12移动，BLE移动终端30监测可发现主链路LP的信号质量QP2降低、次链路LS的质量QS3提高，当QS3大于QP2、且差值大于ΔQ时，BLE移动终端30切换数据传输的连接通道，即：主链路LP由连接C2切换到C3，C2变为次链路LS的连接通道；
4)BLE移动终端30由第一BLE基站11向第二BLE基站12移动、越过第一BLE基站11时，BLE移动终端30监测可发现与第一BLE基站11的连接C2的信号质量QS2降低、第三BLE基站13的信号质量QA4提高，当QA4大于QS2、且差值大于ΔQ时，BLE移动终端30切换次链路LS，即：断开与第一BLE基站11的连接C2，建立与第三BLE基站13的连接C4、并将连接C4作为次链路LS；
5)BLE移动终端30由第二BLE基站12向第三BLE基站13移动，BLE移动终端30监测可发现主链路LP的信号质量QP3降低、次链路LS的质量QS4提高，当QS4大于QP3、且差值大于ΔQ时，BLE移动终端30切换数据传输的连接通道，即：主链路LP由连接C3切换到C4，C3变为次链路LS的连接通道；
6)BLE移动终端30由第二BLE基站12向第三BLE基站13移动、越过第二BLE基站12时，BLE移动终端30监测可发现与第二BLE基站12的连接C3的信号质量QS3降低、第四BLE基站14的信号质量QA5提高，当QA5大于QS3、且差值大于ΔQ时，BLE移动终端30切换次链路LS，即：断开与第二BLE基站12的连接C3，建立与第四BLE基站14的连接C5、并将连接C5作为次链路LS。
总而言之，根据本发明的适用于矿井空间的BLE漫游通信方法，通过BLE移动终端30建立传输数据的主要通信链路40和保持连接的次要通信链路50，通过链路和连接切换保证了信息交互通道的稳定性，与传统的矿井无线通信相比，能够减少因移动导致无线终端与无线基站连接断开、造成通信链路的中断和数据丢失，与基于广播的BLE MESH相比，本发明采用基于连接的通信方式，数据包的有效数据载荷容量大、数据收发传输的目标明确，通信带宽更高。此外，通过BLE基站10不断更新传输路径，保证了通信的有效性，通过设置相应的属性名称，提高了通信的安全性能。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种适用于矿井空间的BLE漫游通信方法，其特征在于，BLE网络包括以下设备：
BLE基站，所述BLE基站沿矿井的线型巷道空间布设，形成交叉覆盖的BLE信号；
BLE固定终端，所述BLE固定终端与所述BLE基站建立固定的连接、并与所述BLE基站传输交互数据；
BLE移动终端，所述BLE移动终端与两台BLE基站建立冗余的BLE连接，并在移动过程中切换与所述BLE基站的连接并保持传输链路以及交互数据的不间断；
适用于矿井空间的BLE漫游通信方法，包括以下步骤：
S1、未连接BLE基站的BLE移动终端监测若干BLE基站发布的广播信号，获得基站的通信地址、无线信号强度和已建连接数量，并评估BLE基站的信号质量Qa；
S2、所述BLE移动终端按照步骤S1所述的信号质量Qa选择最佳的两个BLE基站进行连接，以与信号质量最佳的BLE基站的连接为主要通信链路，传输交互数据，以与信号质量次佳的BLE基站的连接为次要通信链路，不传输交互数据，仅保持连接；
S3、所述BLE移动终端在移动过程中，持续监测和评估所述主要通信链路的信号质量Qpc、所述次要通信链路的信号质量Qsc以及未连接的BLE基站的广播信号质量Qa；
S4、所述BLE移动终端持续监测步骤S3所述的信号质量，当Qsc大于Qpc，且质量差大于ΔQ时，进行数据通道切换；
S5、所述BLE移动终端持续监测步骤S3所述的信号质量，当Qa大于Qsc，且质量差大于ΔQ时，进行连接通道切换。
2.根据权利要求1所述的适用于矿井空间的BLE漫游通信方法，其特征在于，所述BLE基站包括：至少一个基站模组，每个所述基站模组包括若干BLE基站接口，所述BLE固定终端和BLE移动终端与所述BLE基站的所述BLE基站接口无线连接。
3.根据权利要求2所述的适用于矿井空间的BLE漫游通信方法，其特征在于，还包括：控制仅一组所述基站模组的所述BLE基站接口进行可连接的广播。
4.根据权利要求1所述的适用于矿井空间的BLE漫游通信方法，其特征在于，当所述BLE移动终端的主要通信链路切换时，所述BLE移动终端通过所述BLE基站向网络广播主要通信链路的连接通道，各BLE基站接收并更新该所述BLE移动终端的连接通道。
5.根据权利要求1所述的适用于矿井空间的BLE漫游通信方法，其特征在于，所述BLE基站、所述BLE移动终端与所述BLE固定终端具有相应的名称属性。
6.根据权利要求1所述的适用于矿井空间的BLE漫游通信方法，其特征在于，各信号质量Q根据所述BLE基站的无线信号强度和已建连接数量进行核算。
7.根据权利要求1所述的适用于矿井空间的BLE漫游通信方法，其特征在于，所述信号质量差ΔQ为10dBm。
8.根据权利要求1所述的适用于矿井空间的BLE漫游通信方法，其特征在于，所述信号质量差ΔQ通过所述BLE移动终端设置。
9.根据权利要求1所述的适用于矿井空间的BLE漫游通信方法，其特征在于，所述BLE移动终端控制漫游过程的链路切换和连接切换，所述BLE基站仅提供可连接的接口。
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