CN112969246A - 一种工业自组网无线数据采集传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种工业自组网无线数据采集传输系统，其采用WLAN技术，利用通用的2400MHz频率，由多个节点组成一个自组网自愈型IP无线通信网络，在网络中实现多点到多点的多方向传输；其可有若干接口直接连接用户采集设备；采用CPR‑WF20系列工业自组网络无线数据采集传输终端作为系统节点的主体，采用载波侦听/冲突避免协议；采用分布式接入控制协议，所有节点地位均等，无中心节点，每个节点都能够获得网络内每条链路质量的详细信息，无中心自组织、网络拓扑自适应、链路自适应、多跳中继路由自适应；采用多跳Mesh架构，实现链式通信覆盖，采用高效调制编码实现高数传率。本发明的优点是，部署便捷、使用灵活、操作简单、维护方便。

Description

一种工业自组网无线数据采集传输系统

技术领域

本发明属于通信系统技术领域，具体涉及一种工业自组网无线数据采集传输系统。

背景技术

无线Mesh自组网(WMN，Wireless Mesh)又称无线网状或无线网格网，是一款由多种类型节点构成的，以网状为基本拓扑结构：自组网、自修复、多跳级联、自组织和自管理等特点的无线新型网络架构。常应用于领域。该网络技术之前一直用于军用和应急通信领域，随着其他通信技术发展，该技术也逐步应用于工业领域。作为蜂窝网通信的补充，无线Mesh自组网可以用于多点传感器采集、特殊环境通信、非蜂窝网环境下快速组网。无线自组网通常构成一个局部范围内不依赖固定基础通信设施的互联网络，作为现有军民用固定、移动通信系统的补充，无线自组网技术近年来呈迅猛发展态势，迅速从军事通信领域渗透到相关工业、商业等民用通信领域，应用非常广泛，市场巨大。现有自组网存在自适应能力差、兼容性交底，同时结构不够灵活，性能不够稳定等问题，本发明旨在解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是解决上述问题，提供一种部署便捷、使用灵活、操作简单、性能稳定、维护方便的工业自组网无线数据采集传输系统。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种工业自组网无线数据采集传输系统，其特征在于，其采用WLAN技术，利用通用的2400MHz频率，由多个节点组成一个自组网自愈型IP无线通信网络，在网络中实现视频数据、图像数据、话音数据和文件数据业务数据的多点到多点的多方向传输；其可有若干外部接口直接连接用户的采集设备；采用 CPR-WF20系列工业自组网络无线数据采集传输终端作为系统节点的主体，采用载波侦听/冲突避免协议；采用分布式接入控制协议，所有节点地位均等，无中心节点，每个节点都能够获得网络内每条链路质量的详细信息，无中心自组织、网络拓扑自适应、链路自适应、多跳中继路由自适应；采用多跳Mesh架构，实现链式通信覆盖，采用高效调制编码实现高数传率。

进一步的，所述载波侦听/冲突避免协议是一种分时多路复用技术，采用“先听后说”的方式，同一时刻只有一个节点发送有效信息。

进一步的，所述无线数据采集传输系统提供1个10/100M自适应LAN/WAN 自动切换RJ45端口，接xDSL Modem/Cable。

进一步的，所述无中心自组织采用分组交换机制，即时组网、即时通信。

进一步的，所述无线数据采集传输系统支持通用即插即用，支持点对点、点对多点、多点对多点、网状网模式。

进一步的，所述无线数据采集传输系统提供外置电源。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明统所有节点在非视距、快速移动条件下，利用无中心自组网的分布式网络构架，可实现多路语音、数据、图像等多媒体信息的实时交互。同时，系统支持任意网络拓扑结构，每个节点设备可随机快速移动，系统拓扑可随之快速变化更新且不影响系统传输，整体系统部署便捷、使用灵活、操作简单、性能稳定、维护方便。

自组网采用分组交换机制，在无固定基础设施的情况下进行自动组网与动态接入通信，为多节点通信系统协同工作提供了一种解决途径，主要特点是网络拓扑自适应、链路自适应、多跳中继路由自适应和无中心节点。自组网一种新的组网技术，可以无中心且不依赖预设的基础设施而快速组建，是一种多跳、自创建、自组织、自管理、抗摧毁的系统，其移动终端具有路由功能，可以通过无线连接构成任意的网络拓扑，可独立组网工作，也可与以太网或蜂窝无线网络连接。

应用非常广泛，市场巨大。该技术已经应用于军事和应急通信领域，表现出了非常明显的技术特色：结构灵活、性能稳定、自愈合、使用方便。因为该网络是无中心网络，只要任意两个节点不断，就可以快速形成通信能力，比起传统通信技术，具备更高的可靠性。并且，该技术经过发展以及逐步成熟，采用该技术应用于工业领域，用于在补充蜂窝网络和特殊环境条件下是非常有价值的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的工业自组网络无线数据采集传输终端模块主板示意图。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案能予以实施，下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但所举实施例只作为对本发明的说明，不作为对本发明的限定。

自组网技术不同于有中心控制的通信网络，它是一个无中心的扁平化网络，组成自组网的各个节点地位是相同的，每个节点既是终端，又是路由器，所有参与的节点自动相互协作完成相互发现和传输数据的功能，实现网络节点的互联互通和信息的共享。作为一种分布式网络，自组织网络是一种自治、多跳网络，整个网络没有固定的基础设施，能够在不能利用或者不便利用现有网络基础设施(如基站、AP)的情况下，提供终端之间的相互通信。

所有节点实现“开机即入网”，各个节点无需事先设置中心控制节点，即可实现快速组网，随即入网的功能。任何一个节点可以随时加入或退出网络，只会影响到局部的变化，而不会影响到整个网络的存活。自组网的无中心、自动组网、自动多跳传输、自动选择最佳路径等特性，使其更能适应高动态复杂应用环境下的应用需求，同时适应网络节点规模、节点密度的动态变化。

本发明的自组网技术形成了以多链路、高动态、低时延、自适应组网技朮为核心的CPR-WFMESH自组网产品体系，能够很好地满足工业物联网应用及应急通信的需求。

1、产品介绍

CPR-WFMESH多址接入无线组网通信系统是本发明运用于工业物联网行业的多址接入无线组网通信系统。该自组网系统采用WLAN技术，可基于Mesh 网络架构、信道共享多址接入、多跳快速路由以及主动感知型链路自适应技术，快速、灵活组建无中心区域通信系统，提供“即建即用”、高带宽、高可靠性信息传输服务。利用通用的2400MHz频率，可由多个节点组成一个自组网自愈型IP无线通信网络，在网络中实现视频数据、图像数据、话音数据和文件数据等业务数据的多点到多点的多方向传输，从而为用户提供无线短距离的监控、采集和传输功能，可通过设备提供的丰富外部接口直接连接用户的PLC、智能仪表、传感器等相关采集设备，并且可结合DTU实现长距离通信。

CPR-WFMESH自组网系统实现依赖于合理的硬件环境，设计节点间的网络均采用的802.11(b/g/n)标准，且需节点装载OpenWrt系统来进行网络参数以及路由协议进行配置。此外，节点既要负责自身覆盖的终端的接入需要，又要完成向其他节点转发信息以及拓扑发现的功能。因此节点中会有大量的数据流的存在，所以对CPU的处理能力、内存的读写速度以及容量都有一定的要求，以应对大量数据流的转发、封装以及解封等工作。鉴于此，以定制CPR-WF20 系列工业自组网络无线数据采集传输终端来作为CPR-WFMESH系统节点的主体，如图1所示。

CPR-WF20系列工业自组网无线数据采集传输终端是应用于 CPR-WFMESH系统的专用终端，是一款WiFi MESH的产品，可提供IP数据、视频、音频、串口数据和定位信息采集和传输，每个模块在网络中，既是终端节点，又具备路由功能，它无需任何用户协议即可实现逐级中继，扩大传输范围，延长通信距离。模块工作在CPR-WFMESH自组网系统模式时，能够自动组网，具备自动识别路由、自动网络维护、自动校验等功能，保证网络稳定，数据传输可靠，特别适用于多节点、远距离及环境复杂的通信场合。经过实际测试，该产品指标能达到接入时间小于5ms，呼通率大于98.9％，掉线率小于 1％，传输时延小于3ms，网络带宽达到33Mbps(开放空口，免授权频段有干扰)，最大功耗小于10W，模块重量小于800g。本系列产品在机房监控系统、电力监控系统、安防工程、医疗卫生监控、能耗监控系统、智能家居、应急通信等领域广泛应用，用于连接固定节点和移动中节点的最佳解决方案，基于此并可实现多种协议的MESH网络产品。

2、产品特点

1)使用2.4GHz全球免执照频段实现MESH网络，支持最高达150Mbps的传输速率，具备速率自适应功能，可以自动调整无线传输速率；

2)系统使用WLAN技术实现优秀的传输范围以及非视距传输能力；

3)采用载波侦听/冲突避免协议(CSMA/CA)，其本质上是一种分时多路复用技术，采用“先听后说”的方式，同一时刻只有一个节点发送有效信息，对支持的节点数量没有限制；

4)该自组织网络是多点对多点的“多方向性”网络，任意节点都可作为接力点，多径接收后的载波还原能力强；

5)网络拓扑快速组织，分布式接入控制协议，所有节点地位均等；

6)分布式控制系统，无中心节点，每个节点都能够获得网络内每条链路质量的详细信息；

7)易于使用，自组网无线模块可直接集成到目标设备的通信链路即可使用；

8)即开即用，加电后1秒内网络开通；

9)无中心自组织可即时组网、即时通信，抗干扰/抗毁能力强，具备大规模部署能力；

10)多跳Mesh架构实现链式通信覆盖，可自动优化网络结构；

11)高效调制编码实现高数传率，提高低信噪比条件下的信息传输能力，支持高速移动中通信；

12)提供1个10/100M自适应LAN/WAN自动切换RJ45端口，可接xDSL Modem/Cable。

13)支持11b only、11g only、11n only、11bg mixed和11bgn mixed等多种无线模式。

14)提供外置电源，可通过Micro USB接口受电。

15)支持通用即插即用(UPnP)，符合UPnP标准的数据可顺利通过。

16)支持点对点、点对多点、多点对多点、网状网模式。

17)平台提供不死uboot与openwrt sdk开放式支持。

3、技术所属领域

Mesh无线自组网系统是采用全新的“无线网格网”理念设计的移动宽带多媒体通信系统。系统所有节点在非视距、快速移动条件下，利用无中心自组网的分布式网络构架，可实现多路语音、数据、图像等多媒体信息的实时交互。同时，系统支持任意网络拓扑结构，每个节点设备可随机快速移动，系统拓扑可随之快速变化更新且不影响系统传输，整体系统部署便捷、使用灵活、操作简单、维护方便。

自组网采用分组交换机制，在无固定基础设施的情况下进行自动组网与动态接入通信，为多节点通信系统协同工作提供了一种解决途径，主要特点是网络拓扑自适应、链路自适应、多跳中继路由自适应和无中心节点。自组网一种新的组网技术，可以无中心且不依赖预设的基础设施而快速组建，是一种多跳、自创建、自组织、自管理、抗摧毁的系统，其移动终端具有路由功能，可以通过无线连接构成任意的网络拓扑，可独立组网工作，也可与以太网或蜂窝无线网络连接。

4、应用领域

无线Mesh自组网(WMN，Wireless Mesh)又称无线网状或无线网格网，是一款由多种类型节点构成的，以网状为基本拓扑结构：自组网、自修复、多跳级联、自组织和自管理等特点的无线新型网络架构。常应用于安全和保密领域。该网络技术之前一直用于军用和应急通信领域，随着其他通信技术发展，该技术也可应用于工业领域。作为蜂窝网通信的补充，无线Mesh自组网可以用于多点传感器采集、特殊环境通信、非蜂窝网环境下快速组网。无线自组网通常构成一个局部范围内不依赖固定基础通信设施的互联网络，作为现有军民用固定、移动通信系统的补充，无线自组网技术近年来呈迅猛发展态势，迅速从军事通信领域渗透到相关工业、商业等民用通信领域，应用非常广泛，市场巨大，主要应用领域包括：

1)工业传感网络/物联网/车联网

2)应急通信

3)军警通信

4)特种行业野外/现场通信

5)商业应用

6)智慧城市构建

5、本发明技术创新点

1)多链路自适应

设备采用快速路径关键技术，具备多链路自适应组网能力，可支持在接入的多种通信介质、多种无线通信波段间动态、髙效选择最佳通信路径，组成透明、无中心的网絡通信。

2)网络自愈性强

自组网设备具备多波段并行工作能力，当一个波段遭受干扰时可自动切换到另一波段工作，即使所有工作波段都遭受干扰，通过多设备自动接力传输，仍能保证网络连通；当部分节点出现故障、损毁或被干扰时，能迅速自动选择其它节点进行通信。

3)兼容性好，带宽高

自组网设备面向业务单元提供统一的标准成太网接口，能够方便的与其他具备IP系统实现互连互通；有效传输速率最高可达每秒几十兆比特，支持视频、图像、语音、数据等各种信息化应用。

4)快速部署，简单易用

设备开机后网络自动形成，无须事先逬行复杂的网络拓扑规划和配置，具有直观的链路状态指示，简单易用，使系统具备快速部署能力。

5)高动态、低时延

自组网设备采用高效组网协议，具备低时延特性，能够满足对实时性要求较高的控制类业务要求；同时，能够适应高动态复杂应用场景，支持节点最大移动速度350公里/小时的动中通。

6)节点规模大

支持大规模节点组网，最大网络规模可达200个节点。

6、本发明的进步性

无线自组网技术的先驱———AdHoc网络最早出现于上世纪70年代，主要用于军事通信。AdHoc网络是一种特殊的无线通信网，无需依赖任何预先架设的网络设施就可以快速自动组网，并具有很强的抗毁性和灵活性，对于抢险救灾、野外考察、油田矿山、军事等特殊场合的网络通信具有非常重要的意义。 AdHoc网络早期主要用于军事通信领域，用以研究如何保证在多跳无线网络环境中高效和可靠地传送数据。随着研究的深入和信息技术的进步，AdHoc网络的应用逐渐转向民用和商业领域，可应用于网络体系结构、跨层设计、服务发现、网络互联和信息安全传输等。

该专利技术具有非常明显的技术特色：结构灵活、性能稳定、自愈合、使用方便。因为该网络是无中心网络，只要任意两个节点不断，就可以快速形成通信能力，比起传统通信技术，具备更好的可靠性。并且，该技术经过多年发展以及逐步成熟，采用该技术应用于工业领域，用于在补充窝网络和特殊环境条件下是非常有价值的。

7、本发明的社会效益评价

1)对产业的带动作用

本发明的建设属于新建产能、提升产品研制开发水平的性质，基于本专利的项目在一定程度上可满足国内煤炭、化工、电力等行业对自组网设备的市场需求。随着规模的扩大，形成产品的规模相应，较低成本，有力的提高市场占有率，增强与进口相关产品的竞争优势，提高对我国迅猛发展的移动4G和5G 网络系统的设备配套能力，从而提高产品的国有化率。本发明产品属于芯片、模块、组件以及配套系统设备类，属于产业链的中游。通过本发明的建设可拉动其产业链上下游的发展。在其下游可促进其元器件供应商对产品性能指标、尺寸、集成度等方面的提高，同时拉动下游产能的提升；对其上游为通信系统的系统设备或大通信系统的系统集成商，本发明产品品质的提升，可有效增强其组网并经系统集成后系统运行的可靠性和效率，提高通信网络的冗余能力和抗压能力。

2)解决就业情况

随着企业生产规模的扩大，企业对人力的需求将增大，据初步测算，专利后续项目可解决数十人就业问题。

3)节能减排效果

本发明耗能较少，生产基本无污染物产生，节能减排效果明显。

本发明中未做详细描述的内容均为现有技术。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种工业自组网无线数据采集传输系统，其特征在于，其采用WLAN技术，利用通用的2400MHz频率，由多个节点组成一个自组网自愈型IP无线通信网络，在网络中实现视频数据、图像数据、话音数据和文件数据业务数据的多点到多点的多方向传输；其可有若干外部接口直接连接用户的采集设备；采用CPR-WF20系列工业自组网络无线数据采集传输终端作为系统节点的主体，采用载波侦听/冲突避免协议；采用分布式接入控制协议，所有节点地位均等，无中心节点，每个节点都能够获得网络内每条链路质量的详细信息，无中心自组织、网络拓扑自适应、链路自适应、多跳中继路由自适应；采用多跳Mesh架构，实现链式通信覆盖，采用高效调制编码实现高数传率。

2.根据权利要求1所述的一种工业自组网无线数据采集传输系统，其特征在于，所述载波侦听/冲突避免协议是一种分时多路复用技术，采用“先听后说”的方式，同一时刻只有一个节点发送有效信息。

3.根据权利要求1所述的一种工业自组网无线数据采集传输系统，其特征在于，所述无线数据采集传输系统提供1个10/100M自适应LAN/WAN自动切换RJ45端口，接xDSL Modem/Cable。

4.根据权利要求1所述的一种工业自组网无线数据采集传输系统，其特征在于，所述无中心自组织采用分组交换机制，即时组网、即时通信。

5.根据权利要求1所述的一种工业自组网无线数据采集传输系统，其特征在于，所述无线数据采集传输系统支持通用即插即用，支持点对点、点对多点、多点对多点、网状网模式。

6.根据权利要求1至5任一项所述的一种工业自组网无线数据采集传输系统，其特征在于，所述无线数据采集传输系统提供外置电源。

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