CN114007240B - 一种无线网络故障监测系统及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高速公路隧道中机电设备监测技术领域，公开了一种无线网络故障监测系统及监测方法，无线网络故障监测系统包括控制主机、网关和监测终端，监测终端包括无线通信模块、网络设备通信监测模块、网络光缆通信监测模块、以及开关量输出控制电路，无线通信模块与网关进行无线通信，网络设备通信监测模块与待测隧道内的待测工业交换机连接，开关量输出控制电路与所需控制的机电设备连接，这样，监测终端基于控制主机的命令，可以实现数据透传、网络设备通信监测、网络光缆通信监测、和开关量输出控制的功能，能够准确监测隧道内机电设备与网络光缆的网络通信故障状态，满足隧道机电设备高效、智能运维需要。

Description

一种无线网络故障监测系统及监测方法

技术领域

本发明涉及高速公路隧道中网络通信监测技术领域，尤其涉及一种无线网络故障监测系统及监测方法。

背景技术

我国高速公路总长度在迅速增长，高速公路广泛向山区延伸，隧道数量不断增多。隧道内环境恶劣，例如经常出现潮湿、渗水、油污、积尘、尾气等情况，这种恶劣的环境容易导致机电设备的电力故障频发。当网络设备发生网络通信故障后，网络设备无法正常工作，在隧道管理所远程监控室往往只能反应出系统或某网络设备故障，难以判断是网络通信线路故障还是设备功能性故障，且无法精准确定故障的位置。故障排查往往只能通过人步行进隧道现场逐一检查，因故障原因及故障地点事先未知，有时候往往需要专业人士多次往返才能排除故障，耗时又费力。可见，现有的隧道中对网络通信的监测效果较差，无法满足隧道机电设备高效、智能运维需要。

发明内容

本发明提供了一种无线网络故障监测系统及监测方法，以解决现有技术中存在的问题。

为了实现上述目的，本发明通过如下的技术方案来实现：

第一方面，本发明提供一种无线网络故障监测系统，包括：控制主机、网关和监测终端，所述监测终端设置于待测隧道内且与所需网络通信监测控制的机电设备连接，所述网关设置于所述待测隧道的隧道口处，且与所述监测终端内置的无线通信模块无线通信连接，所述控制主机与所述网关通过总线串行通行连接；

所述监测终端包括无线通信模块、网络设备通信监测模块、网络光缆通信监测模块、以及开关量输出控制电路，所述网络设备通信监测模块及网络光缆通信监测模块与待测隧道内的待测工业交换机连接，所述开关量输出控制电路与所述所需控制的机电设备连接；

所述网络设备通信监测模块用于根据网络设备通信监测命令采集所述待测工业交换机及其所接的网络设备的网络通信状态，并将监测到的网络通信通过所述通信模块发送至所述网关；

所述网络光缆通信监测模块用于根据网络光缆通信监测命令采集与所述监测终端通过光缆连接的其余监测终端的网络通信状态，间接对监测终端之间的光缆的网络通信状态进行监测，并将光缆的网络通信状态通过所述无线通信模块发送至所述网关；

所述开关量输出控制电路用于根据开关量输出控制命令对机电设备进行开关量控制；

所述监测终端还用于数据透传命令对机电设备进行数据透传操作；

所述网关用于将所述控制主机产生的数据透传命令、网络设备通信监测命令、网络光缆通信监测命令、和开关量输出控制命令发送至所述监测终端。

可选地，所述开关量输出控制电路包括电阻R1、光电耦合器To1、电阻R2、电阻R3、第二三极管、电阻R4、电容C1，所述光电耦合器To1的输入侧为第一发光二极管，所述光电耦合器To1的输出侧为第一三极管；

所述电阻R1的第一端与GPA1引脚连接，所述电阻R1的第二端与所述第一发光二极管的正极连接，所述第一发光二极管的负极接地，所述第一三极管的集电极接12伏电源，所述第一三极管的发射极与所述电阻R2的第一端连接，所述电阻R2的第二端与所述第二三极管的基极连接，且所述电阻R2的第二端与所述电阻R3的第一端连接，所述电阻R3的第二端与所述第二三极管的发射极连接，且所述电阻R3的第二端接地，所述第二三极管的集电极与所述电阻R4的第一端连接，所述电阻R4的第二端与所述电阻R3的第二端连接，所述电阻R4的第一端还与所述电容C1的第一端连接，所述电容C1的第二端与所述电阻R4的二端连接。

可选地，所述网络设备通信监测模块通过TCP通信与待测隧道内的待测工业交换机及其所接网络设备等连接。

第二方面，本申请实施例还提供一种无线网络故障监测方法，应用于如第一方面所述的无线网络故障监测系统，包括：

控制主机通过网关向监测终端发送命令；

监测终端通过无线通信模块接收所述命令，在所述命令为数据透传命令的情况下，通过485外部端口将数据透传命令中包含的需要透传的数据传输到现场待测机电设备，若现场待测机电设备有数据通过485外部端口返回到监测终端，将该返回数据无线发送给网关；

在所述命令为网络设备通信监测命令的情况下，根据网络设备通信监测命令采集所述待测工业交换机及其所述的网络设备的网络通信状态，并将监测到的网络通信通过所述通信模块发送至所述网关；

在所述命令为网络光缆通信监测命令的情况下，根据网络光缆通信监测命令采集与所述监测终端通过光缆连接的其余监测终端的网络通信状态，间接对监测终端之间的光缆的网络通信状态进行监测，并将光缆的网络通信状态通过所述通信模块发送至所述网关。

可选地，在所述命令为终端故障诊断命令的情况下，所述监测终端对自身进行故障诊断，并将终端故障状态信息返回给网关。

可选地，在所述命令为参数配置命令的情况下，所述监测终端对自身的无线组网ID以及网络参数进行配置，配置后对终端进行系统重启。

可选地，所述命令携带无线组网ID，所述监测终端通过无线通信模块接收所述命令之后，所述方法还包括：

所述监测终端判断命令中包含的无线组网ID与自身无线组网ID是否相同，如果命令中的无线组网ID与终端自身的无线组网ID相同，则执行命令对应的操作。

有益效果：

本发明提供的无线网络故障监测系统，包括控制主机、网关和监测终端，监测终端包括无线通信模块、网络设备通信监测模块、网络光缆通信监测模块、以及开关量输出控制电路，网络设备通信监测模块及网络光缆通信监测模块与待测隧道内的待测工业交换机连接，开关量输出控制电路与所需控制的机电设备连接，这样，监测终端基于控制主机的命令，可以实现数据透传、网络设备通信监测、网络光缆通信监测、和开关量输出控制的功能，能够准确监测隧道内机电设备的网络故障，满足隧道机电设备高效、智能运维需要。

附图说明

图1为本发明优选实施例的一种无线网络故障监测系统结构图；

图2为本发明优选实施例的监测终端的结构图；

图3为本发明优选实施例提供的1路开关量输出控制电路的电路图；

图4为本发明优选实施例提供的一种无线网络故障监测方法流程图。

具体实施方式

下面对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参见图1，本申请实施例提供一种无线网络故障监测系统，图1中的圆圈为图例，表示网络设备。该无线网络故障监测系统包括：控制主机、网关监测终端，监测终端设置于待测隧道内且与所需网络通信监测控制的机电设备连接，网关设置于待测隧道的隧道口处，且与内置于监测终端的无线通信模块无线通信连接，控制主机与网关通过总线串行通行连接；

监测终端包括无线通信模块、网络设备通信监测模块、网络光缆通信监测模块、以及开关量输出控制电路，网络设备通信监测模块及网络光缆通信监测模块与待测隧道内的待测工业交换机连接，开关量输出控制电路与所需控制的机电设备连接；

网络设备通信监测模块用于根据网络设备通信监测命令采集待测工业交换机及其所接的网络设备的网络通信状态，并将监测到的网络通信通过通信模块发送至网关；

网络光缆通信监测模块用于根据网络光缆通信监测命令采集与监测终端通过光缆连接的其余监测终端的网络通信状态，间接对监测终端之间的光缆的网络通信状态进行监测，并将光缆的网络通信状态通过通信模块发送至网关；

开关量输出控制电路用于根据开关量输出控制命令对机电设备进行开关量控制；

监测终端还用于数据透传命令对机电设备进行数据透传操作；

网关用于将控制主机产生的数据透传命令、网络设备通信监测命令、网络光缆通信监测命令、和开关量输出控制命令发送至监测终端。

在该实施方式中，控制主机与网关通过总线串行通信连接，采用的总线可以是RS485、CAN、PROFIBUS，此处仅作示例，不做限定。

本实施例中，无线通信模块为LoRa无线通信模块，通过采用LoRa无线通信的方式，解决了有线采集方式布线复杂、施工困难等问题，适用于隧道等复杂的实际情况。上位机还可通过无线，对特定终端设备所接的机电设备进行开关量输出控制，并通过485数据透传功能，对现场485设备进行无线数据通信与控制，从而实现当终端监测到现场设备发生故障而无法对其下的其他机电设备进行控制时，终端对由所监测设备控制的机电设备进行无线控制，有利于保障现场设备故障后的系统安全。

在一个可行的实施方式中，如图2所示，虚线框内所示为监测终端内部电路的功能模块及连接示意图。交流220V市电接LoRa无线网络故障监测终端的电源输入端，在内部经过220V转12V电源模块输出直流12V电源。该直流12V经过12V转3.3V电源模块输出直流3.3V电压，给MCU、LoRa无线模块、外部看门狗模块以及以太网模块供电；同时，又经过12V转5V隔离电源模块输出直流5V电压，给RS485串口通信模块提供5V供电。同时，又经过12V转12V隔离电源模块输出直流12V电压，给开关量输出控制电路供电。LoRa无线网络故障监测终端对外具有1个RJ45接口、8个开关量输出控制端口DO1～DO8以及1个485通信端口，用于与外部设备接线。

MCU分别与LoRa无线模块、RS485串口通信模块、外部看门狗模块、以太网模块相连接；以太网模块通过RJ45端口与现场的网络设备相连；RS485串口通信模块通过485通信端口与现场带有485通信接口的设备相连；开关量输出控制端口与现场设备相连实现开关量控制。MCU通过SPI数据通信控制LoRa无线模块发送或接收无线命令实现无线通信。MCU在接收到LoRa无线通信命令后，控制相应模块实现特定功能，若需要返回数据到上位机，则通过LoRa无线模块实现无线发送，将数据返回到上位机，与上位机进行无线通信。此外，MCU通过SPI数据通信对以太网模块进行通信与控制，控制以太网模块对所接网络设备进行“PING”网络通信操作，若“PING”通信正常，则判定网络设备通信正常，若“PING”通信异常，则判定网络设备通信异常，从而实现网络设备的网络通信故障监测。

可选地，所述开关量输出控制电路包括电阻R1、光电耦合器To1、电阻R2、电阻R3、第二三极管、电阻R4、电容C1，所述光电耦合器To1的输入侧为第一发光二极管，所述光电耦合器To1的输出侧为第一三极管；

所述电阻R1的第一端与GPA1引脚连接，所述电阻R1的第二端与所述第一发光二极管的正极连接，所述第一发光二极管的负极接地，所述第一三极管的集电极接12伏电源，所述第一三极管的发射极与所述电阻R2的第一端连接，所述电阻R2的第二端与所述第二三极管的基极连接，且所述电阻R2的第二端与所述电阻R3的第一端连接，所述电阻R3的第二端与所述第二三极管的发射极连接，且所述电阻R3的第二端接地，所述第二三极管的集电极与所述电阻R4的第一端连接，所述电阻R4的第二端与所述电阻R3的第二端连接，所述电阻R4的第一端还与所述电容C1的第一端连接，所述电容C1的第二端与所述电阻R4的二端连接。

在本可选的实施方式中，如图3所示，GPA1～GPA8分别为从I/O扩展模块输出到8路开关量输出控制电路的8路控制信号，图3为第1路开关量输出控制电路，其它7路电路结构与参数相同。MCU通过控制I/O扩展模块来对GPA1的电平进行控制，当控制使GPA1为高电平，该高电平通过电阻R1驱动光电耦合器To1的输入侧光电二极管发光，进而使光电耦合器To1的输出侧导通，+12V通过R2导入三极管Q1的基极，从而可使Q1集电极开路输出闭合；当控制使GPA1为低电平，光电耦合器To1的输入侧光电二极管不发光，光电耦合器To1的输出端关断，Q1的基极无电压，Q1集电极开路输出断开。通过开关量输出控制电路的外部接线端口out1+与out1-，实现该路开关量输出，对该路输出所接机电设备进行开关量输出控制。这样，通过设计结构简单的8路开关量控制输出电路，使终端具备了无线开关量输出控制功能，此电路设计使产品体积较小，节省产品造价。

可选地，所述网络设备通信监测模块通过TCP通信与待测隧道内的待测工业交换机及其所接网络设备连接。

在本可选的实施方式中，监测终端通常通过TCP通信与隧道现场的工业交换机相连，LoRa无线网络故障监测终端接收到通信网关发送的无线控制命令且判断该命令是对本机进行操作，实现对工业交换机以及接在工业交换机下的其他网络设备的网络通信故障状态进行监测，并可通过两个LoRa无线网络故障监测终端之间的网络通信状态进行相互监测，间接对两个LoRa无线网络故障监测终端之间的网络通信光缆的网络通信故障状态进行实时监测，并将网络通信状态数据通过LoRa无线发送给通信网关。

请参见图4，本申请实施例还提供一种无线网络故障监测方法，应用于如上述的无线网络故障监测系统，包括：

控制主机通过网关向监测终端发送命令；

监测终端通过无线通信模块接收所述命令，在所述命令为数据透传命令的情况下，通过485外部端口将数据透传命令中包含的需要透传的数据传输到现场待测机电设备，若现场待测机电设备有数据通过485外部端口返回到监测终端，将该返回数据无线发送给网关；

在所述命令为网络设备通信监测命令的情况下，根据网络设备通信监测命令采集所述待测工业交换机及其所接网络设备的网络通信状态，并将监测到的网络通信通过所述通信模块发送至所述网关；

在所述命令为网络光缆通信监测命令的情况下，根据网络光缆通信监测命令采集与所述监测终端通过光缆连接的其余监测终端的网络通信状态，间接对监测终端之间的光缆的网络通信状态进行监测，并将光缆的网络通信状态通过所述无线通信模块发送至所述网关。

上述的无线网络故障监测方法，可对与该产品所接的工业交换机及其下所接的其他的网络设备的网络通信故障状态进行监测，并通过无线传输到上位机，并发送存在网络通信故障的网络设备的位置信息，便于远程运营维护；此外，还可以对与该产品连接的通信光缆的网络通信故障状态进行无线监测，并通过无线将故障信息以及故障光缆的位置信息传输到上位机，便于远程运营维护。

在本实施方式中，监测终端接收到网关发送的无线命令后，首先根据无线命令中包含的无线组网ID是否与该终端的无线通信ID相同来判断是否为控制该终端的无线命令，如果不是，则继续等待无线命令到来，如果是则判断命令是否为485数据透传命令，如果是，则运行数据透传子程序，通过485外部端口将无线命令中包含的需要透传的数据传输到现场设备。若现场设备有数据通过485外部端口返回到LoRa无线电力故障监测终端，则还会将该返回数据无线发送给电力与网络故障监测通信网关。

进一步地，如果不是485数据透传命令，则判断命令是否为网络设备的网络通信故障监测命令，如果是，则运行网络设备的网络通信故障监测子程序，对通过TCP连接并已将IP地址、子网掩码等网络参数录入到LoRa无线网络故障监测终端内部程序的工业交换机及其下所接的其他网络设备进行“PING”操作来对网络设备的网络通信状况进行监测，并判断网络设备的网络通信是否故障，将所监测的网络设备的网络通信故障状态信息无线发送到电力与网络故障监测通信网关，由通信网关将网络设备的网络通信故障数据回传到上位机中。

进一步地，如果不是网络设备的网络通信故障监测命令，则判断是否为网络光缆通信监测命令，如果是，则运行光缆的网络通信故障监测子程序，对通过光缆连接并已将IP地址、子网掩码等网络参数录入到该LoRa无线网络故障监测终端内部程序的另一个LoRa无线网络故障监测终端进行“PING”操作来对它们之间的这段光缆的网络通信状况进行监测，并判断光缆的网络通信是否故障，将所监测的该段光缆的网络通信故障状态信息无线发送到电力与网络故障监测通信网关，由通信网关将该段光缆的网络通信故障数据回传到上位机中。

进一步地，如果不是光缆的网络通信故障监测命令，则判断是否为开关量输出控制命令，如果是，则运行开关量输出控制子程序，控制开关量输出控制电路对机电设备进行开关量控制。

需要说明的是，监测设备在发送上述的信息时，同时发送机电设备的位置信息，上位机可进一步判断机电设备的电力故障状态，当发生故障时，根据位置信息进行故障定位。

可选地，在所述命令为终端故障诊断命令的情况下，所述监测终端对自身进行故障诊断，并将终端故障状态信息返回给网关。

进一步地，如果不是开关量输出控制命令，则判断是否为终端故障诊断命令，如果是，则运行终端故障诊断子程序，对终端自身进行故障诊断，并将终端故障状态信息通过无线返回给电力与网络故障监测通信网关。这样，终端不仅可以监测现场机电设备的电力故障状态，还可无线监测终端自身存在的故障，便于远程运营维护。

可选地，在所述命令为参数配置命令的情况下，所述监测终端对自身的无线组网ID以及网络参数进行配置，配置后对终端进行系统重启。

进一步地，如果不是终端故障诊断命令，则判断是否为对终端进行参数配置命令，如果是，则运行配置终端参数子程序，对终端的无线组网ID以及网络参数等进行配置，配置后对终端进行系统重启，如果不是，则监测终端继续等待新的无线命令到来。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种无线网络故障监测系统，其特征在于，包括：控制主机、网关和监测终端，所述监测终端设置于待测隧道内且与所需网络通信监测控制的机电设备连接，所述网关设置于所述待测隧道的隧道口处，且与所述监测终端内置的无线通信模块无线通信连接，所述控制主机与所述网关通过总线串行通行连接；

所述监测终端包括无线通信模块、网络设备通信监测模块、网络光缆通信监测模块、以及开关量输出控制电路，所述网络设备通信监测模块及网络光缆通信监测模块与待测隧道内的待测工业交换机连接，所述开关量输出控制电路与所述所需控制的机电设备连接；

所述网络设备通信监测模块用于根据网络设备通信监测命令采集所述待测工业交换机及其所接网络设备的网络通信状态，并将监测到的网络通信状态通过所述无线通信模块发送至所述网关；

所述网络光缆通信监测模块用于根据网络光缆通信监测命令采集与所述监测终端通过光缆连接的其余监测终端的网络通信状态，间接对监测终端之间的光缆的网络通信状态进行监测，并将光缆的网络通信状态通过所述无线通信模块发送至所述网关；

所述开关量输出控制电路用于根据开关量输出控制命令对机电设备进行开关量控制；

所述监测终端还用于数据透传命令对机电设备进行数据透传操作；

所述网关用于将所述控制主机产生的数据透传命令、网络设备通信监测命令、网络光缆通信监测命令、和开关量输出控制命令发送至所述监测终端。

2.根据权利要求1所述的无线网络故障监测系统，其特征在于，所述开关量输出控制电路包括电阻R1、光电耦合器To1、电阻R2、电阻R3、第二三极管、电阻R4、电容C1，所述光电耦合器To1的输入侧为第一发光二极管，所述光电耦合器To1的输出侧为第一三极管；

所述电阻R1的第一端与GPA1引脚连接，所述电阻R1的第二端与所述第一发光二极管的正极连接，所述第一发光二极管的负极接地，所述第一三极管的集电极接12伏电源，所述第一三极管的发射极与所述电阻R2的第一端连接，所述电阻R2的第二端与所述第二三极管的基极连接，且所述电阻R2的第二端与所述电阻R3的第一端连接，所述电阻R3的第二端与所述第二三极管的发射极连接，且所述电阻R3的第二端接地，所述第二三极管的集电极与所述电阻R4的第一端连接，所述电阻R4的第二端与所述电阻R3的第二端连接，所述电阻R4的第一端还与所述电容C1的第一端连接，所述电容C1的第二端与所述电阻R4的二端连接。

3.根据权利要求1所述的无线网络故障监测系统，其特征在于，所述网络设备通信监测模块通过TCP通信与待测隧道内的待测工业交换机及其所接网络设备连接。

4.一种无线网络故障监测方法，应用于如权利要求1-3中任一项所述的无线网络故障监测系统，其特征在于，包括：

控制主机通过网关向监测终端发送命令；

监测终端通过无线通信模块接收所述命令，在所述命令为数据透传命令的情况下，通过485外部端口将数据透传命令中包含的需要透传的数据传输到现场待测机电设备，若现场待测机电设备有数据通过485外部端口返回到监测终端，将该返回数据无线发送给网关；

在所述命令为网络设备通信监测命令的情况下，根据网络设备通信监测命令采集所述待测工业交换机及其所接网络设备的网络通信状态，并将监测到的网络通信通过所述无线通信模块发送至所述网关；

在所述命令为网络光缆通信监测命令的情况下，根据网络光缆通信监测命令采集与所述监测终端通过光缆连接的其余监测终端的网络通信状态，间接对监测终端之间的光缆的网络通信状态进行监测，并将光缆的网络通信状态通过所述无线通信模块发送至所述网关。

5.根据权利要求4所述的无线网络故障监测方法，其特征在于，在所述命令为终端故障诊断命令的情况下，所述监测终端对自身进行故障诊断，并将终端故障状态信息返回给网关。

6.根据权利要求4所述的无线网络故障监测方法，其特征在于，在所述命令为参数配置命令的情况下，所述监测终端对自身的无线组网ID以及网络参数进行配置，配置后对终端进行系统重启。

7.根据权利要求4所述的无线网络故障监测方法，其特征在于，所述命令携带无线组网ID，所述监测终端通过无线通信模块接收所述命令之后，所述方法还包括：

所述监测终端判断命令中包含的无线组网ID与自身无线组网ID是否相同，如果命令中的无线组网ID与终端自身的无线组网ID相同，则执行命令对应的操作。