CN114040361A - 基于LoRa和可见光的通信系统、方法、设备和存储介质 - Google Patents
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Abstract
本公开实施例提供一种基于LoRa和可见光的通信系统、方法、设备和存储介质。其中，所述基于LoRa和可见光的通信系统，包括：车载设备、路侧设备；所述车载设备包括：第一LoRa通信单元和第一可见光通信单元；所述路侧设备包括：第二LoRa通信单元和第二可见光通信单元；所述第一LoRa通信单元设置为，与所述第二LoRa通信单元通信，以确定所述车载设备与所述路侧设备之间是否满足业务数据传输条件；所述第一可见光通信单元设置为，在确定满足所述业务数据传输条件的情况下，与所述第二可见光通信单元通信，以完成业务数据的传输。本公开实施提供的无线通信方案，充分利用LoRa通信和可见光通信的各自优势实现了高速、安全的无线数据传输。
Description
技术领域
本发明涉及但不限于无线数据传输领域，具体涉及一种基于LoRa和可见光的通信系统、方法、设备和存储介质。
背景技术
随着信息技术与铁路产业的融合，给铁路建设、运营维护等方面带来了深远的影响，智能化铁路已经成为未来铁路发展的趋势。随着列车运行设备的日益增加和车载控制功能不断更迭和完善，列车自动控制系统(ATP)设备和功能的复杂使得系统维护的工作量与日俱增。同时，系统在长时间高强度以及复杂的情况下运行，使得故障发生的可能性有增无减，因此对运行数据的分析是列车控制系统故障排查和维护的必要环节。
列车控制系统的故障排查和维护需要利用车载设备在列车运行过程中的记录数据进行分析，所述记录数据包括车载关键设备的状态信息、各模块数据交互信息、与地面的交互信息，然而，目前列车控制系统设备出现故障时，仍然需要依靠现场人员上车对列控设备运行和状态数据进行下载。同时，由于功能繁多，现场人员需要通过繁琐的流程分别下载不同设备的数据，耗费大量的人力和时间。
为列控系统提供便捷、高效并且安全的数据传输方案，是本领域急需解决的问题。
发明内容
本公开实施例提供一种基于LoRa和可见光的通信系统、方法、设备和存储介质，利用LoRa通信和可见光通信相结合的方案，实现业务数据的无线传输，能够在确保传输安全性的前提下，实现便捷高速的无线通信。
本公开实施例提供一种基于LoRa和可见光的通信系统，包括：
车载设备、路侧设备；
所述车载设备包括：第一LoRa通信单元和第一可见光通信单元；
所述路侧设备包括：第二LoRa通信单元和第二可见光通信单元；
所述第一LoRa通信单元设置为，与所述第二LoRa通信单元通信，以确定所述车载设备与所述路侧设备之间是否满足业务数据传输条件；
所述第一可见光通信单元设置为，在确定满足所述业务数据传输条件的情况下，与所述第二可见光通信单元通信，以完成业务数据的传输。
本公开实施例还提供一种基于LoRa和可见光的通信方法，应用于车载设备，包括：
采集运行设备的运维数据；
在根据所述运维数据确定满足数据传输探测条件的情况下，通过所述车载设备的第一LoRa通信单元探测所述车载设备与路侧设备之间是否满足业务数据传输条件；
在确定满足所述业务数据传输条件的情况下，通过所述车载设备的第一可见光通信单元与所述路侧设备通信，以完成业务数据的传输。
本公开实施例还提供一种基于LoRa和可见光的通信方法，应用于路侧设备，包括：
通过所述路侧设备的第二LoRa通信单元监听来自车载设备的探测数据包；
在根据所述来自车载设备的探测数据包确定与所述车载设备之间满足业务数据传输条件的情况下，通过所述路侧设备的第二可见光通信单元与所述车载设备通信，以完成业务数据的传输。
本公开实施例还提供一种车载设备，包括：
第一LoRa通信单元和第一可见光通信单元；
所述第一LoRa通信单元设置为，与路侧设备的第二LoRa通信单元通信，以确定所述车载设备与所述路侧设备之间是否满足业务数据传输条件；
所述第一可见光通信单元设置为，在确定满足所述业务数据传输条件的情况下，与所述路侧设备的第二可见光通信单元通信，以完成业务数据的传输。
本公开实施例还提供一种路侧设备，包括：
第二LoRa通信单元和第二可见光通信单元；
所述第二LoRa通信单元设置为，与车载设备的第一LoRa通信单元通信，以确定所述车载设备与所述路侧设备之间是否满足业务数据传输条件；
所述第二可见光通信单元设置为，在确定满足所述业务数据传输条件的情况下，与所述车载设备的第一可见光通信单元通信，以完成业务数据的传输。
本公开实施例还提供一种电子设备，包括：
一个或多个处理器；
存储装置，用于存储一个或多个程序，
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如本公开任一实施例所述的基于LoRa和可见光的通信方法。
本公开实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如本公开任一实施例所述的基于LoRa和可见光的通信方法。
在阅读并理解了附图和详细描述后，可以明白其他方面。
附图说明
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，下面将对实施例或现有技术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本发明的一些实施例，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示出的结构获得其他的附图。
图1为本公开实施例中一种基于LoRa和可见光的通信系统的结构示意图；
图2为本公开实施例中另一种基于LoRa和可见光的通信系统的示意图；
图3为本公开实施例中车载设备和路侧设备之间信号传输示意图；
图4为本公开实施例中一种基于LoRa和可见光的通信方法的流程图；
图5为本公开实施例中另一种基于LoRa和可见光的通信方法的流程图；
图6为本公开实施例中另一种基于LoRa和可见光的通信方法的流程图；
图7为本公开实施例中另一种基于LoRa和可见光的通信方法的流程图；
图8为本公开实施例中另一种基于LoRa和可见光的通信方法的流程图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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的一部分实施例，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。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
当前，列控系统设备的部分状态数据采用列控设备动态检测系统(DMS)通过铁路专用网络GSM-R实时传回地面数据中心，为调度员提供列车的实时运行信息。但是，DMS系统仅获取了少部分的列车运行信息，这是因为GSM-R网络具有专用的特性以及上下行各4兆的带宽，使得该网络主要用于列控应用数据的传输，因而详细的记录数据仍然需要人工下载。另一方面，列车运行记录数据具有保密性质，对于这些记录数据的传输具有较高的安全性需求，因此也无法使用其他公共无线网络进行传输。
本公开实施例提供一种基于LoRa和可见光的通信方案，满足大数据量高速安全传输需求，应用于列控系统/应用进行业务数据传输，能够显著改善系统数据传输便利性，提升传输效率。需要说明的是，本公开实施例提出的无线通信方案不限于应用于列控系统，其他应用系统也可采用该方案实现数据传输。
本公开实施例提供一种基于LoRa和可见光的通信系统，如图1所示，包括：
车载设备101、路侧设备102；
所述车载设备101包括：第一LoRa通信单元1011和第一可见光通信单元1012；
所述路侧设备102包括：第二LoRa通信单元1021和第二可见光通信单元1022；
所述第一LoRa通信单元1011设置为，与所述第二LoRa通信单元1021通信，以确定所述车载设备101与所述路侧设备102之间是否满足业务数据传输条件；
所述第一可见光通信单元1012设置为，在确定满足所述业务数据传输条件的情况下，与所述第二可见光通信单元1022通信，以完成业务数据的传输。
一些示例性实施例中，所述业务数据包括：运行设备的运维数据；
所述车载设备101还包括：
运行设备接口模块1013，设置为采集所述运行设备的运维数据；
第一主控模块1014，设置为在确定满足所述业务数据传输条件的情况下，将所述运行设备的运维数据通过所述第一可见光通信单元1012发送给所述路侧设备102。
一些示例性实施例中，所述路侧设备102还包括：
业务数据交互模块1023，设置为将接收到的运维数据上报给地面数据管理服务器。
一些示例性实施例中，所述业务数据交互模块1023还设置为，接收所述地面数据管理服务器下发的业务数据。
一些示例性实施例中，所述路侧设备102还包括：
第二主控模块1024，设置为在确定满足所述业务数据传输条件的情况下，将所接收到的来自地面数据管理服务器的业务数据通过所述第二可见光单元1022发送给所述车载设备101。
一些示例性实施例中，车载设备101的第一主控模块1014，还设置为在确定满足所述业务数据传输条件的情况下，通过所述第一可见光通信单元1012接收来自所述路侧设备102的业务数据；所述运行设备接口模块1013还设置为将来自所述路侧设备102的业务数据下发到所述运行设备中。
需要说明的是，从运行设备中采集运维数据、业务数据下发到运行设备，根据相关技术方案实现，具体实施步骤不属于本公开实施例方案所限定或保护的范围。
可以看到，可见光通信是一种频谱免授权的无线通信技术，具有高保密、高速率、无电磁干扰的特点，是保密级数据下载的优选通信方式。LoRa是一种LPWAN通信技术，是基于扩频技术的远距离无线数据传输方案，该技术兼并了远距离传输与低功耗的优势。本公开实施例提供的无线通信系统，利用可见光通信结合LoRa通信方案，实现了安全高速无线数据传输。根据本公开实施例提供的无线通信方案能够实现车载设备和路侧设备之间业务数据的双向传输。
一些示例性实施例中，所述运行设备为列车；
所述车载设备安装在所述列车底部；
所述路侧设备安装在行车轨道或列车停经的地面上。
本公开实施例还提供一种基于LoRa和可见光的通信系统，以应用于列车控制系统为例，如图2所示，包括：运维数据接口单元1，车载设备2，路侧设备3和地面数据管理服务器4。
其中，运行设备为列车；
所述车载设备2安装在列车底部；
所述路侧设备3安装在列车停经的地面上。
车载设备2包括：第一LoRa通信单元和第一可见光通信单元；
路侧设备3包括：第二LoRa通信单元和第二可见光通信单元。
运维数据接口单元1布设在列车上，与列车的列车自动控制系统ATP系统内部各模块连接，用于接收汇集ATP系统的运维数据，汇集数据类型包括主控模块数据、应答器天线模块数据、无线通信单元数据、电台模块数据、列车管理模块(TMM)数据和C2逻辑单元(ALM)数据等。
车载设备2还包括：运行设备接口模块，运行设备接口模块通过列车上布设的运维数据接口单元1采集/获取列车的运维数据。一些示例性实施例中，车载设备2上的运行设备接口模块与运维数据接口单元1采用以太网通信方式连接。
路侧设备3还包括：业务数据交互模块，业务数据交互模块通过有线或无线通信链路将所接收到的列车的运维数据上报给地面数据管理服务器4。
一些示例性实施例中，所述列车上安装一个或多个车载设备2。
一些示例性实施例中，行车轨道包括列车回库停放点的轨道，或者，站台上的停经轨道。不限于特定地点，本领域技术人员可以选定其他适合进行业务数据的应用场景对应的位置。所选定的每一个位置的轨道上安装一个或多个路侧设备3。
一些示例性实施例中，车载设备2还包括：
第一主控模块，设置为通过所述运行设备接口模块从所述运维数据传输单元1获取ATP系统运维数据。
一些示例性实施例中，第一主控模块根据运维数据中的列车运行速度发起LoRa探测，并且能够在探寻到路侧设备3并确定业务数据传输条件时，将存储的运维数据通过第一可见光通信单元发送给路侧设备3。
一些示例性实施例中，第一LoRa通信单元包括：LoRa射频芯片和天线。
一些示例性实施例中，第一LoRa通信单元的传输距离≥1km，工作频率在免授权频段2.4GHz。
一些示例性实施例中，第一LoRa通信单元与第一主控单元相连。
一些示例性实施例中，第一可见光通信单元与第一主控单元相连。
一些示例性实施例中，第一可见光通信单元包括：第一可见光发射模块；
所述第一可见光发射模块包括：高速信号调制编码模块、调制器、LED驱动电路、白光LED和光学透镜。
高速信号调制编码模块信号输入端与第一主控模块连接，对输入的信号源进行载波调制转换成高频电信号；LED驱动电路模块与高速信号调制编码模块信号输出端连接，对输出的高频电信号进行功率放大，以满足LED光源对输入信号的功率要求；白光LED的输入端与驱动电路模块信号输出端连接，用于将具有一定功率的高频电信号转换成高频光通信信号通过光学透镜发射出去。
一些示例性实施例中，路侧设备3还包括：第二主控模块。
一些示例性实施例中，第二LoRa通信单元与第一LoRa通信单元结构相似，包括：LoRa射频芯片和天线。
一些示例性实施例中，第二LoRa通信单元的传输距离≥1km，工作频率在免授权频段2.4GHz。
一些示例性实施例中，第二LoRa通信单元与第二主控单元相连。
一些示例性实施例中，第二可见光通信单元与第二主控单元相连。
一些示例性实施例中，第二LoRa通信单元周期性唤醒并打开接收模式，以监听LoRa探测数据包，当监听到LoRa探测数据包时，将持续打开接收模式，并在接收到探测数据包时在紧随的时间窗口内回复探寻确认数据包；第二LoRa通信单元测量接收到的每个探测数据包的信号强度值(RSSI)，根据接收RSSI值的变化评估路侧设备3与车载设备2的距离；当评估车载设备2达到指定位置(在可传输距离范围内)时，将回复能够接收数据的确认数据包。
一些示例性实施例中，第二可见光通信单元包括：第二可见光接收模块；
所述第二可见光接收模块包括：滤光器、光电探测器、放大器、调理电路模块、解调器；所述滤光器用于接收LED光源所发出的高频光通信信号，其对LED光源穿透性好，对其它光源有一定的阻挡作用，以对高频光通信信号进行过滤；所述光电探测器输入端为接收滤光器所透过的高频光通信信号，用于将高频光通信信号转换成高频电信号；所述放大器的输入端与光电探测器信号输出端连接，用于对光电探测器输出的微弱的高频电信号进行前置电压放大；所述调理电路模块输入端与放大器输出端连接，包括模数转换模块、时钟同步模块，在时钟与同步模块的脉冲信号控制下将电信号转换成数字信号，并将该数字信号送到解调器模块的输入端；所述解调器的输入端与调理电路模块的输出端连接，输出端与第二主控模块连接，用于将数字信号解调还原成信号源。
一些示例性实施例中，车载设备2的第一可见光发射模块和路侧设备3的第二可见光接收模块之间的信号传输示意图，如图3所示。
一些示例性实施例中，车载设备2的第一可见光通信单元还包括：第一可见光接收模块；第一可见光接收模块与所述第二可见光接收模块结构一致，用于接收可见光信号所承载的业务数据；路侧设备3的第二可见光通信单元还包括：第二可见光发射模块；第二可见光发射模块与所述第一可见光发射模块结构一致，用于发射可见光信号。可以看到，根据该实施例，可以是现实车载设备2和路侧设备3之间的双向可见光通信。
可以看到，本公开实施例提供的基于LoRa和可见光的通信方案应用于列车控制系统，进行列车运维数据采集(下载)时，可以有效解决相关技术方案中列车控制系统运维数据获取的效率问题，实现列车回库运维数据自动下载，减少人员操作，降低人员误操作导致数据丢失的情况，以及减少对列车控制系统设备存储卡的插拔以及接入，从而减少存储设备导致故障的因素。
一些示例性实施例中，车载设备2安装在车底，路侧设备安装在车库中列车停放的轨道所对应的地面上，较大程度上避免了环境光的干扰。应用场景中列车回库停放在轨道上的位置相对固定，并且车底与地面距离近，十分契合近距离点对点可见光高速传输，充分发挥可见光通信的优势。由于可见光通信不产生电磁干扰，同时也不受电磁干扰，有效避免多列车数据下载相互干扰。本公开实施例提供的方案利用可见光通信技术，具有安全性高、保密性强的特点，降低了列车控制系统运维数据被篡改和窃取的风险。
本公开实施例还提供一种基于LoRa和可见光的通信方法，应用于车载设备，如图4所示，包括：
步骤401，采集运行设备的运维数据；
步骤402，在根据所述运维数据确定满足数据传输探测条件的情况下，通过所述车载设备的第一LoRa通信单元探测所述车载设备与路侧设备之间是否满足业务数据传输条件；
步骤403，在确定满足所述业务数据传输条件的情况下，通过所述车载设备的第一可见光通信单元与所述路侧设备通信，以完成业务数据的传输。
一些示例性实施例中，所述业务数据包括运维数据。
一些示例性实施例中，所述运维数据包括：运行速度；
在所述运行速度小于或等于预设的速度阈值的情况下，确定满足所述数据传输探测条件。
即，步骤402包括：车载设备根据所采集的运行速度，判断列车运行速度是否小于或等于预设的速度阈值，在小于或等于预设的速度阈值时，确定满足数据传输探测条件，在大于预设的速度阈值时，确定不满足数据传输探测条件。
一些示例性实施例中，预设的速度阈值为：10公里/小时；或根据需要设定其他数值。
一些示例性实施例中，所述运维数据包括：运行速度；
在所述运行速度小于或等于预设的速度阈值，且所述运维数据有更新的的情况下，确定满足所述数据传输探测条件。即，只在运维数据有更新的情况下，才启动探测和后续业务数据的传输。
可以理解，在列车进站或入库处于低速或停止状态时，进行业务数据的传输，可以提升无线数据传输的可靠性。
一些示例性实施例中，车载设备的第一LoRa通信单元在一般情况下处于休眠模式，其第一主控模块根据获取的运维数据解析得到运行速度，在列车运行速度小于或等于预设的速度阈值，且根据运维数据时间戳确定运维数据有更新的情况下，确定满足所述数据传输探测条件，则唤醒第一LoRa通信单元进行路侧设备探测。
一些示例性实施例中，运维数据还可以包括其他表示列车运行状态的数据，相应地，所述数据传输探测条件对应设置，使得列车在满足对应的数据传输探测条件时，才执行后续的探测和业务数据传输步骤。本领域技术人员可以根据具体应用场景和运行设备特点，选择其他运维数据，并对应确定数据传输探测条件，不限于本公开实施例所示例的方面。
一些示例性实施例中，步骤402中通过所述车载设备的第一LoRa通信单元探测所述车载设备与路侧设备之间是否满足业务数据传输条件，包括：
通过所述第一LoRa通信单元发送路侧设备探测数据包；
通过所述第一LoRa通信单元接收到来自所述侧路设备的表示能够传输业务数据的确认数据包时，确定满足所述业务数据传输条件；未接收到来自所述侧路设备的表示能够传输业务数据的确认数据包时，确定不满足所述业务数据传输条件。
一些示例性实施例中，通过所述第一LoRa通信单元发送路侧设备探测数据包，包括：
以周期T1＝1分钟发送N1＝10次探测数据包，并在每次发送后紧随接收窗口接收数据，如果未接收到探测确认数据包，则休眠T3＝5分钟时间后重新判断是否满足数据传输探测条件；
如果第一LoRa通信单元接收的探测确认数据包，第一LoRa通信单元以T2＝10秒为周期继续发送探测数据包，并在每次发送后紧随接收窗口接收数据，如果连续N2＝6次发送探测数据包均未收到探测确认数据包，则休眠T3时间后重新判断是否满足数据传输探测条件。
需要说明的是，上述实施例中周期T1，T2，T3的时长，可以根据实际应用场景调整，不限于上述示例的具体数值；次数N1，N2可以根据实际应用场景调整，不限于上述示例的具体数值。
一些示例性实施例中，所述表示能传输业务数据的确认数据包包括：下载确认数据包。路侧设备发送的下载确认数据包表示自身能够从车载设备下载相关业务数据。一些示例性实施例中，所述业务数据包括列车或车载设备运维数据，即路侧设备发送下载确认数据包表示自身能够从车载设备下载列车运维数据。
一些示例性实施例中，所述表示能传输业务数据的确认数据包包括：上传确认数据包。路侧设备发送的上传确认数据包表示自身能够向车载设备上传相关业务数据。一些示例性实施例中，所述业务数据包括列车或车载设备配置数据，即路侧设备发送上传确认数据包表示自身能够向车载设备上传列车或车载设备配置数据。
一些示例性实施例中，步骤403包括：
第一LoRa通信单元接收到来自路侧设备的表示能够传输业务数据的确认数据包，则确定所述车载设备与路侧设备之间是否满足业务数据传输条件；
第一主控模块启动第一可见光通信单元，将运维数据通过第一可见光通信单元发送给路侧设备。
一些示例性实施例中，步骤403还包括：
运维数据发送完毕后，第一主控模块控制第一LoRa通信单元向路侧设备发送业务数据传输完成数据包。
一些示例性实施例中，步骤403还包括：
通过第一LoRa通信单元接收到来自路侧设备的完成确认数据包时，关闭第一可见光通信单元和/或关闭第一LoRa通信单元；
或者，
发送N2次传输完成数据包后，均未收到来自路侧设备的完成确认数据包时，关闭第一可见光通信单元和/或关闭第一LoRa通信单元。
本公开实施例还提供一种基于LoRa和可见光的通信方法，如图5所示，包括：
步骤501，通过所述路侧设备的第二LoRa通信单元监听来自车载设备的探测数据包；
步骤502，在根据所述来自车载设备的探测数据包确定与所述车载设备之间满足业务数据传输条件的情况下，通过所述路侧设备的第二可见光通信单元与所述车载设备通信，以完成业务数据的传输。
一些示例性实施例中，步骤502中根据所述来自车载设备的探测数据包判断与所述车载设备之间是否满足业务数据传输条件，包括：
根据来自所述车载设备的探测数据包的信号强度，确定所述车载设备和所述路侧设备之间是否满足所述业务数据可传输条件。
一些示例性实施例中，步骤502中根据所述来自车载设备的探测数据包判断与所述车载设备之间是否满足业务数据传输条件，包括：
获取来自所述车载设备的连续N个探测数据包的信号强度RSSI，在判断连续N个探测数据包的信号强度RSSI平均值大于预设的信号强度阈值的情况下，确定满足业务数据传输条件，在判断所述信号强度RSSI平均值小于或等于预设的信号强度阈值的情况下，则确认不满足业务数据传输条件；
其中，N为大于或等于1的整数，根据系统运行环境和业务要求设定，不限于特定数值。
一些示例性实施例中，步骤502中根据所述来自车载设备的探测数据包判断与所述车载设备之间是否满足业务数据传输条件，包括：
根据来自所述车载设备的连续N个探测数据包的信号强度RSSI平均值，查询已建立好的信号强度-距离指纹库，确定信号强度RSSI平均值是否符合可下载距离要求，如果符合则确定满足业务数据传输条件，如果不符合则确认不满足业务数据传输条件；
其中，N为大于或等于1的整数，根据系统运行环境和业务要求设定，不限于特定数值。
可以看到，根据连续N个探测数据包的平均信号强度RSSI查询已建立好的信号强度-距离指纹库，获得信号强度RSSI平均值对应的距离，进一步判断是否符合可下载距离要求。可以理解，当N大于1时，根据多次信号强度RSSI的平均值确定车载设备与路侧设备之间是否满足业务传输条件，可以避免瞬时LoRa信号强度RSSI测量误差或LoRa信号不稳定造成的误判。
一些示例性实施例中，所述信号强度-距离指纹库采用近似高斯分布建立信号强度RSSI与距离的关系，包括：
通过离线检测多组车载设备处于不同位置情况下路侧设备接收到的LoRa信号强度数据，建立最佳拟合的模型参数。
建立过程如下：
基于路侧设备的第二LoRa通信单元收到的信号RSSI与车载设备的第一LoRa通信单元实际物理位置之间的关系，计算RSSI衰减规律，近似高斯分布为：
高斯分布由参数中心极限的坐标μ和方差σ2控制，由于距离为正数，取对称轴以右的部分，根据所测量的指纹和位置计算系数，计算公式为：
其中
xi为路侧设备的第二LoRa通信单元收到的车载设备的第一LoRa通信单元i发送的LoRa数据包的RSSI；di为计算出车载设备的第一LoRa通信单元在第i个位置与路侧设备的第二LoRa通信单元之间的距离；dp为指纹库建立时测得的第p个LoRa数据包对应的车载设备的第一LoRa通信单元与路侧设备的第二LoRa通信单元的实际距离；k为常数，是测距范围最大值；dmin为路侧设备的第二LoRa通信单元的最佳拟合距离，即指纹库建立时期的距离的计算值；μ为路侧设备的第二LoRa通信单元覆盖范围内，接收到的LoRa数据包的RSSI的最大值；n为路侧设备的第二LoRa通信单元接收到的用于测量的LoRa数据包总数；
预先进行数据采集，获取RSSI和对应的实际距离进行统计计算，针对路侧设备的第二LoRa通信单元，根据RSSI的衰减和距离的关系，找到最佳拟合，计算出拟合公式中的对应各个参数。
一些示例性实施例中，所述路侧设备初始处于休眠状态。
一些示例性实施例中，步骤501包括：
所述路侧设备的第二LoRa通信单元以T4＝8分钟为周期唤醒，唤醒后打开监听模式，持续T5＝3分钟时间，如果在此期间未收到探测数据包，则继续进入休眠状态。
一些示例性实施例中，步骤502包括：
当第二LoRa通信单元接收到探测数据包时，测量接收到的连续N＝3个探测数据包的RSSI计算RSSI平均值，并查询已建立好的信号强度-距离指纹库，确定RSSI平均值是否符合可下载距离要求，如果未达到要求，则回复探测确认数据包，并持续打开监听模式；
当确定接收到的探测数据包的RSSI符合可下载距离要求时，在接收到探测数据包后回复可下载确认数据包，第二主控模块开启第二可见光通信单元，接收来自第一可见光通信单元的运维数据。
一些示例性实施例中，步骤502还包括：
当第二可见光通信单元接收数据完成后，第二主控模块控制第二LoRa通信单元打开监听模式，持续T5时间，在此期间接收到传输完成数据包时回复完成确认数据包。
一些示例性实施例中，步骤502还包括：
当T5时间过后，无论是否接收到传输完成数据包，所述路侧设备均进入休眠状态。
需要说明的是，上述实施例中周期T4 T5的时长，可以根据实际应用场景调整，不限于上述示例的具体数值。
本公开实施例还提供一种基于LoRa和可见光的通信方法，以列车运维数据下载为例，如图6所示，包括：
车载设备端：
步骤601，车载设备获取列车的运维数据，并解析得到列车运行速度；
步骤602，车载设备判断当前运行速度小于或等于预设的速度阈值Vmin时，根据运维数据的时间戳判断是否存在新的运维数据；
步骤603，车载设备确定满足数据传输探测条件的情况下，第一主控模块唤醒第一LoRa通信单元，以周期T1＝1分钟发送N1＝10次探测数据包，并在每次发送后紧随接收窗口接收数据，如果未接收到探测确认数据包，则休眠T3＝5分钟时间后回到步骤601；
步骤604，如果第一LoRa通信单元接收的探测确认数据包，第一LoRa通信单元以T2＝10秒为周期继续发送探测数据包，并在每次发送后紧随接收窗口接收数据，如果连续N2＝6次发送探测数据包均未收到探测确认数据包，则休眠T3时间后回到步骤601；
步骤605，如果第一LoRa通信单元接收到可下载确认数据包(确定所述车载设备与路侧设备之间满足业务数据传输条件)，第一主控模块启动第一可见光通信单元，将运维数据信息通过第一可见光通信单元发送出去，发送完毕后控制第一LoRa通信单元发送传输完成数据包；
步骤606，当第一LoRa通信单元接收到完成确认数据包时，休眠T3时间后回到步骤601；如果发送N2次传输完成数据包，均未收到完成确认数据包，休眠T3时间后回到步骤601。
路侧设备端：
步骤611，路侧设备初始处于休眠状态；
步骤612，路侧设备的第二LoRa通信单元以T4＝8分钟为周期唤醒，唤醒后打开监听模式，持续T5＝3分钟时间，如果在此期间未收到探测数据包，则继续进入休眠状态；
步骤613，当第二LoRa通信单元接收到探测数据包时，测量连续接收到的N＝3个探测数据包的RSSI，计算RSSI平均值，并查询已建立好的指纹库，确定是否符合可下载距离要求，如果不符合可下载距离要求，则回复探测确认数据包，并持续打开监听模式；
步骤614，当确定符合可下载距离要求，在接收到探测数据包后通过第二LoRa通信单元回复可下载确认数据包，第二主控模块开启第二可见光通信单元，接收来自第一可见光通信单元的列车运维数据；
步骤615，当第二可见光通信单元接收运维数据完成后，第二主控模块控制第二LoRa通信单元打开监听模式，持续T5时间，在此期间接收到传输完成数据包时回复完成确认数据包；
步骤616，当T5时间过后，无论是否接收到过传输完成数据包，都回到步骤611，进入休眠状态。
本公开实施例还提供一种基于LoRa和可见光的通信方法，如图7所示。
本公开实施例还提供一种基于LoRa和可见光的通信方法，如图8所示。
本公开实施例还提供一种车载设备，包括：
第一LoRa通信单元和第一可见光通信单元；
所述第一LoRa通信单元设置为，与路侧设备的第二LoRa通信单元通信，以确定所述车载设备与所述路侧设备之间是否满足业务数据传输条件；
所述第一可见光通信单元设置为，在确定满足所述业务数据传输条件的情况下，与所述路侧设备的第二可见光通信单元通信，以完成业务数据的传输。
一些示例性实施例中，所述业务数据包括：运行设备的运维数据；
所述车载设备还包括：
运行设备接口模块，设置为采集所述运行设备的运维数据；
第一主控模块，设置为在确定满足所述业务数据传输条件的情况下，将所述运行设备的运维数据通过所述第一可见光通信单元发送给所述路侧设备。
一些示例性实施例中，所述运行设备为列车；
所述车载设备安装在所述列车底部；
所述路侧设备安装在行车轨道上或列车停经的地面上。
本公开实施例还提供一种路侧设备，包括：
第二LoRa通信单元和第二可见光通信单元；
所述第二LoRa通信单元设置为，与车载设备的第一LoRa通信单元通信，以确定所述车载设备与所述路侧设备之间是否满足业务数据传输条件；
所述第二可见光通信单元设置为，在确定满足所述业务数据传输条件的情况下，与所述车载设备的第一可见光通信单元通信，以完成业务数据的传输。
一些示例性实施例中，所述路侧设备还包括：
第二主控模块，设置为根据所述第二LoRa通信单元接收到的探测数据包确定与所述车载设备之间是否满足业务数据传输条件。
一些示例性实施例中，第二主控模块还设置为，在确定满足业务数据传输条件的情况下，通过所述第二LoRa通信单元向车载设备发送表示能够传输业务数据的确认数据包。
一些示例性实施例中，第二主控模块还设置为，在确定满足业务数据传输条件的情况下，开启第二可见光通信单元与车载设备的第一可见光通信单元通信，以完成业务数据的传输。
本公开实施例还提供一种电子设备，包括：
一个或多个处理器；
存储装置，用于存储一个或多个程序，
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如上述实施例中任一所述的基于LoRa和可见光的通信方法。
一些示例性实施例中，实现上述应用于车载设备的基于LoRa和可见光的通信方法，所述电子设备为车载设备。
一些示例性实施例中，实现上述应用于路侧设备的基于LoRa和可见光的通信方法，所述电子设备为路侧设备。
本公开实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如上述实施例中任一所述的基于LoRa和可见光的通信方法。
本公开实施例提供的基于LoRa和可见光的通信方案，充分利用可见光通信和LoRa通信的特点和优势，满足了高速、安全的无线数据传输需要。特别是应用于列车控制系统时，显著提升了业务数据的下载和上传的操作便利性和自动化程度，节省了人力成本，提高了整体运维效率。需要说明的是，本公开实施例中以列车运维数据的下载为例记载了方案细节，并不限定本公开提出的基于LoRa和可见光的通信方案的适用范围。基于满足高速、安全、自动化的业务数据传输目的，本领域技术人员可以根据业务场景进行对应调整，以应用于其他业务场景。
本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统、装置中的功能模块/单元可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。在硬件实施方式中，在以上描述中提及的功能模块/单元之间的划分不一定对应于物理组件的划分；例如，一个物理组件可以具有多个功能，或者一个功能或步骤可以由若干物理组件合作执行。某些组件或所有组件可以被实施为由处理器，如数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、闪存或其他存储器技术、CD-ROM、数字多功能盘(DVD)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (12)
1.一种基于LoRa和可见光的通信系统，其特征在于，包括：
车载设备、路侧设备；
所述车载设备包括：第一LoRa通信单元和第一可见光通信单元；
所述路侧设备包括：第二LoRa通信单元和第二可见光通信单元；
所述第一LoRa通信单元设置为，与所述第二LoRa通信单元通信，以确定所述车载设备与所述路侧设备之间是否满足业务数据传输条件；
所述第一可见光通信单元设置为，在确定满足所述业务数据传输条件的情况下，与所述第二可见光通信单元通信，以完成业务数据的传输。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，
所述业务数据包括：运行设备的运维数据；
所述车载设备还包括：
运行设备接口模块，设置为采集所述运行设备的运维数据；
第一主控模块，设置为在确定满足所述业务数据传输条件的情况下，将所述运行设备的运维数据通过所述第一可见光通信单元发送给所述路侧设备。
3.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，
所述运行设备为列车；
所述车载设备安装在所述列车底部；
所述路侧设备安装在行车轨道上或列车停经的地面上。
4.一种基于LoRa和可见光的通信方法，应用于车载设备，其特征在于，包括：
采集运行设备的运维数据；
在根据所述运维数据确定满足数据传输探测条件的情况下，通过所述车载设备的第一LoRa通信单元探测所述车载设备与路侧设备之间是否满足业务数据传输条件；
在确定满足所述业务数据传输条件的情况下，通过所述车载设备的第一可见光通信单元与所述路侧设备通信，以完成业务数据的传输。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，
所述运维数据包括：运行速度；
在所述运行速度小于或等于预设的速度阈值的情况下，确定满足所述数据传输探测条件。
6.如权利要求4或5所述的方法，其特征在于，
所述通过所述车载设备的第一LoRa通信单元探测所述车载设备与路侧设备之间是否满足业务数据传输条件，包括：
通过所述第一LoRa通信单元发送路侧设备探测数据包；
通过所述第一LoRa通信单元接收到来自所述侧路设备的表示能够传输业务数据的确认数据包时，确定满足所述业务数据传输条件；未接收到来自所述侧路设备的表示能够传输业务数据的确认数据包时，确定不满足所述业务数据传输条件。
7.一种基于LoRa和可见光的通信方法，应用于路侧设备，其特征在于，包括：
通过所述路侧设备的第二LoRa通信单元监听来自车载设备的探测数据包；
在根据所述来自车载设备的探测数据包确定与所述车载设备之间满足业务数据传输条件的情况下，通过所述路侧设备的第二可见光通信单元与所述车载设备通信，以完成业务数据的传输。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，
根据来自所述车载设备的探测数据包的信号强度，确定所述车载设备和所述路侧设备之间是否满足所述业务数据可传输条件。
9.一种车载设备，其特征在于，包括：
第一LoRa通信单元和第一可见光通信单元；
所述第一LoRa通信单元设置为，与路侧设备的第二LoRa通信单元通信，以确定所述车载设备与所述路侧设备之间是否满足业务数据传输条件；
所述第一可见光通信单元设置为，在确定满足所述业务数据传输条件的情况下，与所述路侧设备的第二可见光通信单元通信，以完成业务数据的传输。
10.一种路侧设备，其特征在于，包括：
第二LoRa通信单元和第二可见光通信单元；
所述第二LoRa通信单元设置为，与车载设备的第一LoRa通信单元通信，以确定所述车载设备与所述路侧设备之间是否满足业务数据传输条件；
所述第二可见光通信单元设置为，在确定满足所述业务数据传输条件的情况下，与所述车载设备的第一可见光通信单元通信，以完成业务数据的传输。
11.一种电子设备，其特征在于，包括：
一个或多个处理器；
存储装置，用于存储一个或多个程序，
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如权利要求4-8中任一所述的基于LoRa和可见光的通信方法。
12.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求4-8中任一所述的基于LoRa和可见光的通信方法。
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