CN114173043A - 智慧农业高清摄像头WiFi网络远距离广覆盖方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种智慧农业高清摄像头WiFi网络远距离广覆盖方法，WiFi热点使用FTTH光纤接入，使用5GHz的WiFi频段；在WiFi热点使用0/90度八阵子双极化天线，在摄像头端使用定向天线；使用两个步进电机分别控制定向天线的水平转动和垂直转动，实现转向控制；在摄像头端通过地磁感应传感器和水平角度传感器，记录定向天线与地球磁场磁力线的水平方向角α、以及与地平面的垂直方向角θ；使用随机梯度算法得到WiFi信号强度最大值的α_max和θ_max；步进电机控制定向天线的位置为α_max和θ_max。本发明基于农业应用场景无建筑物遮挡的环境特点，实现低成本的无线覆盖，同时保障了带宽需求。

Description

智慧农业高清摄像头WiFi网络远距离广覆盖方法

技术领域

本发明属于智慧农业技术领域，特别是涉及到一种用于智慧农业的高清摄像头WiFi网络远距离广覆盖方法。

背景技术

智慧农业是智慧经济重要的组成部分，在智慧农业技术中，离不开大密度高清摄像头的安装需求(例如鱼塘、果园)，在大密度高清摄像头的安装和使用过程中，会面临供电和网络两大难题，现有技术可以使用太阳能电池板解决供电难题，但网络连接方面的问题却难以解决。

在上述这些大密度高清摄像头的安装场地，如果拉六类网线，往往因传输距离超过100米，而让网线带宽大幅下降，POE供电也因为网线过长，摄像头端的供电功率不够。

如果使用光纤，则需要在摄像头附近安装光猫，导致成本大幅上升。

如果使用5G网络，则因大量的高清摄像头上传数据过大，导致5G流量费用过高。且5G基站被大量高清摄像头的长时间占用，导致其他用户带宽严重受影响。

因此目前急需一种低成本，广覆盖(最好能覆盖几公里范围)网络，且布网和接入像WiFi一样方便，支撑摄像头数据传输，实现光网络的最后2公里半径的覆盖。

发明内容

本发明提出一种智慧农业高清摄像头WiFi网络远距离广覆盖方法，基于农业应用场景无建筑物遮挡的环境特点，实现低成本的无线覆盖，同时保障了带宽需求。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种智慧农业高清摄像头WiFi网络远距离广覆盖方法，包括：

WiFi热点使用FTTH光纤接入，使用5G Hz的WiFi频段；

在WiFi热点使用0/90度八阵子双极化天线，在摄像头端使用定向天线；

使用两个步进电机分别控制定向天线的水平转动和垂直转动，实现转向控制；

在摄像头端通过地磁感应传感器和水平角度传感器，记录定向天线与地球磁场磁力线的水平方向角α、以及与地平面的垂直方向角θ；

使用随机梯度算法得到WiFi信号强度最大值的α_max和θ_max；

步进电机控制定向天线的位置为α_max和θ_max。

进一步的，所述八阵子双极化天线的垂直3db波瓣宽度限制在7-8度以内；调整阵子之间的相位角，按时间切片覆盖高处、低处的摄像头。

进一步的，所述定向天线为八木天线、抛物面天线、角反射天线中的一种。

进一步的，所述地磁感应传感器和水平角度传感器设置在所述定向天线上。

进一步的，所述步进电机对定向天线的转向控制是PID控制。

进一步的，所述2个步进电机带动两个转盘，分别控制定向天线的水平转动和垂直转动，并额外增加转盘的阻尼避免因风吹导致转盘移动。

进一步的，控制水平转动的步进电机每次脉冲带动的转动角度为10分，控制垂直转动的步进电机每次脉冲带动的转动角度为1分。

进一步的，所述使用随机梯度算法得到WiFi信号强度最大值的极值的α和θ的具体过程包括：

S1、摄像头端设备首次初始化上电后，记录定向天线与地磁场夹角α₀，以及与水平面夹角θ₀；

S2、使用随机梯度上升算法，通过步进电机控制定向天线水平转动和垂直转动，寻找到WiFi信号强度最大值位置的α_max1和θ_max1值,作为极值1的位置1；

S3、从位置1向左水平移动120度，使用随机梯度上升算法，寻找极值2的位置2，即α_max2和θ_max2；

S4、如果位置2＝位置1，从位置2向右水平移动120度，使用随机梯度上升算法，寻找极值3的位置3，即α_max3和θ_max3；

如果位置3＝位置2，极值找到，返回α_max3和θ_max3值作为最终的α_max和θ_max；

如果位置3≠位置2，则取极值2和极值3的最大值位置作为最终的α_max和θ_max；

S5、如果位置2≠位置1，从位置2向右水平移动120度，使用随机梯度上升算法，寻找极值3的位置3，即α_max3和θ_max3；

如果极值3＝MAX(极值2，极值1)，则返回极值3的α_max3和θ_max3作为最终的α_max和θ_max；

如果极值3≠MAX(极值2，极值1)，则返回MAX(极值3，极值2，极值1)对应的α和θ值作为最终的α_max和θ_max。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明摆脱了POE网线拉线的施工，解决了网线和带宽都有的距离限制，可以将5GHz的WiFi信号覆盖至2km以上的范围，WiFi热点使用FTTH光纤接入可以达到1000Mbps，保障了大带宽的同时还控制了整体的成本；

2、WiFi热点使用八阵子双极化天线，可以用时间切片的方式，调整与水平面的角度，增加天线的覆盖面积，摄像头可以与WiFi热点天线时间同步，按时间轮片接入WiFi热点；

3、摄像头端的定向天线和步进电机、以及随机梯度算法的配合使用，除了能准确寻找WiFi信号强度最大的位置，还可以避免刮风，或者人为不小心碰到天线，导致方向转移，会让摄像头信号快速减弱或者无法接入网络；

4、使用随机梯度算法，避免陷入局部极值点而忽略全局最佳角度。

附图说明

图1是本发明实施例所述方法的流程示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

基于农业应用场景无建筑物遮挡的环境场景，本发明专利提出一种新的低成本网络接入解决方案，利用波束赋形技术，定向天线技术，再加上随机梯度算法驱动步进电机转动让定向天线去自动寻找WiFi热点方向的设计方案，可以将5GHz的WiFi信号覆盖至2km以上的范围。WiFi热点使用FTTH光纤接入，可以达到1000Mbps，保障了大带宽的同时还控制了整体的成本。

由于FTTH的普及，使入户光纤已经达到1000Mbps，且无时间限制，如果能通过WiFi连接摄像头，且覆盖范围达到2km范围，则可以解决智慧农业用户的网络诉求。

如果路由器和摄像头都使用WiFi定向天线会限制摄像头使用的范围，无法做到大量摄像头的同时接入要求。而且由于风吹，或其他人为触碰导致天线方向改变后，还需要人工去校准天线角度，极端消耗人力。

由于5G Hz的WiFi频段干扰少，物理信道多，80MHz物理频段下，单通道即可以达到600Mbps。

本发明的系统主要包括：WiFi热点的外置天线单元，摄像头端的定向天线单元，摄像头端的步进电机、传感器，定向天线方向选择算法。如图1所示的方法，具体包括：

WiFi热点的外置天线单元设计：使用0/90度八阵子双极化天线，天线的垂直3db波瓣宽度限制在7-8度以内，天线增益按下面公式1计算可得11dBi；

其中Ga为天线增益,单位:dBi；

a为水平波束宽度,b为垂直波束宽度,单位:角度

如果农场是丘陵地带，可以调整八阵子双极化天线的阵子之间的相位角，使天线发射方向与水平面之间的夹角可调，按时间切片覆盖高处、低处的WiFi摄像头，实现增加覆盖面积的作用。

摄像头端的定向天线单元设计：可以采用低成本的八木天线(常见5G Hz八木天线增益为18dBi，本专利的2公里覆盖按18dBi的八木天线为例)，也可以采用价格较高的抛物面天线和角反射天线。

八木天线根据实际情况垂直安装或者水平安装，对应WiFi热点的八阵子双极化天线极化方向是0/90度角度设计；

摄像头端定向天线由2个步进电机分别控制转动的水平角度和垂直角度。

摄像头端在定向天线上设有地磁感应传感器和水平角度传感器，记录定向天线与地球磁场磁力线的水平方向角α和与地平面的垂直方向角θ。

摄像头端的步进电机单元设计类似摄像头室内云台，不同的地方在于，定向天线上带有地磁感应传感器和水平角度传感器，记录天线与地球磁场磁力线的水平方向角和与地平面的垂直方向角，精确测量水平和垂直转动角度，避免步进电机的堵转、失步和超步。精确测量转动角度的同时，还可以进行PID控制，避免摄像头上的定向天线由于风吹或者其他物体碰撞导致的角度数据有误。具体而言，2个步进电机带动两个转盘，分别负责定向天线的水平转动和垂直转动，并额外增加转盘的阻尼，避免因风吹导致转盘移动。

按摄像头距离WiFi热点2000米计算，定向天线每转动1度，角度移动35米左右。为保障天线调整精确，在水平转盘上需要步进电机每次脉冲带动的转动角度为10分，在2000米距离上搜寻长度约为5-6米。在垂直方向上需要步进电机每次脉冲带动的转动角度为1分，在2000米距离上搜寻长度约为1米。

安装摄像头时，定向天线水平安装，大致朝向WiFi热点即可。

摄像头内通过内置CPU实时监测WiFi信号强度，并使用随机梯度算法寻找极值点的位置。同时考虑到多径，天线副瓣等干扰，使用随机梯度算法，还可以避免陷入局部极值点而忽略全局最佳角度。系统计算出一个极值点后，记录该点的WiFi信号强度，同时左右调整120度，继续寻找极值点。如果无法再找到信号强度更大的点，则选定改点(水平角度和垂直角度)为最佳天线方向，天线自动调整完毕.

使用的算法流程具体如下：

S1、摄像头端设备首次初始化上电后，记录定向天线与地磁场夹角α₀，以及与水平面夹角θ₀；

S2、使用随机梯度上升算法，通过步进电机控制定向天线水平转动和垂直转动，寻找到WiFi信号强度最大值位置的α_max1和θ_max1值,作为极值1的位置1；

S3、从位置1向左水平移动120度，使用随机梯度上升算法，寻找极值2的位置2，即α_max2和θ_max2；

S4、如果位置2＝位置1，从位置2向右水平移动120度，使用随机梯度上升算法，寻找极值3的位置3，即α_max3和θ_max3；

如果位置3＝位置2，极值找到，返回α_max3和θ_max3值作为最终的α_max和θ_max；

如果位置3≠位置2，则取极值2和极值3的最大值位置作为最终的α_max和θ_max；

S5、如果位置2≠位置1，从位置2向右水平移动120度，使用随机梯度上升算法，寻找极值3的位置3，即α_max3和θ_max3；

如果极值3＝MAX(极值2，极值1)，则返回极值3的α_max3和θ_max3作为最终的α_max和θ_max；

如果极值3≠MAX(极值2，极值1)，则返回MAX(极值3，极值2，极值1)对应的α和θ值作为最终的α_max和θ_max。

基于上述技术方案，本发明：

1、摆脱了POE网线拉线的施工；

2、网线和带宽都有距离限制，一般不超过100米，远距离拉线和保障带宽是一对矛盾体；电源可以使用太阳能电池板解决供电问题，摄像头将不使用任何线缆与WiFi热点连接；

3、仅使用定向天线，校对天线角度又是一个比较耗费精力的工作。如果刮风，或者人为不小心碰到天线，导致方向转移，会让摄像头信号快速减弱或者无法接入网络；

4、WiFi热点的0/90度八阵子双极化天线，可以用时间切片的方式，调整与水平面的角度，增加天线的覆盖面积。摄像头可以与热点天线时间同步，按时间轮片接入WiFi热点。

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 (8)

1.一种智慧农业高清摄像头WiFi网络远距离广覆盖方法，其特征在于，包括：

WiFi热点使用FTTH光纤接入，使用5G Hz的WiFi频段；

在WiFi热点使用0/90度八阵子双极化天线，在摄像头端使用定向天线；

使用两个步进电机分别控制定向天线的水平转动和垂直转动，实现转向控制；

在摄像头端通过地磁感应传感器和水平角度传感器，记录定向天线与地球磁场磁力线的水平方向角α、以及与地平面的垂直方向角θ；

使用随机梯度算法得到WiFi信号强度最大值的α_max和θ_max；

步进电机控制定向天线的位置为α_max和θ_max。

2.根据权利要求1所述的智慧农业高清摄像头WiFi网络远距离广覆盖方法，其特征在于，所述八阵子双极化天线的垂直3db波瓣宽度限制在7-8度以内；调整阵子之间的相位角，按时间切片覆盖高处、低处的摄像头。

3.根据权利要求1所述的智慧农业高清摄像头WiFi网络远距离广覆盖方法，其特征在于，所述定向天线为八木天线、抛物面天线、角反射天线中的一种。

4.根据权利要求1所述的智慧农业高清摄像头WiFi网络远距离广覆盖方法，其特征在于，所述地磁感应传感器和水平角度传感器设置在所述定向天线上。

5.根据权利要求1所述的智慧农业高清摄像头WiFi网络远距离广覆盖方法，其特征在于，所述步进电机对定向天线的转向控制是PID控制。

6.根据权利要求1所述的智慧农业高清摄像头WiFi网络远距离广覆盖方法，其特征在于，所述2个步进电机带动两个转盘，分别控制定向天线的水平转动和垂直转动，并额外增加转盘的阻尼避免因风吹导致转盘移动。

7.根据权利要求1所述的智慧农业高清摄像头WiFi网络远距离广覆盖方法，其特征在于，控制水平转动的步进电机每次脉冲带动的转动角度为10分，控制垂直转动的步进电机每次脉冲带动的转动角度为1分。

8.根据权利要求1所述的智慧农业高清摄像头WiFi网络远距离广覆盖方法，其特征在于，所述使用随机梯度算法得到WiFi信号强度最大值的极值的α和θ的具体过程包括：

S1、摄像头端设备首次初始化上电后，记录定向天线与地磁场夹角α₀，以及与水平面夹角θ₀；

S2、使用随机梯度上升算法，通过步进电机控制定向天线水平转动和垂直转动，寻找到WiFi信号强度最大值位置的α_max1和θ_max1值,作为极值1的位置1；

S3、从位置1向左水平移动120度，使用随机梯度上升算法，寻找极值2的位置2，即α_max2和θ_max2；

S4、如果位置2＝位置1，从位置2向右水平移动120度，使用随机梯度上升算法，寻找极值3的位置3，即α_max3和θ_max3；

如果位置3＝位置2，极值找到，返回α_max3和θ_max3值作为最终的α_max和θ_max；

如果位置3≠位置2，则取极值2和极值3的最大值位置作为最终的α_max和θ_max；

S5、如果位置2≠位置1，从位置2向右水平移动120度，使用随机梯度上升算法，寻找极值3的位置3，即α_max3和θ_max3；

如果极值3＝MAX(极值2，极值1)，则返回极值3的α_max3和θ_max3作为最终的α_max和θ_max；

如果极值3≠MAX(极值2，极值1)，则返回MAX(极值3，极值2，极值1)对应的α和θ值作为最终的α_max和θ_max。

Images