CN114531702A - 基于信道质量监测的自组网无线传输系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及工业无线传输系统领域，具体地说是基于信道质量监测的自组网无线传输系统及其方法。系统实现方法包括以下步骤：WIA‑FA远端无线传输单元首次开通，可自动执行360°信号捕捉任务，并记录各旋转角度捕捉到的WIA‑FA中心无线传输单元信道数据，WIA‑FA远端无线传输单元将自动选取并锁定传输质量最优WIA‑FA中心无线传输单元，WIA‑FA中心无线传输单元锁定后进行定向天线水平角度微调、定向天线垂直角度微调、自动功率控制，最终将天线自动调节到最优位置。本发明通过以上方法实现无线传输系统的对端连接设备自动选择、天线自动对准及降低系统对外干扰辐射电平，以此解决工业无线传输系统中心基站选择难度大、天线对准困难、无线网络间干扰严重的问题。

Description

基于信道质量监测的自组网无线传输系统及其方法

技术领域

本发明涉及一种能够实现中心接入设备自主选择、天线自动对准功能的无线传输系统及其方法，具体地说是基于信道质量监测的自组网无线传输系统及其方法。

背景技术

工业物联网系统是通过支持设备间的交互与物联，提供低成本、高可靠、高灵活的新一代泛在感知技术；推动工业物联网系统的功能提升与扩展，是实现提高生产效率、提升产品质量，节约能源和降低排放的重要技术手段。工业无线传输系统作为工业物联网系统的主干传输网络被越来越多的应用到工业物联网项目中，工业无线传输系统的稳定性将在工业物联网项目起到至关重要的作用。

目前常见的工业无线传输系统采用基于802.11协议族的无线传输设备进行组网实现主干传输网络的构建，在进行工业无线传输系统部署时遇到的主要难题是无线网络规划难度大、对操作使用人员素质能力要求高以及系统开通完成后没有统一的验收标准，这就导致了工业无线传输系统难以长期稳定运行的现状。同时由于设备之间的安装距离通常在3公里以上，通过肉眼很难进行设备天线的对准，开通时施工难度极大，天线安装使用效果差，也是导致无线网络不稳定的主要因素。

本发明基于信道质量监测的自组网无线传输系统主要应用于油田现场的野外环境，通常情况下在油田作业区通信塔上部署若干台WIA-FA中心传输单元作为中心站，通过扇区覆盖的方式对半径5公里范围进行无线覆盖。WIA-FA远端无线传输单元分散部署在中心站四周的计量间位置，以此构建油田无线通信网络。为了保证设备的有效传输带宽，通常情况下要求无线设备间要实现可视传输，故WIA-FA远端无线传输单元需要假设在18米高的水泥杆顶端。系统原有的开通方式是安装人员通过举升车将设备安装，再由2个专业技术人员进行WIA-FA远端无线传输单元的定向天线对准工作，当出现安装人员与技术人员不能同时到达现场的情况时，还要出两次以上的举升车进行设备的安装与调试，项目建设的人员与车辆投入成本巨大。另外，WIA-FA远端传输单元与WIA-FA中心传输单元的安装距离通常情况下都在3公里的距离，现场调试的技术人员很难通过肉眼将天线进行对准，大部分情况只能保证WIA-FA远端无线传输单元能够加入到WIA-FA中心无线传输单元完成设备组网，而设备间的通信信号强度很难保证，信号强度的下降引起了设备调制方式的降级，这就导致了系统的无线传输带宽难以满足负载数据的传输。系统联调结束后，经常出现系统传输带宽不足而引起的天线再次调整，引入了大量的重复工作量。这也使得油田无线网络建设的开通调试工作成为老大难问题，系统开通成本是油田其他物联网设备开通成本的数十倍甚至更多。由于上述问题，工业无线传输系统难以在工业现场大面积推广。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供基于信道质量监测的自组网无线传输系统及其方法，实现了WIA-FA远端无线传输单元自动检测周边全部WIA-FA中心无线传输单元的信道质量，自主选择最优WIA-FA中心无线传输单元接入，自动对准并精确调整天线水平、垂直角度，自动进行功率控制进而限制无线信号辐射范围、降低对其他无线通信系统干扰电平。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：基于信道质量监测的自组网无线传输系统，应用于WIA-FA无线网络的远端站，包括：

定向天线，固定于天线调节执行机构以实现水平全角度以及垂直方向部分角度的旋转；

天线调节执行机构，用于根据动态控制单元的控制驱动定向天线旋转；

动态控制单元，用于通过WIA-FA远端无线传输单元获取服务端的实时信道信息，执行对天线调节执行机构的控制，使WIA-FA远端无线传输单元无线连接入并锁定服务端WIA-FA中心无线传输单元，以及对定向天线进行水平和垂直方向的角度调整，以实现自动控制WIA-FA远端无线传输单元射频发射功率；

WIA-FA远端无线传输单元，用于通过定向天线实现射频信号发送及接收。

基于信道质量监测的自组网无线传输方法，包括以下步骤：

通过WIA-FA远端无线传输单元获取服务端的信道信息，执行对天线调节执行机构的控制，使WIA-FA远端无线传输单元无线连接入并锁定服务端WIA-FA中心无线传输单元，以及进行定向天线进行水平和垂直方向的角度调整，以实现自动控制WIA-FA远端无线传输单元射频发射功率。

所述执行对天线调节执行机构的控制，具体为：动态控制单元接收到搜索命令后，执行以下步骤：

1)控制天线调节执行机构水平方向顺时针旋转10°；

2)记录天线调节执行机构的当前水平旋转角度，控制天线调节执行机构(17)保持静止T秒钟；

3)采集WIA-FA远端无线传输单元在天线调节执行机构保持静止时间内所搜索到的服务端WIA-FA中心无线传输单元包含水平信号强度值、信道质量值的信道信息N次，并记录信道号；

4)如果未采集到服务端的信道信息，则返回步骤3)；

如果采集到服务端的信道信息，则将采集到的水平信号强度值、信道质量值分别去掉2个最大值，去掉2个最小值，其余6个采样值取平均值，按照当前水平旋转角度、所搜索到的服务端WIA-FA中心无线传输单元信道号、水平信号强度值、信道质量值的列表结构进行保存；

5)返回步骤1)，循环执行36次，使天线调节执行机构旋转一周回到原点；记录定向天线水平旋转一周搜索到的所有服务端WIA-FA中心无线传输单元的信道信息；

6)对搜索到的所有服务端WIA-FA中心无线传输单元的信道信息，以水平信号强度值从高至低为第一优先级、信道质量值从高至低为第二优先级分别进行排序，生成接入邻居表并保存，用于查找接入邻居表，找出第一优先级与第二优先级均位于最高等级的信道信息，确定对应的天线旋转角度为最优旋转角度；

7)控制天线调节执行机构旋转到最优旋转角度，以使WIA-FA远端无线传输单元无线连接入并锁定服务端WIA-FA中心无线传输单元。

在WIA-FA远端无线传输单元无线连接入并锁定服务端WIA-FA中心无线传输单元后，进行水平天线角度微调控制流程，包括以下步骤：

1)控制天线调节执行机构顺时针水平旋转1°，并在当前位置停留若干秒钟；

2)多次采集WIA-FA远端无线传输单元所搜索到的服务端WIA-FA中心无线传输单元的水平信号强度值；

3)将采集到的水平信号强度值取平均值，并保存；

4)循环执行步骤1)～步骤3)M次；

5)控制天线调节执行机构逆时针水平旋转M°回到原点；

6)控制天线调节执行机构逆时针水平旋转1°，并在当前位置停留若干秒钟；

7)多次采集WIA-FA远端无线传输单元所搜索到的服务端WIA-FA中心无线传输单元的水平信号强度值；

8)将采集到的水平信号强度值取平均值，并保存；

9)循环执行步骤6)～步骤8)M次；

10)将天线在原点位置、2M个悬停点位置的信号强度采样值进行比较，选取其中的极大值，极大值对应的天线旋转位置即为天线最优水平微调角度；

11)控制天线调节执行机构旋转到天线最优水平微调角度。

进行水平天线角度微调控制流程后，进行垂直天线角度微调控制流程，包括以下步骤：

1)控制天线调节执行机构垂直方向向上旋转1°，并在当前位置停留若干秒钟；

2)多次采集WIA-FA远端无线传输单元所搜索到的服务端WIA-FA中心无线传输单元的垂直信号强度值；

3)将采集到的垂直信号强度值取平均值，并保存；

4)循环执行步骤1)～步骤3)2M次；

5)控制天线调节执行机构垂直方向向下旋转2M°回到原点；

6)控制天线调节执行机构垂直方向向下旋转1°，并在当前位置停留若干秒钟；

7)多次采集WIA-FA远端无线传输单元所搜索到的服务端WIA-FA中心无线传输单元的垂直信号强度值；

8)将采集到的垂直信号强度值取平均值，并保存；

9)循环执行步骤6)～步骤8)2M次；

10)将天线在原点位置、4M个悬停点位置的垂直信号强度采样值进行比较，选取其中的极大值，极大值对应的天线旋转位置即为天线最优垂直微调角度；

11)控制天线调节执行机构旋转到天线最优垂直微调角度。

垂直天线角度微调控制流程后，进行自动功率控制流程，包括以下步骤：

6-1)动态控制单元以设定周期读取WIA-FA远端无线传输单元所连接的服务端WIA-FA中心无线传输单元的包含水平和垂直的信号强度值；

6-2)将连续采集K次信号强度值，并对K个采集值进行平均值计算，得出计算结果AVG；

6-3)将AVG+60与0进行比较；

如果AVG+60≤0，则返回步骤6-1)以设定周期读取WIA-FA远端无线传输单元所连接的服务端WIA-FA中心无线传输单元的包含水平和垂直的信号强度值；

如果AVG+60＞0，则向WIA-FA远端无线传输单元发送衰减值Q,其中Q＝X+3；其中X值等于AVG+60，以使WIA-FA远端无线传输单元写入衰减值Q后，对其射频信号衰减QdB，实现自动控制WIA-FA远端无线传输单元射频发射功率。

一种基于信道质量监测的自组网无线传输装置，包括存储器和处理器；所述存储器，用于存储计算机程序；所述处理器，用于当执行所述计算机程序时，实现所述的基于信道质量监测的自组网无线传输方法。

一种计算机可读存储介质，所述存储介质上存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时，实现所述的基于信道质量监测的自组网无线传输方法。

本发明具有以下有益效果及优点：

实现工业无线网络部署时，无需人为规划，WIA-FA远端无线传输单元自动搜索周边全部WIA-FA中心无线传输单元信道信息，自动分析选择最优的WIA-FA中心无线传输单元进行连接；WIA-FA远端无线传输单元的定向天线自动精确对准WIA-FA中心无线传输单元的扇区天线；WIA-FA远端无线传输单元实现自动功率控制，降低对同区域部署的其他无线网络的射频干扰电平；本基于信道质量监测的自组网无线传输系统及其方法有效解决了网络规划不合理、天线无法对准、系统间射频干扰严重的问题，有效消除了不合理人为干预对系统稳定运行影响，同时降低了系统开通复杂度，节省了人工调试成本。

基于信道质量监测的自组网无线传输系统在工业油田现场应用时，通过最优WIA-FA中心无线传输单元自动锁定技术的应用，实现了WIA-FA远端无线传输单元无需人为干预自动对准锁定中心站功能，通过系统应用，可以将系统开通时要求的2名技术人员降低为0人，这也使得系统开通不再依赖于技术人员，安装人员与举升车辆可以更加灵活调度、提升系统开通效率；本发明通过创建接入邻居表，对备选WIA-FA中心无线传输单元进行射频信息存储，系统出现当前连接的中心无线传输单元宕机时，能够快速实现网络自恢复；本发明通过水平天线角度微调、垂直天线角度微调，实现了天线的精确自动对准，有效保证了射频信号的强度值，满足负载数据传输带宽要求，同时精确的对准技术也可有效避免设备的二次调试环节，降低举升车与技术人员的使用率；本发明通过自动功率控制，将WIA-FA远端无线传输单元信号强度降低到能够满足其负载传输带宽的最小值，在降低设备功耗的节约了能源的同时也降低了无用信号对外的辐射范围，从而降低了不同无线网络之间的射频干扰。综上所述，本发明可以有效解决无线传输系统安装调试复杂需要大量人力物力的现状，实现开通调试费用降低到原来的1/2以下，安装部署时间缩短为原来的1/3以下，开通过程完全取消对技术人员的依赖，系统能耗降低20％以上，空间干扰电平降低30％以上，本发明也最终将工业无线网络开通调试工作这个老大难问题变成了即安即用的简单工作。

附图说明

图1是本发明的系统组成框图；

其中，11服务器，12数据库，13工业以太网，14WIA-FA中心无线传输单元、15扇区天线，16定向天线，17天线调节执行机构，18动态控制单元，19WIA-FA远端无线传输单元；

图2是本发明的动态控制单元结构组成框图；

其中，21外壳，22电源模块，23处理器模块，24通信模块，25继电器模块；

图3是本发明的锁定最优WIA-FA中心无线传输单元流程框图；

图4是本发明的水平天线角度微调流程框图；

图5是本发明的垂直天线角度微调流程框图；

图6是本发明的自动功率控制流程框图；

图7是本发明的天线调节执行机构安装示意图；

图8是本发明的天线调节执行机构结构组成示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

为使本发明的上述目的、特征和有点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

本发明涉及工业无线传输系统领域，是一种具备对端通信设备自动选择及天线自动对准功能的无线通信系统。本发明包括：服务器、数据库、工业以太网、WIA-FA中心无线传输单元、WIA-FA远端无线传输单元、动态控制单元、扇区天线、定向天线、天线调节执行机构；WIA-FA远端无线传输单元通过串口连接动态控制单元，动态控制单元通过4个DO接口控制天线调节执行机构，定向天线固定在天线调节执行机构上，通过执行机构运转调节天线水平、垂直方向角，WIA-FA中心无线传输单元与WIA-FA远端无线传输单元通过无线方式连接，服务器通过工业以太网与WIA-FA中心无线传输单元连接，实现网络内设备间的数据交互，数据库用于存储WIA-FA远端无线传输单元的负载数据；系统实现方法包括以下步骤：WIA-FA远端无线传输单元首次开通，可自动执行360°信号捕捉任务，并记录各旋转角度捕捉到的WIA-FA中心无线传输单元信道数据，WIA-FA远端无线传输单元将自动选取并锁定传输质量最优WIA-FA中心无线传输单元，WIA-FA中心无线传输单元锁定后进行定向天线水平角度微调、定向天线垂直角度微调、自动功率控制，最终将天线自动调节到最优位置。本发明通过以上方法实现无线传输系统的对端连接设备自动选择、天线自动对准及降低系统对外干扰辐射电平，以此解决工业无线传输系统中心基站选择难度大、天线对准困难、无线网络间干扰严重的问题。

动态控制单元通过DO端口连接并控制天线调节执行机构进行水平360°、垂直±10°旋转，定向天线通过固定在天线调节执行机构上实现其水平360°、垂直±10°旋转；WIA-FA远端无线传输单元通过射频线连接线连接定向天线实现射频信号发送及接收，；WIA-FA远端无线传输单元通过无线方式与；WIA-FA中心无线传输单元进行数据交互获取WIA-FA中心无线传输单元的实时信道信息，动态控制单元通过串口连接WIA-FA远端无线传输单元以获取WIA-FA中心无线传输单元的实时信道信息进而执行对天线调节执行机构的控制；服务器通过工业以太网与WIA-FA中心无线传输单元连接，实现网络内设备间的数据交互，数据库用于存储WIA-FA远端无线传输单元的负载数据；

本无线传输系统进行组网时，WIA-FA远端无线传输单元可自动选择传输质量最优的WIA-FA中心无线传输单元，并进行自动天线对准锁定；

动态控制单元通过串口连接到WIA-FA远端无线传输单元，获取各水平方向角度的所有可连接的WIA-FA中心无线传输单元信号强度值、信道质量值，根据上述采样值综合决策选择最优WIA-FA中心无线传输单元进行连接；

WIA-FA远端无线传输单元首次开通时，可通过动态控制单元对天线调节执行机构以10°步进进行水平360°方向调节控制，与此同时监测WIA-FA远端无线传输单元所接收到的WIA-FA中心无线传输单元信号强度值、信道质量值；

动态控制单元可根据采集到的所有WIA-FA中心无线传输单元的信道数据及天线当前位置自动生成接入邻居表；

WIA-FA无线传输系统组网不限制WIA-FA中心无线传输单元数量，网络中可存在多个WIA-FA中心无线传输单元，WIA-FA远端无线传输单元自动选择最优信道质量的WIA-FA中心无线传输单元组建网络；

天线调节执行机构锁定中心传输单元后，动态控制单元控制天线调节执行机构以1°步进进行水平方向微调；

天线调节执行机构完成天线角度水平微调后，态控制单元控制天线调节执行机构以1°步进进行垂直方向角度微调，垂直方向调节范围为±10°；

定向天线完成对准后，动态控制单元可以控制WIA-FA远端无线传输单元射频功率，限制WIA-FA远端无线传输单元射频辐射范围以降低对周边相邻无线网络的射频干扰。

本发明包括服务器、数据库、工业以太网、WIA-FA中心无线传输单元、WIA-FA远端无线传输单元、动态控制单元、扇区天线、定性天线、天线调节执行机构。其中，服务器、数据库、工业以太网、WIA-FA中心无线传输单元和扇区天线构成服务端，WIA-FA远端无线传输单元、动态控制单元、定性天线、天线调节执行机构构成远端站。

所述的WIA-FA中心无线传输单元包括处理器模块及与其连接的外设端口模块、数据交换模块、状态指示灯模块、电源管理模块和WIA-FA通信模块。

所述的WIA-FA远端无线传输单元包括处理器模块及与其连接的外设端口模块、数据交换模块、状态指示灯模块、电源管理模块和WIA-FA通信模块。

所述的动态控制单元包括处理器模块、通信模块、继电器模块和电源模块。

WIA-FA无线传输系统天线自动对准锁定方法，包括以下步骤：

WIA-FA远端无线传输单元首次开通时进行中心设备搜索；

动态控制单元锁定最优WIA-FA中心无线传输单元；

所述的锁定最优WIA-FA中心无线传输单元的步骤如下：

天线调节执行机构水平旋转一周，记录所有WIA-FA中心无线传输单元的信道信息；

动态控制单元对采集到的WIA-FA中心无线传输单元的信道信息取均值；

动态控制单元生成接入邻居表并存入存储器中；

动态控制单元按连接优先级进行邻居表排序；

天线调节执行机构将天线旋转到接入邻居表中最高等级位置；

WIA-FA远端无线传输单元自动连接锁定WIA-FA中心无线传输单元；

动态控制单元控制系统进行水平天线角度微调；

所述的水平天线角度微调的步骤如下：

天线调节执行机构水平±5°旋转，记录所连接的WIA-FA中心无线传输单元的信道信息；

动态控制单元对采集到的WIA-FA中心无线传输单元的信道信息取均值；

动态控制单元将计算结果存入存储器中；

动态控制单元控制天线调节执行机构进行天线水平角度微调；

动态控制单元控制系统进行垂直天线角度微调；

所述的垂直天线角度微调的步骤如下：

天线调节执行机构垂直±10°旋转，记录所连接的WIA-FA中心无线传输单元的信道信息；

动态控制单元对采集到的WIA-FA中心无线传输单元的信道信息取均值；

动态控制单元将计算结果存入存储器中；

动态控制单元控制天线调节执行机构进行天线垂直角度微调；

动态控制单元控制系统进行自动功率控制；

所述的自动功率控制的步骤如下：

动态控制单元将采集到的信号强度值+60与门限值0进行比较；

当计算结果低于门限值时，不进行功率控制操作；

当计算结果高于门限值时，动态控制单元对WIA-FA远端无线传输单元内的通信模块进行功率衰减。

图1描述了基于信道质量监测的自组网无线传输系统及其方法的组成及基本连接：WIA-FA中心无线传输单元安装在数据落地点周边的通信塔上，通常情况下每个通信塔上安装3-6个WIA-FA中心无线传输单元，服务器及数据库通过工业以太网连接WIA-FA中心无线传输单元，实现与WIA-FA网络所有连接的以太网设备的数据交互；WIA-FA中心无线传输单元通过射频线缆与扇区天线连接，实现扇区内无线网络覆盖；定向天线需要对准扇区天线接收WIA-FA中心无线传输单元的空间信号；定向天线与WIA-FA远端无线传输单元通过射频线缆连接，WIA-FA远端无线传输单元分布在WIA-FA中心无线传输单元覆盖扇区内，通过5.8GHz频率射频信号与WIA-FA中心无线传输单元实现无线组网及数据传输；动态控制单元通过串口连接WIA-FA远端无线传输单元，采集WIA-FA远端无线传输单元与WIA-FA中心无线传输单元通信信道信息；天线调节执行机构是一种具备水平旋转、垂直旋转功能的天线安装支架，通过DO接口连接动态控制单元，实现其水平、垂直方向调节；定向天线以抱杆的方式安装在天线调节执行机构上，通过天线调节执行机构控制其水平360°、垂直±10°方向调节；通过以上连接关系最终实现动态控制单元控制WIA-FA远端无线传输单元锁定信道质量最优的WIA-FA中心无线传输单元，控制定向天线自动对准扇区天线，以及对WIA-FA远端无线传输单元进行自动功率控制。

动态控制单元结构组成框图如图2所示，包括外壳及设置于外壳内的电子器件组成，主要包括电源模块，处理器模块，通信模块，继电器模块。

电源模块为动态控制单元内部各功能模块提供供电。电源模块为AC220V输入DC24V输出的交直流转换模块，各单元之间采用隔离电源形式，防止单元间相互干扰。

处理器模块包括处理器和存储器两部分，主要负责WIA-FA远端无线传输单元所搜索到的WIA-FA中心无线传输单元信道信息采集、接入邻居表生成与存储、自动功率控制指令下发及天线调节执行机构的控制指令下发。

通信模块支持1路RS232接口，用于动态控制单元与WIA-FA远端无线传输单元的数据交互。

继电器模块支持4路数字量输出，分别对应继电器1控制水平顺时针旋转、继电器2控制水平逆时针旋转、继电器3控制垂直向上旋转、继电器4控制垂直向下旋转。

图3详细描述了本系统中WIA-FA远端无线传输单元锁定最优WIA-FA中心无线传输单元流程。如图3所示WIA-FA远端无线传输单元首次开通时，计算机通过以太网口端口连接WIA-FA远端无线传输单元，并对其发送中心站搜索命令，WIA-FA远端无线传输单元通过串口将指令转发给动态控制单元；

动态控制单元接收到中心站搜索命令后控制天线调节执行机构水平方向顺时针旋转10°；

天线调节执行机构到达预定位置后动态控制单元记录当前水平旋转角度，天线调节执行机构保持静止5秒钟；

在天线调节执行机构保持静止时间内，WIA-FA远端无线传输单元持续搜索与其具有相同SSID的WIA-FA中心无线传输单元信号；

动态控制单元通过串口以500ms周期采集WIA-FA远端无线传输单元所搜索到的WIA-FA中心无线传输单元的水平信号强度值、信道质量值10次，并记录信道号；

如果动态控制单元未采集到WIA-FA中心无线传输单元的信道信息，则返回第一步，再次执行WIA-FA中心无线传输单元搜索流程；

如果动态控制单元采集到WIA-FA中心无线传输单元的信道信息，则将采集到的水平信号强度、信道质量采样值分别去掉2个最大值，去掉2个最小值，其余6个采样值取平均值，按照当前水平旋转角度、所搜索到的WIA-FA中心无线传输单元信道号、水平信号强度值、信道质量值的列表结构写入其存储器中；

上述流程循序执行36次，天线调节执行机构正好旋转一周回到原点；动态控制单元18记录下定向天线水平旋转一周搜索到的所有WIA-FA中心无线传输单元的信道信息；

动态控制单元对上述信息以信号强度值较高者为第一优先级、信道质量值较高者为第二优先级进行邻居排序，并生成接入邻居表；

动态控制单元生成的接入邻居表写入其内部存储器中；

动态控制单元查找接入邻居表，找出列表中最高等级邻居，确定天线旋转角度；

动态控制单元控制天线调节执行机构旋转到该旋转角度；

WIA-FA远端无线传输单元无线连接入并锁定WIA-FA中心无线传输单元；

动态控制单元进入下一步水平天线角度微调控制流程。

图4详细描述了本系统中WIA-FA远端无线传输单元所连接的定向天线水平天线角度微调流程。如图4所示系统进入水平天线角度微调流程后，按照以下流程进行操作：

动态控制单元控制天线调节执行机构顺时针水平旋转1°，并在当前位置停留2秒钟；

动态控制单元通过串口以500ms周期采集WIA-FA远端无线传输单元所搜索到的WIA-FA中心无线传输单元的水平信号强度值，共计采集4次；

动态控制单元将采集到的水平信号强度值取平均值，并写入其内部存储器中；

上述流程循序执行5次；

动态控制单元控制天线调节执行机构逆时针水平旋转5°回到原点；

动态控制单元控制天线调节执行机构逆时针水平旋转1°，并在当前位置停留2秒钟；

动态控制单元通过串口以500ms周期采集WIA-FA远端无线传输单元所搜索到的WIA-FA中心无线传输单元的水平信号强度值，共计采集4次；

动态控制单元将采集到的水平信号强度值取平均值，并写入其内部存储器中；

上述流程循序执行5次；

动态控制单元将天线在原点位置、10个悬停点位置的信号强度采样值进行比较，选取其中的极大值，进而确定天线最优水平微调角度；

动态控制单元控制天线调节执行机构旋转到天线最优水平微调角度；

动态控制单元进入下一步垂直天线角度微调控制流程。

图5详细描述了本系统中WIA-FA远端无线传输单元所连接的定向天线垂直天线角度微调流程。如图5所示系统进入垂直天线角度微调流程后，按照以下流程进行操作：

动态控制单元控制天线调节执行机构垂直向上旋转1°，并在当前位置停留2秒钟；

动态控制单元通过串口以500ms周期采集WIA-FA远端无线传输单元所搜索到的WIA-FA中心无线传输单元的垂直信号强度值，共计采集4次；

动态控制单元将采集到的垂直信号强度值取平均值，并写入其内部存储器中；

上述流程循序执行10次；

动态控制单元控制天线调节执行机构垂直向下旋转10°回到原点；

动态控制单元控制天线调节执行机构垂直向下旋转1°，并在当前位置停留2秒钟；

动态控制单元通过串口以500ms周期采集WIA-FA远端无线传输单元所搜索到的WIA-FA中心无线传输单元的垂直信号强度值，共计采集4次；

动态控制单元将采集到的垂直信号强度值取平均值，并写入其内部存储器中；

上述流程循序执行10次；

动态控制单元将天线在原点位置、20个悬停点位置的信号强度采样值进行比较，选取其中的极大值，进而确定天线最优垂直微调角度；

动态控制单元控制天线调节执行机构旋转到天线最优垂直微调角度；

动态控制单元进入下一步自动功率控制流程。

图6详细描述了本系统中WIA-FA远端无线传输单元自动功率控制流程。如图6所示系统进入自动功率控制流程后，按照以下流程进行操作：

动态控制单元通过串口连接WIA-FA远端无线传输单元，并以10s为周期读取WIA-FA远端无线传输单元所连接的WIA-FA中心无线传输单元的信号强度值；

动态控制单元将连续采集100次信号强度值，并对100个采集值进行平均值计算，得出计算结果AVG；

动态控制单元将AVG+60与0进行比较，如果AVG+60≤0，则返回第一步循序执行WIA-FA中心无线传输单元信号强度检测；

如果AVG+60＞0，动态控制单元通过串口向WIA-FA远端无线传输单元射频模块写入衰减值Q,其中Q＝X+3；

WIA-FA远端无线传输单元写入衰减值Q后，其内部ATT电路将对其射频信号衰减QdB，实现自动控制WIA-FA远端无线传输单元射频发射功率的效果；

动态控制单元持续循环监测WIA-FA中心无线传输单元信号强度值，并对其进行功率控制。

图7描述了天线调节执行机构的整体安装方式，天线调节执行机构主体部分20通过抱杆的安装方式固定在水泥杆50的顶部；天线调节执行机构上方设计了定向天线抱杆安装位置30，用于将定向天线固定在天线调节执行机构上方；可旋转底座40是执行水平选装与垂直角度调节的执行机构。

图8描述了可旋转底座40的组成部分，其包括驱动电机1即402、驱动电机2即403、支撑底座401、安装支架404、支撑板405和天线立柱406，其中驱动电机1402设于安装支架404上，支撑底座401设于驱动电机1上并通过所述驱动电机1驱动水平转动，支撑板405通过铰接轴铰接于所述支撑底座401上，驱动电机2403安装于所述支撑底座401上并且输出端与所述铰接轴固连，所述驱动电机2403驱动铰接轴转动进而驱动支撑板405俯仰转动，天线立柱406设于所述支撑板405上。本发明利用驱动电机1402驱动天线立柱406水平转动，利用驱动电机2403驱动天线立柱406俯仰摆动，从而实现其位置调节。

工业现场可根据其数据采集点的分布情况部署本无线传输系统，系统的开通调试无需人为干预，WIA-FA远端无线传输单元天线自动搜索并对准WIA-FA中心无线传输单元扇区天线，实现WIA-FA无线传输系统自组网。通过系统自动功率控制功能，降低WIA-FA远端无线传输单元射频辐射范围，减少多个无线传输系统共用时的相互干扰，保障无线传输系统通信延时＜20ms，通信成功率＞99.9％。

Claims (8)

1.基于信道质量监测的自组网无线传输系统，其特征在于，应用于WIA-FA无线网络的远端站，包括：

定向天线(16)，固定于天线调节执行机构(17)以实现水平全角度以及垂直方向部分角度的旋转；

天线调节执行机构(17)，用于根据动态控制单元(18)的控制驱动定向天线(16)旋转；

动态控制单元(18)，用于通过WIA-FA远端无线传输单元(19)获取服务端的实时信道信息，执行对天线调节执行机构(17)的控制，使WIA-FA远端无线传输单元无线连接入并锁定服务端WIA-FA中心无线传输单元，以及对定向天线(16)进行水平和垂直方向的角度调整，以实现自动控制WIA-FA远端无线传输单元射频发射功率；

WIA-FA远端无线传输单元(19)，用于通过定向天线(16)实现射频信号发送及接收。

2.基于信道质量监测的自组网无线传输方法，其特征在于，包括以下步骤：

通过WIA-FA远端无线传输单元(19)获取服务端的信道信息，执行对天线调节执行机构(17)的控制，使WIA-FA远端无线传输单元无线连接入并锁定服务端WIA-FA中心无线传输单元，以及进行定向天线(16)进行水平和垂直方向的角度调整，以实现自动控制WIA-FA远端无线传输单元射频发射功率。

3.根据权利要求2所述的基于信道质量监测的自组网无线传输方法，其特征在于，所述执行对天线调节执行机构(17)的控制，具体为：动态控制单元(18)接收到搜索命令后，执行以下步骤：

1)控制天线调节执行机构(17)水平方向顺时针旋转10°；

2)记录天线调节执行机构(17)的当前水平旋转角度，控制天线调节执行机构(17)保持静止T秒钟；

3)采集WIA-FA远端无线传输单元(19)在天线调节执行机构(17)保持静止时间内所搜索到的服务端WIA-FA中心无线传输单元包含水平信号强度值、信道质量值的信道信息N次，并记录信道号；

4)如果未采集到服务端的信道信息，则返回步骤3)；

如果采集到服务端的信道信息，则将采集到的水平信号强度值、信道质量值分别去掉2个最大值，去掉2个最小值，其余6个采样值取平均值，按照当前水平旋转角度、所搜索到的服务端WIA-FA中心无线传输单元信道号、水平信号强度值、信道质量值的列表结构进行保存；

5)返回步骤1)，循环执行36次，使天线调节执行机构(17)旋转一周回到原点；记录定向天线(16)水平旋转一周搜索到的所有服务端WIA-FA中心无线传输单元的信道信息；

6)对搜索到的所有服务端WIA-FA中心无线传输单元的信道信息，以水平信号强度值从高至低为第一优先级、信道质量值从高至低为第二优先级分别进行排序，生成接入邻居表并保存，用于查找接入邻居表，找出第一优先级与第二优先级均位于最高等级的信道信息，确定对应的天线旋转角度为最优旋转角度；

7)控制天线调节执行机构(17)旋转到最优旋转角度，以使WIA-FA远端无线传输单元无线连接入并锁定服务端WIA-FA中心无线传输单元。

4.根据权利要求2或3所述的基于信道质量监测的自组网无线传输方法，其特征在于，在WIA-FA远端无线传输单元无线连接入并锁定服务端WIA-FA中心无线传输单元后，进行水平天线角度微调控制流程，包括以下步骤：

4-1)控制天线调节执行机构(17)顺时针水平旋转1°，并在当前位置停留若干秒钟；

4-2)多次采集WIA-FA远端无线传输单元所搜索到的服务端WIA-FA中心无线传输单元的水平信号强度值；

4-3)将采集到的水平信号强度值取平均值，并保存；

4-4)循环执行步骤4-1)～步骤4-3)M次；

4-5)控制天线调节执行机构(17)逆时针水平旋转M°回到原点；

4-6)控制天线调节执行机构(17)逆时针水平旋转1°，并在当前位置停留若干秒钟；

4-7)多次采集WIA-FA远端无线传输单元所搜索到的服务端WIA-FA中心无线传输单元的水平信号强度值；

4-8)将采集到的水平信号强度值取平均值，并保存；

4-9)循环执行步骤4-6)～步骤4-8)M次；

4-10)将天线在原点位置、2M个悬停点位置的信号强度采样值进行比较，选取其中的极大值，极大值对应的天线旋转位置即为天线最优水平微调角度；

4-11)控制天线调节执行机构(17)旋转到天线最优水平微调角度。

5.根据权利要求2所述的基于信道质量监测的自组网无线传输方法，其特征在于，进行水平天线角度微调控制流程后，进行垂直天线角度微调控制流程，包括以下步骤：

5-1)控制天线调节执行机构(17)垂直方向向上旋转1°，并在当前位置停留若干秒钟；

5-2)多次采集WIA-FA远端无线传输单元所搜索到的服务端WIA-FA中心无线传输单元的垂直信号强度值；

5-3)将采集到的垂直信号强度值取平均值，并保存；

5-4)循环执行步骤5-1)～步骤5-3)2M次；

5-5)控制天线调节执行机构(17)垂直方向向下旋转2M°回到原点；

5-6)控制天线调节执行机构(17)垂直方向向下旋转1°，并在当前位置停留若干秒钟；

5-7)多次采集WIA-FA远端无线传输单元所搜索到的服务端WIA-FA中心无线传输单元的垂直信号强度值；

5-8)将采集到的垂直信号强度值取平均值，并保存；

5-9)循环执行步骤5-6)～步骤5-8)2M次；

5-10)将天线在原点位置、4M个悬停点位置的垂直信号强度采样值进行比较，选取其中的极大值，极大值对应的天线旋转位置即为天线最优垂直微调角度；

5-11)控制天线调节执行机构(17)旋转到天线最优垂直微调角度。

6.根据权利要求2所述的基于信道质量监测的自组网无线传输方法，其特征在于，垂直天线角度微调控制流程后，进行自动功率控制流程，包括以下步骤：

6-1)动态控制单元(18)以设定周期读取WIA-FA远端无线传输单元所连接的服务端WIA-FA中心无线传输单元的包含水平和垂直的信号强度值；

6-2)将连续采集K次信号强度值，并对K个采集值进行平均值计算，得出计算结果AVG；

6-3)将AVG+60与0进行比较；

如果AVG+60≤0，则返回步骤6-1)以设定周期读取WIA-FA远端无线传输单元所连接的服务端WIA-FA中心无线传输单元的包含水平和垂直的信号强度值；

如果AVG+60＞0，则向WIA-FA远端无线传输单元发送衰减值Q,其中Q＝X+3；其中X值等于AVG+60，以使WIA-FA远端无线传输单元写入衰减值Q后，对其射频信号衰减QdB，实现自动控制WIA-FA远端无线传输单元射频发射功率。

7.一种基于信道质量监测的自组网无线传输装置，其特征在于，包括存储器和处理器；所述存储器，用于存储计算机程序；所述处理器，用于当执行所述计算机程序时，实现如权利要求2-6任一项所述的基于信道质量监测的自组网无线传输方法。

8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述存储介质上存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时，实现如权利要求2-6任一项所述的基于信道质量监测的自组网无线传输方法。

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