CN117412316A - 具有信号强度检测的物联网无线系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了具有信号强度检测的物联网无线系统，涉及无线通信技术相关技术领域，通过多种无线通信系统的组合配置，可以随时检测网络信号强度的波动情况，并结合信号强度检测分析模块智能判断信号强度波动的原因，然后智能决策模块根据信号强度波动的原因智能选择合适的无线通信方式进行切换，以保证在复杂的网络环境下灵活地保证网络连接质量。

Description

具有信号强度检测的物联网无线系统

技术领域

本发明涉及无线通信技术相关技术领域，具体为具有信号强度检测的物联网无线系统。

背景技术

物联网是指通过互联网连接各种物理设备，使它们能够相互通信和共享数据的网络，这些物理设备可以是家用电器、工业机器、传感器、车辆等，它们通过嵌入式系统和网络连接，实现信息的收集、传输和分析，物联网无线通信是实现物联网设备之间通信的关键组成部分，物联网中的设备通常需要通过无线连接传输数据，因为它们分布广泛、数量庞大，而且可能位于各种不同的环境中。

传统的物联网无线通信系统通常根据应用场景、设备要求、覆盖范围和功耗预算来进行选择，较为单一，在遇到外部环境造成的网络信号强度波动时，难以进行灵活调整，因此适应性和可靠性较差，难以适应复杂的外部环境。

发明内容

本发明的目的在于提供具有信号强度检测的物联网无线系统，以解决上述背景中所提出传统的物联网无线通信系统难以适应复杂的外部环境的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：具有信号强度检测的物联网无线系统，所述系统包括：通信模块、信号强度检测分析模块、智能决策模块、控制器模块、用户输入模块、网络管理模块；

其中，所述通信模块使用支持多种通信方式的多模式通信芯片，多模式通信芯片支持多种通信标准，可以让设备在不同的通信方式之间切换，包括短距通信技术、LPWAN技术和广域网通信技术，利用多种通信方式之间的组合来适应不同的通信需求，根据需要自动或手动切换通信方式；

所述信号强度检测分析模块用于定期检测周围不同通信方式的信号强度及影响信号强度的因素，如果信号质量下降或另一种通信方式更可用，设备可以自动切换到更好的选项；

所述智能决策模块通过分析信号强度检测分析模块的检测结果，根据当前网络条件，确定信号强度下降的时间点，并关注与其他数据相关的事件，包括距离调整、天气变化、特殊活动和设备故障，确定信号强度波动与通信距离变化、天气变化、特殊活动和设备故障是否存在关联，并根据干扰源的识别结果，确定是否有需要避开的特定频段或通信方式，然后基于设备状态制定判断是否需要切换通信方式的策略，智能选择最适合的通信方式；

所述控制器模块负责协调所有其他模块的功能，包括通信模块、信号强度检测分析模块、智能决策模块、用户输入模块、网络管理模块，用于执行决策逻辑，根据信号强度检测结果来切换通信方式；

所述用户输入模块提供客户控制界面，方便用户手动选择设备的通信方式；

所述网络管理模块用于部署网络管理平台来监控和远程管理设备。

进一步的，所述短距通信技术包括Wi-Fi、蓝牙和ZigBee，所述LPWAN技术包括LoRa和NB-IoT，所述广域网通信技术包括4G通信技术和5G通信技术。

进一步的，所述信号强度检测分析模块包括信号强度分析模块、环境因素分析模块、频谱分析和干扰源检测模块、设备状态监测模块。

进一步的，所述信号强度分析模块利用数据分析手段，对信号强度数据进行分析，识别任何明显的趋势或周期性变化，确定信号强度下降的时间点。

进一步的，所述环境因素分析模块利用传感器监控影响信号强度的环境因素，包括距离、障碍物和天气条件。

进一步的，所述频谱分析模块对无线网络信号进行频谱分析，分离干扰信号。

进一步的，所述干扰源检测模块利用频谱分析结果识别无线频谱中的干扰源。

进一步的，所述设备状态监测模块监测物联网设备的状态，包括电池电量和硬件故障。

进一步的，所述信号强度检测分析模块的硬件组成包括天线、收发器、射频前端和信号处理器，这些组件一起协同工作，以接收、处理和分析传入的信号；

所述天线用于接收来自外部的信号，传递给接收器；

所述收发器是一个多功能的电子设备，用于接收来自天线的信号，将其转换为数字信号，然后将数字信号转换为无线信号以传输，收发器通常包括调制解调器，用于将数据编码为适当的信号以进行传输；

所述射频前端包括低噪声放大器和滤波器，用于在信号传输和接收过程中处理射频信号低噪声放大器用于增强接收信号，滤波器用于去除杂散信号；

所述信号处理器用于数字信号的处理和分析，包括嵌入式微控制器或数字信号处理器，用来执行信号强度测量、数据解码和分析。

进一步的，所述智能决策模块进行决策的步骤如下：

S1.数据收集和监测：部署监测系统可以实时收集无线连接的信号强度数据，并记录信号强度随时间的变化，并确保有足够的历史数据进行分析；

S2.信号强度分析：利用信号强度分析模，对信号强度数据进行分析，识别任何明显的趋势或周期性变化，确定信号强度下降的时间点，并关注与其他数据相关的事件，包括距离调整、天气变化、特殊活动和设备故障；

S3.环境因素分析：利用环境因素分析模块对信号强度的变化原因进行分析，考虑可能影响信号强度的环境因素，包括距离、建筑物、障碍物和天气条件；

S4.频谱分析和干扰源检测：利用频谱分析模块和干扰源检测模块对频谱进行分析，并识别无线频谱中的干扰源，根据干扰源的识别结果，确定是否有需要避开的特定频段或通信方式；

S5.设备状态监测：利用设备状态监测模块监测物联网设备的状态，包括电池电量和硬件故障，基于设备状态制定判断是否需要切换通信方式的策略；

S6.机器学习和智能算法：利用机器学习算法，训练模型以识别信号强度下降的模式，并预测未来可能的问题；

S7.切换策略的制定：基于分析的结果，制定智能切换策略。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明提出的具有信号强度检测的物联网无线系统，通过多种无线通信系统的组合配置，可以随时检测网络信号强度的波动情况，并结合信号强度检测分析模块智能判断信号强度波动的原因，然后智能决策模块根据信号强度波动的原因智能选择合适的无线通信方式进行切换，以保证在复杂的网络环境下灵活地保证网络连接质量。

附图说明

图1为本发明物联网无线系统示意图；

图2为本发明通信方式特点示意图；

图3为本发明智能决策模块示意图。

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做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。

如图1-图3所示，具有信号强度检测的物联网无线系统，系统包括：通信模块、信号强度检测分析模块、智能决策模块、控制器模块、用户输入模块、网络管理模块；

一、通信模块

通信模块使用支持多种通信方式的多模式通信芯片，多模式通信芯片支持多种通信标准，可以让设备在不同的通信方式之间切换，包括短距通信技术、LPWAN技术和广域网通信技术，其中短距通信技术又包括Wi-Fi、蓝牙和ZigBee，LPWAN技术包括LoRa和NB-IoT，广域网通信技术包括4G通信技术和5G通信技术，利用多种通信方式之间的组合来适应不同的通信需求，根据需要自动或手动切换通信方式；

其中Wi-Fi技术的传输带宽为300Mbps，传输距离为100—300m，频段为2.4GHz，具有覆盖范围广、传输速度快、辐射小的优点，但是射频穿透性较差，容易受到建筑物阻挡，且功耗比较大，不适合用电池供电。

蓝牙技术的传输带宽为1Mbps，传输距离为2—30m，频段为2.4GHz，具有功耗低、成本低的优点，但是距离近、抗干扰能力弱。

ZigBee技术的传输带宽为250kbps，传输距离为50—300m，频段为2.4GHz，具有功耗低、成本低、时延短的优点，但是距离近、数据传输速率低。

LoRa技术的传输频段为非授权频段，传输带宽为125kHz/500kHz，覆盖范围在城区范围内3—5km，传输速率为0.3-50kbit/s，具有传输距离远、低功耗、多节点、低成本的优点。

NB-IoT技术的传输频段为授权频段，传输带宽为200kHz，覆盖范围为GSM覆盖范围较广，传输速率为250kbit/s，具有海量连接、深度覆盖、低功耗的优点。

4G通信技术使用频段范围较广，包括在700 MHz到2.6 GHz之间的频段，带宽范围在10 Mbps到100 Mbps之间，4G网络的覆盖范围较广，适用于城市、郊区和农村环境。而5G通信技术采用了更多的频段，包括低频、中频和毫米波频段，覆盖更广泛，5G通信技术带宽范围广泛，通常在数百Mbps到多Gbps之间，5G的覆盖范围相对较广，但毫米波频段的覆盖范围较小，需要更多的基站来提供覆盖。

二、信号强度检测分析模块

信号强度检测分析模块用于定期检测周围不同通信方式的信号强度及影响信号强度的因素，如果信号质量下降或另一种通信方式更可用，设备可以自动切换到更好的选项，信号强度检测分析模块包括信号强度分析模块、环境因素分析模块、频谱分析和干扰源检测模块、设备状态监测模块；

1.信号强度分析模块利用数据分析手段，对信号强度数据进行分析，识别任何明显的趋势或周期性变化，确定信号强度下降的时间点。

2.环境因素分析模块利用传感器监控影响信号强度的环境因素，如距离、障碍物和天气条件。

3.频谱分析模块对无线网络信号进行频谱分析，分离干扰信号。

4.干扰源检测模块利用频谱分析结果识别无线频谱中的干扰源。

5.设备状态监测模块监测物联网设备的状态，包括电池电量和硬件故障。

信号强度检测分析模块的硬件组成包括天线、收发器、射频前端和信号处理器，这些组件一起协同工作，以接收、处理和分析传入的信号；

天线用于接收来自外部的信号，传递给接收器；

收发器是一个多功能的电子设备，用于接收来自天线的信号，将其转换为数字信号，然后将数字信号转换为无线信号以传输，收发器通常包括调制解调器，用于将数据编码为适当的信号以进行传输；

射频前端包括低噪声放大器和滤波器，用于在信号传输和接收过程中处理射频信号低噪声放大器用于增强接收信号，滤波器用于去除杂散信号；

信号处理器用于数字信号的处理和分析，包括嵌入式微控制器或数字信号处理器，用来执行信号强度测量、数据解码和分析。

三、智能决策模块

智能决策模块集中分析环境因素分析模块、频谱分析和干扰源检测模块以及设备状态监测模块的检测结果，根据当前网络条件，确定信号强度下降的时间点，并关注与其他数据相关的事件，如距离调整、天气变化、特殊活动或设备故障，确定信号强度波动与通信距离变化、天气变化、特殊活动或设备故障是否存在关联，并根据干扰源的识别结果，确定是否有需要避开的特定频段或通信方式，然后基于设备状态制定判断是否需要切换通信方式的策略，智能选择最适合的通信方式。

智能决策模块进行决策的步骤如下：

1.数据收集和监测：

部署监测系统可以实时收集无线连接的信号强度数据。记录信号强度随时间的变化，并确保有足够的历史数据进行分析。

2.信号强度分析：

利用数据分析工具，对信号强度数据进行分析，识别任何明显的趋势或周期性变化。确定信号强度下降的时间点，并关注与其他数据相关的事件，如通信距离变化、天气变化、特殊活动或设备故障。

3.环境因素分析：

考虑可能影响信号强度的环境因素，如通信距离、建筑物、障碍物、天气条件等。

4.频谱分析和干扰源检测：

利用频谱分析工具识别无线频谱中的干扰源。根据干扰源的识别结果，确定是否有需要避开的特定频段或通信方式。

5.设备状态监测：

监测物联网设备的状态，包括电池电量、硬件故障等。基于设备状态制定判断是否需要切换通信方式的策略。

6.机器学习和智能算法：

利用机器学习算法，训练模型以识别信号强度下降的模式，并预测未来可能的问题。实现智能决策系统，该系统可以根据实时数据，自动调整通信方式或频段。

7.切换策略的制定：

基于分析的结果，制定智能切换策略，例如，如果检测到信号强度下降，并确定信号强度下降与通信距离变化存在相关性，就选择改变通信协议，由短距离通信技术（Wi-Fi、蓝牙和ZigBee）切换为LPWAN技术通信（LoRa和NB-IoT）或者4G/5G通信。制定切换的优先级和条件，以确保在不同情境下都能做出适当的判断。

在制订切换策略时，通过以下方式进行计算：

1.首先根据实际设备和需求，对通信距离、信号阻隔、天气影响、信号干扰和设备状态这几项影响因素进行权重赋予，权重高低取决于其对信号强度的影响程度：

[D,I,W,S,E\text{的权重总和}=1]

2.然后为每种通信技术评分（0到1之间，1表示完全满足需求，0表示不满足需求）：

[P_{\text{Wi-Fi}},P_{\text{bluetooth}},P_{\text{ZigBee}},P_{\text{LoRa}}，P_{\text{NB-IoT}},P_{\text{4G}},P_{\text{5G}}]

3.计算每种通信技术在每个需求因素上的得分：

[D_{\text{Wi-Fi}}, D_{\text{bluetooth}}, D_{\text{ZigBee}}, D_{\text{LoRa}}, D_{\text{NB-IoT}}, D_{\text{4G}}, D_{\text{5G}}]

4.计算每种通信技术的总体性能得分：

[T_{\text{Wi-Fi}},T_{\text{bluetooth}},T_{\text{ZigBee}},T_{\text{LoRa}},T_{\text{NB-IoT}},T_{\text{4G}},T_{\text{5G}}]

最终，通信技术的总体性能得分可以用来确定哪种技术最适合满足给定的需求条件。

五、控制器模块

控制器模块负责协调所有其他模块的功能，包括通信模块、信号强度检测分析模块、智能决策模块、用户输入模块、网络管理模块。它执行决策逻辑，根据信号强度检测结果来切换通信方式，这需要一个嵌入式微控制器，具备足够的处理能力和存储空间。

用户输入模块提供客户控制界面，方便用户手动选择设备的通信方式。

六、网络管理模块

网络管理模块用于部署网络管理平台来监控和远程管理设备。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.具有信号强度检测的物联网无线系统，其特征在于：所述系统包括：通信模块、信号强度检测分析模块、智能决策模块、控制器模块、用户输入模块、网络管理模块；

其中，所述通信模块使用支持多种通信方式的多模式通信芯片，多模式通信芯片支持多种通信标准，供设备在不同的通信方式之间切换，包括短距通信技术、LPWAN技术和广域网通信技术，利用多种通信方式之间的组合来适应不同的通信需求，根据需要自动或手动切换通信方式；

所述信号强度检测分析模块用于定期检测周围不同通信方式的信号强度及影响信号强度的因素，如果信号质量下降或另一种通信方式信号质量更佳、传输更佳稳定，设备自动切换到更好的选项；

所述智能决策模块通过分析信号强度检测分析模块的检测结果，根据当前网络条件，确定信号强度下降的时间点，并关注与其他数据相关的事件，包括距离调整、天气变化、特殊活动和设备故障，确定信号强度波动与通信距离变化、天气变化、特殊活动和设备故障是否存在关联，并根据干扰源的识别结果，确定是否有需要避开的特定频段或通信方式，然后基于设备状态制定判断是否需要切换通信方式的策略，智能选择最适合的通信方式；

所述控制器模块负责协调所有其他模块的功能，包括通信模块、信号强度检测分析模块、智能决策模块、用户输入模块、网络管理模块，用于执行决策逻辑，根据信号强度检测结果来切换通信方式；

所述用户输入模块提供客户控制界面，方便用户手动选择设备的通信方式；

所述网络管理模块用于部署网络管理平台来监控和远程管理设备。

2.如权利要求1所述的具有信号强度检测的物联网无线系统，其特征在于：所述短距通信技术包括Wi-Fi、蓝牙和ZigBee，所述LPWAN技术包括LoRa和NB-IoT，所述广域网通信技术包括4G通信技术和5G通信技术。

3.如权利要求1所述的具有信号强度检测的物联网无线系统，其特征在于：所述信号强度检测分析模块包括信号强度分析模块、环境因素分析模块、频谱分析模块、干扰源检测模块和设备状态监测模块。

4.如权利要求3所述的具有信号强度检测的物联网无线系统，其特征在于：所述信号强度分析模块利用数据分析手段，对信号强度数据进行分析，识别任何明显的趋势或周期性变化，确定信号强度下降的时间点。

5.如权利要求3所述的具有信号强度检测的物联网无线系统，其特征在于：所述环境因素分析模块利用传感器监控影响信号强度的环境因素，包括距离、障碍物和天气条件。

6.如权利要求3所述的具有信号强度检测的物联网无线系统，其特征在于：所述频谱分析模块对无线网络信号进行频谱分析，分离干扰信号。

7.如权利要求3所述的具有信号强度检测的物联网无线系统，其特征在于：所述干扰源检测模块利用频谱分析结果识别无线频谱中的干扰源。

8.如权利要求3所述的具有信号强度检测的物联网无线系统，其特征在于：所述设备状态监测模块监测物联网设备的状态，包括电池电量和硬件故障。

9.如权利要求1所述的具有信号强度检测的物联网无线系统，其特征在于：所述信号强度检测分析模块的硬件组成包括天线、收发器、射频前端和信号处理器，上述天线、收发器、射频前端和信号处理器一起协同工作，以接收、处理和分析传入的信号；

所述天线用于接收来自外部的信号，传递给接收器；

所述收发器是一个多功能的电子设备，用于接收来自天线的信号，将其转换为数字信号，然后将数字信号转换为无线信号以传输，收发器通常包括调制解调器，用于将数据编码为适当的信号以进行传输；

所述射频前端包括低噪声放大器和滤波器，用于在信号传输和接收过程中处理射频信号低噪声放大器用于增强接收信号，滤波器用于去除杂散信号；

所述信号处理器用于数字信号的处理和分析，包括嵌入式微控制器或数字信号处理器，用来执行信号强度测量、数据解码和分析。

10.如权利要求1所述的具有信号强度检测的物联网无线系统，其特征在于：所述智能决策模块进行决策的步骤如下：

S1.数据收集和监测：部署监测系统实时收集无线连接的信号强度数据，并记录信号强度随时间的变化，并确保有足够的历史数据进行分析；

S2.信号强度分析：利用信号强度分析模，对信号强度数据进行分析，识别任何明显的趋势或周期性变化，确定信号强度下降的时间点，并关注与其他数据相关的事件，包括距离调整、天气变化、特殊活动和设备故障；

S3.环境因素分析：利用环境因素分析模块对信号强度的变化原因进行分析，考虑会对信号强度产生影响的环境因素，包括距离、建筑物、障碍物和天气条件；

S4.频谱分析和干扰源检测：利用频谱分析模块和干扰源检测模块对频谱进行分析，并识别无线频谱中的干扰源，根据干扰源的识别结果，确定是否有需要避开的特定频段或通信方式；

S5.设备状态监测：利用设备状态监测模块监测物联网设备的状态，包括电池电量和硬件故障，基于设备状态制定判断是否需要切换通信方式的策略；

S6.机器学习和智能算法：利用机器学习算法，训练模型以识别信号强度下降的模式，并预测未来可能的问题；

S7.切换策略的制定：基于分析的结果，制定智能切换策略。