CN208424411U - 一种用于人防指挥所的无线设备信息集成装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种用于人防指挥所的无线设备信息集成装置，装置包括一个主处理器、至少两个双SPI或四个单SPI协处理器、至少四个无线网关芯片作为射频通路收发Lora数据，网关芯片配备两个射频前端芯片进行数字和模拟信号的基带处理，网关芯片均具有8个独立设置工作频率的射频通道且每通道均可实现速率的自适应调整，无线数据节点通过两级处理器的调度可进行点对点通信和一对多通信，网络容量大且架构清晰易于扩充和维护；主处理器通过以太网和串口可实现人防工程中不同类型的多种数据节点的协议的兼容，完成对整个人防设备网络的管理；本申请解决了地下空间信号覆盖差的问题，采用两层处理器结构解决了无线设备速率传输慢及网络部署安装的问题。

Description

一种用于人防指挥所的无线设备信息集成装置

技术领域

本实用新型属于通信技术领域，具体涉及一种用于人防指挥所的无线设备信息集成装置。

背景技术

人防指挥所是高级的防空战备设施，在指挥所内有大量用于保障人员安全的设备，如防护门、通风机、生活水、发电机、应急照明电源等。按照人防设施“战时防空，平时服务、急时应急，平战结合”的原则，人防指挥所的各种设备必须专人维护，定期演习。很多人防指挥所在设计初期自动化程度较低，在后期增加智能设备时，由于人防设施的密闭性和抗震性要求，不允许对其进行穿墙、打洞等施工，造成智能化设备无法施工，不能与主控台系统联动。

当前的通用型数据网关应用于人防时存在一定缺陷，主要问题为通用网关的信号强度不够难以达到信号覆盖的要求、人防专用设备数据格式解析困难，设备通信网络部署复杂等。

实用新型内容

本实用新型弥补了现有技术的缺陷，提供了一种用于人防指挥所的无线设备信息集成装置，该装置能够显著提高人防指挥所的信息互通效果，提高无线设备速率传输速度，网络部署安装便于布置。

本实用新型的具体技术方案是：

一种用于人防指挥所的无线设备信息集成装置，关键点是，所述装置包括主处理器、带有SPI接口的协处理器以及与协处理器无线通信连接的网关芯片，网关芯片用于处理无线设备的数据信号，协处理器与主处理器相连，所述网关芯片连接有两个组成正交信号通道的射频前端芯片。

所述的协处理器内部设置有用于收发状态控制的缓冲存储器。

所述的网关芯片具有8个独立设置工作频率的射频通道。

所述的主处理器为一个，协处理器为与主处理器相连的一组，网关芯片与协处理器一一对应连接；

所述的主处理器为一个，协处理器为与主处理器相连的一组，网关芯片为一组且每个均与所有协处理器相连；

所述的主处理器为一个，协处理器为与主处理器相连的一组，无线设备包括主节点和一组从节点，网关芯片为一组，每个协处理器均与所有网关芯片相连，主设备和从设备分别与不同的网关芯片相连。

所述的协处理器至少为两个，且每个协处理器均为双SPI接口；或者协处理器至少为四个，且每个协处理器均为单SPI接口。

本实用新型的有益效果是：在本实用新型中，每个网关芯片配备两个射频前端芯片进行数字和模拟信号的基带处理，每个网关芯片均具有8个独立设置工作频率的射频通道且每通道均可实现速率的自适应调整；

无线数据节点通过两级处理器的调度可进行点对点通信和一对多通信，网络容量大且架构清晰易于扩充和维护；主处理器通过以太网和串口可实现人防工程中不同类型的多种数据节点的协议的兼容，完成对整个人防设备网络的管理；

本实用新型涉及的无线设备信息集成装置利用多个网关芯片解决了地下空间信号覆盖差的问题，采用两层式处理器结构解决了无线设备速率传输慢及网络部署安装的问题。

附图说明

图1是本实用新型实施例1的结构原理图；

图2是本实用新型实施例2的结构原理图；

图3是本实用新型实施例3的结构原理图；

附图中，1、主处理器，2、协处理器；3、网关芯片，4、无线设备，401、主节点，402、从节点。

具体实施方式

本实用新型涉及一种用于人防指挥所的无线设备信息集成装置，所述装置包括主处理器1、带有SPI接口的协处理器2以及与协处理器2无线通信连接的网关芯片3，网关芯片3用于处理无线设备4的数据信号，协处理器与主处理器1相连，所述网关芯片3连接有两个组成正交信号通道的射频前端芯片。

主处理器1为含有12C总线的MCU，协处理器2为至少两个含有两个SPI接口的用于与无线Lora网关芯片进行通信的数据包协同处理器，或至少四个含有单个SPI接口的用于无线Lora网关芯片进行通信的数据包协同处理器，网关芯片为至少四个基于Lora射频基带技术的无线Lora网关芯片SX1301完成无线信号的调制和解调，每个Lora网关芯片连接两个组成正交信号通道的射频前端芯片SX1255，将无线信号转换成电平信号或控制其反过程。

基于上述结构的无线设备信息集成装置具有至少四条可以同时工作的不同频点的无线Lora无线通道，每条通道均可在同一时刻以全双工的方式在其频点上发送接收数据；每条无线通道上的上传数据在由网关芯片解调完毕后，采用SPI中断的方式通知其数据包处理器通过SPI接口完成数据同步；每条无线通道上的下发数据在由数据包处理器打包组帧后，采用SPI中断的方式通知网关芯片3启用SPI接口完成数据传输。

协处理器2将上传或下发的数据在其内部建立一个缓冲器，该缓冲器为用于收发状态控制的缓冲存储器，用于大量数据进行收发时，收发控制状态进行切换在其内部进行，以保证其最少的状态等待时间。

每个协处理器2将前端数据经过完整性验证后，在其独立的12C总线接口上将无线数据进行汇聚，以保证主处理器1能够访问到所有的数据；

Lora网关芯片完成的主要工作包括无线握手、三次验证、自动应答、通道查询、调制解调等，均无需主处理器1或协处理器2的参与；协处理器2的主要工作为中心频率设定、功耗管理、网关芯片启停、接收数据包的有效数据和元数据，发送数据包里的用户有效数据及参数信息。

网关芯片3具有8个独立设置工作频率的射频通道，采用无线网关芯片SX1301可预定8个中心频率通道，每一通道可设置6种不同速率的Lora信号，且不同速率的信号切换由无线节点根据通信Qos自适应选择，可明显降低同频干扰，有效提高天线的利用率。

无线网关3采用互补备份的运行方式与人防数据设备无线节点之间的交互，无线传输支持LoraWAN A类超低功耗的方式进行，人防数据节点发起数据上行请求，网关芯片3根据ALOHA协议确定四个网关中的一个处于空闲状态的芯片与数据节点进行下行通信，其他网关芯片3对此节点处于监视状态。

在下行通信信息经过网关的握手连接后，对应的协处理器2开始传输数据，并在数据完成后，再次关闭传输通道以节省无线数据节点的电量消耗；无线数据节点的LoraWANMAC通讯协议由主处理器1进行解析，无线数据节点的数据经协处理器2到达主处理器1，主处理器1对其数据包拆分并根据用户层的功能对无线数据节点执行查询或控制功能。

根据上述结构和工作说明，两个人防无线数据节点之间可实现点对点的高速数据通讯，一个人防无线节点发出数据请求后，数据经无线网关和协处理器2后，由主处理器1通知协处理器2保持此链路，若目标数据节点经其他无线网关向主处理器1发出请求后，主处理器1即会连接两个节点之间的路由完成数据交换。

多个人防数据节点之间数据交换工作原理类似，但需要主处理器1维持多个链路连接，并控制无线网关的射频通道，多个数据节点之间可形成星形的网络拓扑；根据SX1301的运算能力进行测算，一个人防无线设备集成装置可同时保证32个节点的自由连接，若采用分时复用的方式，以每个节点分配的时间片为200ms，最多可保持240个节点的连接。

主处理器1的12C和协处理器2的12C是主从关系，主处理器1的12C接口是主站，协处理器2的12C接口是从站；主处理器1具有以太网接口，能进行以太网协议的扩展和通讯，包括但不限于HTTP、MQTT、MODBUS TCP、COAP协议的透传和转换；主处理器1还具有异步串口，能进行485或232的数据通讯，实现MODBUS协议的透传和转换。

实施例1，作为基础性无线数据网关的应用实例，基础性网关是指无线数据集成装置具有一般性的网关的AP连接、自动接入、身份验证、数据汇聚、字节转发等功能；本实施例的实施需要至少一个主处理器1、一个协处理器2、一个网关芯片3和两个射频前端芯片；如图1所示，具体选择为：主处理器1为一个，协处理器2为与主处理器1相连的四个，网关芯片3与协处理器2一一对应连接；处理过程如下所述：

协处理器2配置好无线网关芯片3的射频参数，无线网关3处于轮询应答状态，人防指挥所中的无线设备4相当于无线数据节点，若有无线数据节点的数据请求，射频信号经过网关芯片3处理后，用户数据原样由协处理器2上传至主处理器1；主处理器1对用户数据按LoraWAN协议进行拆包，并应答无线设备节点的数据。在此方式下，每个网关至少能同时处理10个无线节点的数据。

实施例2，作为点对点数据交换的应用实例，点对点的通讯过程包括请求、应答、响应、交换、断开等步骤，数据链路的路由是主处理器完成的；点对点的数据交换应用实现至少包括一个主处理器1，至少一个或两个协处理器2，两个网关芯片3和至少两个射频前端；如图2所示，具体选择为：主处理器1为一个，协处理器2为与主处理器1相连的四个，网关芯片3为一组且每个均与所有协处理器2相连；

与一般的点对点可在一个网关芯片3进行不同的是，本装置的点对点数据交换必须在两个无线网关芯片3之间，以使两个无线网关并行工作，增加数据的通讯量，减少网络拥塞延时，试验表明，并行工作的两个无线网关可使网络性能至少提升5倍；点对点的每个无线设备4节点必须先经由不同的网关芯片3，通过协处理器2在主处理器1上进行注册，由主处理器1完成路由交换；

人防工程中点对点的应用场景主要有温度采集、湿度采集、二氧化碳采集、毒气检测等。

实施例3，作为一对多的远程控制应用实例，至少应包括一个主处理器1、至少一个或两个协处理器2、两个网关芯片3和至少两个射频前端；如图3所示，具体选择为：主处理器1为一个，协处理器2为与主处理器1相连的一组，无线设备4包括主节点401和一组从节点402，网关芯片3为四个，每个协处理器2均与所有网关芯片3相连，主节点401和从节点402分别与不同的网关芯片3相连，主节点401和从设备402均为无线设备节点；

在一对多应用时，主节点401与从节点402应处于不同的无线网关上，因此无线从节点402最少使用一个无线网关芯片3的无线通道，最多可占据3个无线网关芯片3。

在进行一对多通讯时，从节点402从LoraWan协议的A类工作状态转至C类工作状态，以保持主节点401和从节点402之间最小的数据等待时机。

主节点401在主处理器1注册即开始一直轮询所有的从节点402，从节点402的响应是通过协处理器2的12C接口完成的，因此从节点402应一直在线，从节点402数据刷新由协处理器2控制的网关芯片3完成。

人防工程中一对多的应用场景主要有配电室各母线的电量采集、三防显示屏的命令控制等。

人防无线设备信息集成装置一对多的应用如图3所示。

实施例4，作为除湿机协议接入的应用实例，人防系统的除湿机是重要的通风设备，用来给人防指挥所地下空间进风和除湿，除湿机位于进风机房内，值班室人员能在值班室远程控制除湿机，以除湿机配备串口MODBUS协议为例，协议转换实现包括至少一个主处理器1，一个协处理器2，一个无线网关芯片3和两个射频前端芯片；如图所示，具体选择为：主处理器1为一个，协处理器2为与主处理器1相连的一组，无线设备4包括主节点401和一组从节点402，网关芯片3为四个，每个协处理器2均与所有网关芯片3相连，主节点401和从节点402分别与不同的网关芯片3相连；

人防无线设备信息集成装置的串口与除湿机的串口连接，定义无线设备信息集成装置为MODBUS的主设备，除湿机为从设备。

人防无线设备信息集成装置按除湿机的数据点表把除湿机的状态和控制数据，转换完成后传输至主处理器1的内部并进行保存，人防无线设备信息集成装置通过协处理器2启动无线网关芯片3进行数据转发。

为了提高人防工程信息传播能力，在每个无线设备4上均设置有WIFI模块和蓝牙连接模块，人防指挥所内部人员均佩戴有具备WIFI连接和蓝牙连接的手环等装置，当靠近某一无线设备4的距离达到其最远发送距离时，手环就会与无线设备4自动连接，进行数据共享，无线设备检测到有新设备连接时，即刻将人防无线设备信息集成装置的运行状态信息自动发送至手环中，运行状态信息会实时更新，方便指挥所内部人员对集成装置的运行状态认识达成统一，能够更好地理解工作指令，更好地指导实际操作，此外，控制室还能够通过每个无线设备4的设备连接数量情况方便得知每一个无线设备4附件的人员数量，为控制室更好地进行人员配置提供参考。

在本实用新型中，无线设备信息集成装置主要由主处理器1、协处理器2和网关芯片3三部分构成，其中无线网关芯片3设计了互为备份的四路通道，每路通道采用了两片射频前端芯片进行基带处理，射频制式使用了Lora规范，每路网关通过协处理器外部的Lora设备可实现快速连接，减少多个连接时的等待时间，提高网络的利用效率，扩大的系统的节点容量，组成实时通讯型网络更加简便，网络维护工作量较小。

Claims (8)

1.一种用于人防指挥所的无线设备信息集成装置，其特征是：所述装置包括主处理器(1)、带有SPI接口的协处理器(2)以及与协处理器(2)无线通信连接的网关芯片(3)，网关芯片(3)用于处理无线设备(4)的数据信号，协处理器(2)与主处理器(1)相连，所述网关芯片(3)连接有两个组成正交信号通道的射频前端芯片。

2.根据权利要求1所述的一种用于人防指挥所的无线设备信息集成装置，其特征在于：所述的协处理器(2)内部设置有用于收发状态控制的缓冲存储器。

3.根据权利要求1所述的一种用于人防指挥所的无线设备信息集成装置，其特征在于：所述的网关芯片(3)具有8个独立设置工作频率的射频通道。

4.根据权利要求1所述的一种用于人防指挥所的无线设备信息集成装置，其特征在于：所述的主处理器(1)为一个，协处理器(2)为与主处理器(1)相连的一组，网关芯片(3)与协处理器(2)一一对应连接。

5.根据权利要求1所述的一种用于人防指挥所的无线设备信息集成装置，其特征在于：所述的主处理器(1)为一个，协处理器(2)为与主处理器(1)相连的一组，网关芯片(3)为一组且每个均与所有协处理器(2)相连。

6.根据权利要求1所述的一种用于人防指挥所的无线设备信息集成装置，其特征在于：所述的主处理器(1)为一个，协处理器(2)为与主处理器(1)相连的一组，无线设备(4)包括主节点(401)和一组从节点(402)，网关芯片(3)为一组，每个协处理器(2)均与所有网关芯片(3)相连，主节点(401)和从节点(402)分别与不同的网关芯片(3)相连。

7.根据权利要求1所述的一种用于人防指挥所的无线设备信息集成装置，其特征在于：所述的主处理器(1)设置有以太网接口和异步串口。

8.根据权利要求1所述的一种用于人防指挥所的无线设备信息集成装置，其特征在于：所述的协处理器(2)至少为两个，且每个协处理器(2)均为双SPI接口；或者协处理器(2)至少为四个，且每个协处理器(2)均为单SPI接口。