一种无线多频段数据贯通自组网融合通信装置及方法

本发明属于矿山通信技术领域，具体涉及一种无线多频段数据贯通自组网融合通信装置。

背景技术：

煤矿环境的特殊性给井下有线通信设备及其各类配套线路的铺设造成了较大限制，同时，煤矿通信必须采用比地面更为严苛的电气与结构标准，这使得有线通信网络铺设困难，难以覆盖到所有设备。

随着无线传感器网络技术的发展，其在煤矿井下的应用日渐增多。但是，如果使用单一的无线网络并不能满足大型矿井多功能协同通信的速度与规模要求。因此需要配备不同频段的无线通信设备以及多种有线通信系统。

目前，大部分煤矿是按照单系统规划，比如千兆网络系统、无线通信系统、人员定位系统、控制系统等。每套系统都需要配套对应的一个或多个设备，每套系统需要铺设对应线缆。并且，不同有线通信系统具有不同的接口，例如网路光口、网络电口、rs-485、rs-422、can总线等等，同一接口还存在多种协议，如modbusrtu，modbustcp，modbusascii等等多种，这样就需要多种设备来处理不同接口。大量复杂的线路与多套设备的并行，大大增加了通信系统的成本，导致了井下可利用空间的减少，间接导致了煤矿生产安全性的降低。

对于目前已经存在的井下多功能融合通信网关，存在网络管理功能薄弱、与矿用本安型手机交互过少、无法进行视频融合通信、无法与传感器节点进行深度联动等缺陷。而在数据方面，随着大数据与机器学习技术的发展与应用，井下设备健康检测技术也逐渐成熟，其中纵向维度的历史贯通与横向的数据匹配对于健康检测同等重要，但是由于井下设备数量大、种类多，并且技术要求的采样频率极高，庞大数据量难以有效存储、历史数据查询困难的问题亟待解决。

技术实现要素：

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供无线多频段数据贯通自组网融合通信装置及方法，该装置及方法具有强大的网络管理与数据贯通功能，可实现多种设备间的自组网和融合通信。

为了实现上述目的，本发明提供一种无线多频段数据贯通自组网融合通信装置，包括中心控制模块、无线通信模块和有线通信模块；

所述无线通信模块由2.4g无线发射模块、5.8g无线发射模块、无线信号接收模块、射频识别模块和无线通信控制模块组成；所述2.4g无线发射模块用于根据无线通信控制模块的控制进行2.4ghz频段的无线信号的发射；所述5.8g无线发射模块用于根据无线通信控制模块的控制进行5.8ghz频段的无线信号的发射；所述无线信号接收模块用于接收外部设备发射出的2.4g无线信号或5.8g无线信号，并将接收的信号处理后发送给无线通信控制模块；所述射频识别模块用于对井下设备附带的电子标签进行识别，并将识别结果发送给无线通信控制模块；所述无线通信控制模块用于对接收的信号进行处理及用于对信号进行转换，并将处理后和转换后的信号发送给中心控制模块，并用于根据中心控制模块的控制将需要发出的信息通过2.4g无线发射模块或5.8g无线发射模块发送给外部设备；

所述有线通信模块由电力线载波通信接口、rs-485通信接口、can总线接口、光纤接口、电力接口和有线通信控制模块；所述电力线载波通信接口用于接收外部设备发出的载波信号，并将载波信号发送给有线通信控制模块，并用于根据有线通信控制模块的控制将需要发送的信息通过电缆传输到外部设备；所述rs-485通信接口用于接收外部设备发送的电信号，并将电信号发送给有线通信控制模块，并用于根据有线通信控制模块的控制将需要发送的信息通过rs-485总线电缆传输到外部设备；所述can总线接口用于接收外部设备发送的电信号，并将电信号发送给有线通信控制模块，并用于根据有线通信控制模块的控制将需要发送的信息通过电缆传输到外部设备；所述光纤接口包括千兆光纤接口以及百兆光纤接口，用于通过光纤与外部设备进行连接，并用于根据有线通信控制模块的控制接收和发送以太网光信号；所述电力接口包括千兆电力接口以及百兆电力接口，用于通过通信电缆与外部设备进行连接，并用于根据有线通信控制模块的控制接收和发送以太网电信号；所述有线通信控制模块用于对接收的信号进行处理及用于对信号进行转换，并将处理后和转换后的信号发送给中心控制模块，并用于根据中心控制模块的控制将需要发出的信息通过电力线载波通信接口或rs-485通信接口或can总线接口或光纤接口或电力接口发送给外部设备；

所述中心控制模块用于对无线通信模块和有线通信模块所接收的信号进行处理，并用于对无线通信模块和有线通信模块进行控制。

作为一种优选，所述中心控制模块、无线通信控制模块和有线通信控制模块均安装在防爆壳体的内部。

作为一种优选，所述中心控制模块、无线通信控制模块和有线通信控制模块的核心均采用单片机。

本发明中，通过使有线通信模块连接多种有线通信接口，能实现多种不同类型有线通信设备的接入，同时，由于有线通信控制模块具有信号处理和转换功能，可以实现多种有线通信设备的互联互通；通过使无线通信模块能同时连接不同频段的无线设备，同时，由于无线通信控制模块具有信号处理和转换功能，可以实现多种无线通信设备的互联互通；通过中心控制模块的设置，能实现对有线通信模块和无线通信模块的控制，并能根据所需要通信的目标设备选择相应的接口进行数据的传输，还能有效建立有线通信模块和无线通信模块的连接，进而实现无线自组织网络的建立，并能实现有线设备与无线设备之间的交互通信。

本发明还提供了一种无线多频段数据贯通自组网融合通信方法，包括以下步骤：

s10：利用有线通信模块与有线设备建立通信连接，利用无线通信模块与无线设备建立通信连接，并建立无线自组织网络；

s11：将voip技术与wi-fi自组网技术以及多种通讯协议相融合，实现无线自组织网络内的各种设备与其他设备之间的数据的通信融合和数据传输；

s12：在各个有线设备和无线设备间构建数据链接，实现不同设备间的数据互传与信息互通，构建起多链网络；

s13：根据入网设备的类型和id进行数据的分类；

s14：对于已分类的数据，判断并移除冗余数据；

s15：对每条数据附加设备id信息及传输时间信息，以实现多来源多类型数据的纵向维度的历史数据匹配与横向维度的数据关联，并通过精细化历史数据，为分析反演设备的历史运行状态提供数据依托；

s16：输出数据。

本方法通过网络管理、信息处理与转换、融合通信，将有线通信的高速、稳定的优势与无线通信灵活、网络容量大的优势相结合，构建适用于井下多设备、多人员的多信道、多频段的贯通组网，有效的实现了音频及视频的融合通信，以及井下全设备、人员的协同管理与高速稳定通信。同时，通过数据贯通与简化的方法，将大批量、多种类数据进行简化融合并利用数据标签对其进行存储，实现了多来源多类型数据的纵向维度的历史匹配贯通与横向维度的体量匹配贯通，保证了上位机无损检测、健康监测与寿命预测的可靠运行。

本发明还提供了一种无线多频段数据贯通自组网融合通信方法，包括以下步骤：

s20：向通信范围内的有线设备和无线设备发送获取设备地址请求；

s21：判别有线设备和无线设备是否响应请求；若响应请求，则返回设备地址信息，网络连接正常，并执行s23；若未响应请求，执行s22；

s22：通过切换通信方式的方法进行紧急修复，并再次发送请求；若响应请求，则紧急修复成功，并生成诊断报告，上传设备id、时间和故障通信方式信息；若仍未响应，则紧急修复失败，并生成故障报告，上传故障设备id、时间和故障通信方式信息；

s23：结束诊断。

本发明可以快速有效的进行网络的诊断，并能进行故障下的紧急修复，对于不能修复的情况下会自动上传诊断报告，从而可以辅助专业维护人员快速进行故障的修复工作。

附图说明

图1是本发明中无线多频段数据贯通自组网融合通信装置的原理框图；

图2是本发明中无线多频段数据贯通自组网融合通信装置的无线自组织网络的原理框图；

图3是本发明中无线多频段数据贯通自组网融合通信装置的融合通信原理框图；

图4是本发明中无线多频段数据贯通自组网融合通信方法的流程图一；

图5是本发明中无线多频段数据贯通自组网融合通信方法的流程图二。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1至图3所示，一种无线多频段数据贯通自组网融合通信装置，包括中心控制模块、无线通信模块和有线通信模块；

所述无线通信模块由2.4g无线发射模块、5.8g无线发射模块、无线信号接收模块、射频识别模块和无线通信控制模块组成；所述2.4g无线发射模块遵循ieee802.11ax标准，用于根据无线通信控制模块的控制进行2.4ghz频段的无线信号的发射；所述5.8g无线发射模块遵循ieee802.11ax标准，用于根据无线通信控制模块的控制进行5.8ghz频段的无线信号的发射；所述无线信号接收模块用于接收外部设备发射出的2.4g无线信号或5.8g无线信号，并将接收的信号处理后发送给无线通信控制模块，无线信号接收模块可以接收其他具有无线通信功能的终端发出的信号，比如矿用本安型手机、无线网络终端、矿用无线摄像仪、无线传感器节点等；所述射频识别模块为附带天线的读卡器，用于对井下设备附带的电子标签进行识别，并将识别结果发送给无线通信控制模块，射频识别模块通过对不同标识卡的识别，可以精确判断出标识卡所在的位置，从而可以进行定位；所述无线通信控制模块用于对接收的信号进行处理及用于对信号进行转换，并将处理后和转换后的信号发送给中心控制模块，并用于根据中心控制模块的控制将需要发出的信息通过2.4g无线发射模块或5.8g无线发射模块发送给外部设备；作为一种优选，无线通信控制模块的核心采用单片机，具有无线信号处理和转换功能，能对接收的信息进行处理与初步整合，再将其打包发送到中心控制模块。

所述无线通信模块可以通过无线通信的方式连接矿用本安型手机、各类无线传感器节点、矿用无线摄像仪和具有无线通信功能的上位机等，从而可以实现无线自组织网络的建立。

所述有线通信模块由电力线载波通信接口、rs-485通信接口、can总线接口、光纤接口、电力接口和有线通信控制模块；所述电力线载波通信接口用于接收外部设备发出的载波信号，并将载波信号发送给有线通信控制模块，并用于根据有线通信控制模块的控制将需要发送的信息通过电缆传输到外部设备；所述rs-485通信接口遵循modbus通讯协议，rs-485通信接口用于接收外部设备发送的电信号，并将电信号发送给有线通信控制模块，并用于根据有线通信控制模块的控制将需要发送的信息通过rs-485总线电缆传输到外部设备；所述can总线接口用于接收外部设备发送的电信号，并将电信号发送给有线通信控制模块，并用于根据有线通信控制模块的控制将需要发送的信息通过电缆传输到外部设备；所述光纤接口基于tcp/ip协议，其包括千兆光纤接口以及百兆光纤接口，用于通过光纤与外部设备进行连接，并用于根据有线通信控制模块的控制接收和发送以太网光信号；所述电力接口包括千兆电力接口以及百兆电力接口，用于通过通信电缆与外部设备进行连接，并用于根据有线通信控制模块的控制接收和发送以太网电信号；所述有线通信控制模块具有有线信号处理与转换功能，用于对接收的信号进行处理及用于对信号进行转换，并将处理后和转换后的信号发送给中心控制模块，并用于根据中心控制模块的控制将需要发出的信息通过电力线载波通信接口或rs-485通信接口或can总线接口或光纤接口或电力接口发送给外部设备。作为一种优选，有线通信控制模块的核心采用单片机，其可以对以太网光信号、以太网电信号、电力线载波信号以及rs-485总线及can总线传输的ttl电平信号进行数据识别与分析处理，并能在处理之后转换为数字信号。

所述有线通信模块通过有线的方式与上位机、网络终端和其他有线连接设备的连接，从而可以实现有线网络的连接。

所述中心控制模块用于对无线通信模块和有线通信模块所接收的信号进行处理，并用于对无线通信模块和有线通信模块进行控制。作为一种优选，所述中心控制模块由处理器、内存模块和多个io接口组成，其具有网络管理、融合通信、数据贯通与简化、网络诊断与修复功能。作为一种优选，所述处理器的核心采用单片机。

所述中心控制模块具有组网设备(矿用本安型手机、矿用无线摄像仪、传感器节点及其他设备)的管理权限，可以控制组网设备的加入与删除与信号的传递路径，以能形成无线自组成网络，从而实现网络管理的功能。其中，无线自组织网络内包括本设备、矿用本安型手机、传感器节点、矿用无线摄像仪等无线设备以及部分与本装置通过有线连接的有线设备。下面以二级网络为例说明网路管理功能的工作原理和流程。在组织网络的过程中，本通信装置所在的网络称为一级网络，一级网络由多个装置呈环状布置，整个环网串联井上和井下。在一级网络内，各装置可自动编号，其中与上位机相连的装置可以为101号，其余装置按顺时针依次编号。二级网络与对应装置间采用星型拓扑结构，以对应装置为路由节点，可供装置通信范围内的如传感器节点、摄像仪、矿用手机等无线/有线通信设备连接入网。在需要时也可将入网的设备移出网络。

所述中心控制模块通过有线通信控制模块可以将不同线路传递的以太网光信号、以太网电信号、电力线载波信号以及rs-485总线与can总线传输的ttl电平信号进行处理之后转换为数字信号，并且可以将信息转换为所需的信号格式。还可以通过无线通信模块可以将所接收的无线信息进行信号处理与信号转换。从而该无线多频段数据贯通自组网融合通信装置可以实现信号处理和转换功能。

所述中心控制模块能将voip技术与wi-fi自组网技术以及多种通讯协议相融合，实现矿用本安型手机、手机、固定电话与其他设备之间的通话业务、短消息业务、会议电话、呼叫中心、电子邮件、语音邮件、传感器数据等多种数据的通信融合和数据传输，使全部设备能够在不同的通信协议下，经过装置的融合，完成全设备间的广义通信需求，从而实现整合通信功能。

所述中心控制模块能将通讯范围内的矿用本安型手机、各类传感器节点、矿用无线摄像仪、上位机等装置相互连接，形成以装置为中心的多链路网状结构。并能根据发送数据的设备类型进行数据分类。对于已分类数据，拦截重复数据、噪声数据、空数据等冗余信息，为每条数据提供设备id及数据采集时间点，以便实现多来源多类型数据的纵向维度的历史数据匹配与横向维度的数据关联，通过精细化历史数据，为分析反演设备的历史运行状态提供数据依托，从而实现数据贯通与简化功能。

所述中心控制模块可以使无线自组织网络全部采用无线通信的方式进行组网，也可以部分采用无线通信方式、部分有线通信方式进行组网，也可以全部采用有线通信的方式进行组网。中心控制模块通过向通信范围内的有线/无线设备发送获取设备地址请求，并通过入网设备是否响应请求判别网络是否发生故障，从而运行网络诊断功能。若设备响应请求，则返回设备地址，该设备的网络连接正常。若设备未响应请求，则切换至通信方式，实现网络的紧急修复功能，并再次发送请求，若响应请求，则网络修复完毕，生成并上传诊断报告，若仍未响应请求则生成并上传故障报告，申请故障检修。

通过使有线通信模块连接多种有线通信接口，能实现多种不同类型有线通信设备的接入，同时，由于有线通信控制模块具有信号处理和转换功能，可以实现多种有线通信设备的互联互通；通过使无线通信模块能同时连接不同频段的无线设备，同时，由于无线通信控制模块具有信号处理和转换功能，可以实现多种无线通信设备的互联互通；通过中心控制模块的设置，能实现对有线通信模块和无线通信模块的控制，并能根据所需要通信的目标设备选择相应的接口进行数据的传输，还能有效建立有线通信模块和无线通信模块的连接，进而实现无线自组织网络的建立，并能实现有线设备与无线设备之间的交互通信。

作为一种优选，还包括本安型电源模块，所述本安型电源模块与中心控制模块连接，用于进行用电的供应；本安型电源模块通过矿用电缆与电源连接；该无线多频段数据贯通自组网融合通信装置功率小于25w，符合矿井本质安全要求；

作为一种优选，所述中心控制模块、无线通信控制模块和有线通信控制模块均安装在防爆壳体的内部。其中，所述本安型电源模块也安装在防爆壳体的内部。

所述中心控制模块、无线通信控制模块和有线通信控制模块的核心均采用单片机。

如图4所示，本发明还提供了一种无线多频段数据贯通自组网融合通信方法，包括以下步骤：

s10：利用有线通信模块与有线设备建立通信连接，利用无线通信模块与无线设备建立通信连接，并建立无线自组织网络；

s11：将voip技术与wi-fi自组网技术以及多种通讯协议相融合，实现无线自组织网络内的各种设备与其他设备之间的数据的通信融合和数据传输；

s12：在各个有线设备和无线设备间构建数据链接，实现不同设备间的数据互传与信息互通，构建起多链网络；

s13：根据入网设备的类型和id进行数据的分类；

s14：对于已分类的数据，判断并移除冗余数据；

s15：对每条数据附加设备id信息及传输时间信息，以实现多来源多类型数据的纵向维度的历史数据匹配与横向维度的数据关联，并通过精细化历史数据，为分析反演设备的历史运行状态提供数据依托；

s16：输出数据。

本方法通过网络管理、信息处理与转换、融合通信，将有线通信的高速、稳定的优势与无线通信灵活、网络容量大的优势相结合，构建适用于井下多设备、多人员的多信道、多频段的贯通组网，有效的实现了音频及视频的融合通信，以及井下全设备、人员的协同管理与高速稳定通信。同时，通过数据贯通与简化的方法，将大批量、多种类数据进行简化融合并利用数据标签对其进行存储，实现了多来源多类型数据的纵向维度的历史匹配贯通与横向维度的体量匹配贯通，保证了上位机无损检测、健康监测与寿命预测的可靠运行。

如图5所示，本发明还提供了一种无线多频段数据贯通自组网融合通信方法，包括以下步骤：

s20：向通信范围内的有线设备和无线设备发送获取设备地址请求；

s21：判别有线设备和无线设备是否响应请求；若响应请求，则返回设备地址信息，网络连接正常，并执行s23；若未响应请求，执行s22；

s22：通过切换通信方式的方法进行紧急修复，并再次发送请求；若响应请求，则紧急修复成功，并生成诊断报告，上传设备id、时间和故障通信方式信息；若仍未响应，则紧急修复失败，并生成故障报告，上传故障设备id、时间和故障通信方式信息；

s23：结束诊断。

本发明可以快速有效的进行网络的诊断，并能进行故障下的紧急修复，对于不能修复的情况下会自动上传诊断报告，从而可以辅助专业维护人员快速进行故障的修复工作。