CN112969171B - 浮空通讯装置，其组网通讯和数据传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种灾后应急通讯的浮空通讯装置，包括：箱体，设置在箱体内的囊体，气阀控制组件和通讯子系统；所述通讯子系统包括：广域网通讯模块、主控器、通信协议转换器、LoRa通讯模块和供电系统；所述囊体的底部通过系留绳与所述LoRa通讯模块连接，所述气阀控制组件和所述LoRa通讯模块通过磁力可拆卸连接。本发明还公开一种利用所述灾后应急通讯的浮空通讯装置的信息传输方法和组网通讯方法。本发明克服现有的宽带通讯网络硬件设备在灾后无法及时恢复的缺陷，将窄带通讯与浮空囊体结合，可以在灾后建立一个窄带通讯网络，通过WiFi收集短报文信息后通过LoRa网络进行传输。

Description

浮空通讯装置，其组网通讯和数据传输方法

技术领域

本发明涉及一种用于灾后应急通讯的浮空通讯装置及其组网通讯与数据传输方法，属于通讯设备领域。

背景技术

近些年来高度破坏性的地震等灾害频发，但灾后营救工作开展难度一向很大，其中一个很重要原因就是难以第一时间掌握被困信息，特别是确认生还者位置与被困情况方面难度极大，而现有的民用宽带无线通讯网需要依托运营商基站，在灾后往往是搜救的后期阶段才能抢修恢复通讯，无法第一时间获取受困信息。

目前物联网主要采用宽带通讯或窄带通讯进行通讯。宽带通讯和窄带通讯是两种相互独立的通讯系统，宽带通讯包括广域网、局域网、异步传输模式等，具有传输距离短，速率高等优点，但是其不适宜长距离数据传输，现代运营商的通讯网络往往是基于基站搭建，需要供电系统、有线通讯网为支撑，但在发生地震等自然灾害后会几乎全面受损，通讯网的恢复重建往往需要较长周期而错过黄金救援时间。而窄带通讯构建于蜂窝网络，可直接部署于GSM网络，UMTS网络或LTE网络。目前，窄带物联网，如LoRa通讯，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，其支持待机时间长，能够提供非常全面的在有效范围内的蜂窝数据连接覆盖。

为此，需要一种适用于灾后应急通讯的窄带通讯装置。

发明内容

本发明的目的在于克服现有的宽带通讯网络硬件设备在灾后无法及时恢复的缺陷，利用窄带通讯具有成本低、范围广、可靠性高、功耗低的特点，将其与浮空囊体结合后，可以在灾后自动快速升空，构建一个浮空短报文窄带通讯网络，通过WiFi收集短报文信息后通过LoRa网络进行传输。

本发明的技术方案如下。一种灾后应急通讯的浮空通讯装置，包括：箱体,所述箱体上设置有与箱体连接的上盖，还包括设置在箱体内的囊体，气阀控制组件和通讯子系统；

其中所述通讯子系统包括：广域网通讯模块、主控器、LoRa通讯模块，附接在所述LoRa通讯模块上的通信协议转换器，和供电系统，各模块之间电连接。

其中，所述主控器具有用于与受困者的手机之间进行通讯的WiFi天线；

其中，所述囊体，LoRa通讯模块和气阀控制组件是自上而下依次连接，所述囊体的底部通过系留绳与所述LoRa通讯模块连接，所述气阀控制组件和LoRa通讯模块通过磁力可拆卸连接；

进一步,所述气阀控制组件包括依次连接的单向气阀，电控泄压阀，和气瓶；所述电控泄压阀上设置有磁铁用于将所述LoRa通讯模块与部分所述气阀控制组件相互连接或脱离。

进一步的，所述气瓶中的气体为氦气。

进一步的，所述通讯子系统还包括设置在箱体内的WiFi定向天线，用于增大所述主控器(8)内置的Wifi天线的增益，提升通讯距离。

一种利用所述灾后应急通讯的浮空通讯装置的信息传输方法，包括：

平时所述浮空通讯装置处于待机状态，利用所述广域网通讯模块进行日常通讯，通过所述广域网通讯模块间隔预设的时间接收来自终端基站发送的心跳包；

当所述广域网通讯模块无法接收到来自终端基站的所述心跳包时，具体操作步骤如下：

步骤1：判断所述主控器是否收到激活指令，

如果接收到终端基站传送来的激活指令，启动激活系统；

否则，启动所述LoRa通讯模块，主控器和通信协议转换器，组建一个窄带通讯网，执行步骤2；

步骤2：所述主控器判断是否收到附近另外的所述LoRa通讯模块工作的讯息，即，判断附近是否有另外的所述LoRa通讯模块启动，如果是，启动激活系统；

如果未收到附近另外的所述LoRa通讯模块工作的讯息，则等待一预定时间，随后执行步骤3；

步骤3：所述主控器判断是否恢复广域网通讯模块的通讯，如果是，恢复至平时的待机状态；

否则，启动激活系统。

进一步的，所述步骤1，2和3中的启动激活系统包括如下操作：

控制所述气阀控制组件向所述囊体内充气，所述囊体升空形成向上的牵引力将所述LoRa通讯模块与部分所述气阀控制组件分离，并携带其系留的所述LoRa通讯模块及其附接的通信协议转换器升空；同时开启所述LoRa通讯模块，主控器和通信协议转换器，组建一个窄带通讯网。

进一步的，所述步骤2中的预定时间为20-60min。

进一步的，所述广域网通讯模块的通讯方式选自NB-IoT模式通讯，GSM模式通讯，有限网通讯，和无线通讯中的一种。

一种利用所述灾后应急通讯的浮空通讯装置的组网通讯方法，包括：

在一定区域内的多个房顶设置所述灾后应急通讯的浮空通讯装置，并在所述区域内设置一个终端基站，平时所述浮空通讯装置处于待机状态，利用所述广域网通讯模块进行日常通讯，通过所述广域网通讯模块间隔预设的时间接收来自终端基站发送的心跳包，除供电系统一直工作外，其余模块不工作；

当所述广域网通讯模块无法接收到来自终端基站的所述心跳包时，具体操作步骤如下：

判断所述主控器是否收到激活指令，如果接收到终端基站传送来的激活指令，

各所述浮空通讯装置中的LoRa通讯模块作为一个分节点，各分节点获取周围节点编号，即获取附近LoRa通讯模块是否启动的信息，将自身方位与周边节点情况打包进行全域广播；所有分节点在收到消息后在数据包中标记自身编号并继续进行全域广播；所述终端基站收到各分节点发送的数据包后向原路径发送收到指令；

随后终端基站对收到的数据包进行MESH组网分析后选取具有冗余性的最优路径进行定向广播；

根据选定的最优路径，所述终端基站利用所述LoRa通讯模块以无线方式向所述分节点下发组网策略，各节点收集数据后打包并按选定的最优路径上传至所述终端基站。

所述终端基站判断数据完整性和节点是否丢失，并回复收到指令。

与现有技术相比，本发明的有益效果及显著进步在于：

(1)本发明所述的灾后应急通讯的浮空通讯装置的布局成本低，单个设备造价仅千元，WiFi信号可有效覆盖全楼，LoRa通讯范围超5公里；

(2)利用本发明所述灾后应急通讯的浮空通讯装置的组网通讯方法可在灾害后第一时间全自动快速布局建立起应急通讯网抓住救援黄金时间；

(3)本发明能够有效提高信息收集能力，降低救援成本，大幅提升救援效量；

(4)本发明建立的短报系统可以提供有效的被困信息；

(5)利用本发明的灾后应急通讯的浮空通讯装置的信息传输方法具有冗余设计的自动判断的启动激活系统；

(6)本发明凭借LoRa通讯的远距离优势可以有效冗余组网，系统可靠性高。

附图说明

图1是本发明所述的灾后应急通讯的浮空通讯装置结构图；

图2是本发明所述的灾后应急通讯的浮空通讯装置的信息传输方法示意图；

图3是本所述的灾后应急通讯的浮空通讯装置的信息传输方法的流程图；

图4是本发明的组网通讯方法的流程示意图。

图中：

1：囊体 2：LoRa通讯模块

3：单向气阀 4：气瓶

5：电控泄压阀 6：WiFi定向天线

7：供电系统 8：主控器；

9：箱体。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案、有益效果及显著进步更加清楚，下面，将结合本发明实施例中所提供的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所有描述的这些实施例仅是本发明的部分实施例，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作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。

本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“固定”、“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接或活动连接，亦可是成为一体；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介的间接连接或是无形的信号连接，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系；除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

需要说明的是，本发明所组建的窄带通讯网特指利用窄带特指LoRa通讯模块搭建的窄带通讯网,而不是利用NB-IoT模块搭建的广域网通讯。

还需要说明的是，以下的具体实施例可以相互结合，对于其中相同或相似的概念或过程可能在某些实施例中不再赘述。

如图1所示，一种灾后应急通讯的浮空通讯装置，包括：一个ASA材质的箱体9，所述箱体上设置有与箱体链接的上盖，平时所述箱体的上盖为闭合状态；设置在箱体内的囊体1、气阀控制组件和通讯子系统；所述囊体1优选橡胶气球，所述通讯子系统包括：使用NB-IoT模块做为广域网通讯模块、选取市售树莓派(Raspberry Pi)微型电脑作为主控器、WiFi定向天线6、一对RS485通信协议转换器、LoRa通讯模块2和采用蓄电池作为供电系统7，各模块之间电连接。所述通信协议转换器包括地面通讯协议转换器和空中协议转换器，所述通信协议转换器可以通过粘贴等连接方式附接在所述LoRa通讯模块的背面，能够与所述LoRa通讯模块一起升空。所述广域网通讯模块还可以选自GSM模块或是有线网、wifi等形式建立广域网通讯。所述囊体1的底部通过系留绳与所述LoRa通讯模块连接，所述单向气阀3为锥形的橡胶嘴，其上安有塑料的卡扣结构，其宽口部用于容纳所述囊体1的底部，其尖部与一电控泄压阀5连接，所述电控泄压阀5上有电磁铁，所述电控泄压阀5上有孔用于接入一气瓶4，所述气瓶4中装入氦气。当所述囊体1充完气后，电磁铁弹开放走单向气阀3，使囊体1、LoRa通讯模块2，所述通信协议转换器和单向气阀3一起升空。

所述浮空通讯装置安装于房屋房顶处，平时处于待机状态，所述NB-IoT模块用于日常通讯，通过NB-IoT模块间隔预设的时间接收来自终端基站发送的心跳包，除蓄电池一直工作外，其余模块不工作，此时耗电量极低；所述主控器的WiFi功能也不启用，只以低功耗方式启用部分MCU判断一下心跳包是否正常。当然，所述蓄电池也可替换为锂电池等一次性电池供电。文中所述的心跳包并不包括任何的实际信息，可以是简单的信息或是只包含包头的一个空包。

如图2，3，4所示，当出现地震等灾害，且破坏当地通讯基站造成通讯中断时，所述NB-IoT模块无法接收到来自终端基站的所述心跳包，判断所述主控器是否收到激活指令，如果收到，启动激活系统，所述启动激活系统的操作步骤如下：所述主控器通过窄带通讯网接收到终端基站传送来的激活指令，并控制电控泄压阀5向所述囊体1内充气，所述囊体1升空形成向上的牵引力将所述LoRa通讯模块2与所述气阀控制组件分离，顶开所述箱体9的上盖后携带其系留的所述LoRa通讯模块2升空。同时开启所述LoRa通讯模块，主控器和通信协议转换器，组建一个LoRa窄带通讯网。所述LoRa通讯模块通过所述通信协议转换器与所述主控器通信。

此时，如图4所示，各所述浮空通讯装置中的LoRa通讯模块2作为一个分节点，各分节点获取周围节点编号，即获取附近LoRa通讯模块是否启动的信息，将自身方位与周边节点情况打包进行全域广播；此时，由于灾害的影响，部分分节点被损毁，因此无法按原组网方案继续通讯，因此所有分节点在收到消息后在数据包中标记自身编号并继续进行全域广播；所述终端基站收到各分节点发送的数据包后向原路径发送收到指令；随后终端基站对收到的数据包进行MESH组网分析后选取具有冗余性的最优路径进行定向广播；根据选定的最优路径，所述终端基站利用所述LoRa通讯模块以无线方式向所述分节点下发组网策略，即，第一次点对多发一个包含组网方式的包，各个节点收到以后就按此组网方式点对点或是点对两三点这种优化组网策略减低带宽压力和功耗；各节点收集数据(收集的数据是否仍是上文中的获取周围节点编号，将自身方位与周边节点情况打包)后打包并按选定的最优路径上传；所述终端基站判断数据完整性和节点是否丢失，并回复收到指令。上文所述的MESH组网为公知的“无线网格网络”，MESH组网凭借多跳互连和网状拓扑特性，已经演变为适用于宽带家庭网络、社区网络、企业网络和城域网络等多种无线接入网络的有效解决方案。MESH组网一般由三类不同无线网元组成：网关路由器(具有网关/网桥功能的路由器)，MESH路由器(接入点)和MESH客户端(移动端或其他)。其中，MESH客户端通过无线连接的方式接入到无线MESH路由器，无线MESH路由器以多跳互连的形式，形成相对稳定的转发网络。在WMN的一般网络架构中，任意MESH路由器都可以作为其他MESH路由器的数据转发中继，并且部分MESH路由器还具备因特网网关的附加能力。

如果未收到激活指令，随即启动所述LoRa通讯模块2，主控器和一对RS485通信协议转换器，所述RS485通信协议转换器将UART通信协议转RS485协议以及将RS485协议转换为UART协议，所述主控器8利用所述通信协议转换器向空中的LoRa通讯模块发送AT指令控制其工作，并记录存储数据。如图2所示，此时的所述LoRa通讯模块2组建起一个可以覆盖全城的窄带通讯网，被困者使用手机输入不超过140字的短报文信息后，所述树莓派以WiFi的方式利用所述主控器内置的WiFi天线和所述Wifi定向天线使楼顶的浮空通讯装置与被困人员间进行通讯，从被困者处收集不超过140字的短报文信息，并进行数据处理与打包，随后LoRa通讯模块2通过所述RS485通信协议转换器将UART通信协议转RS485协议，再将RS485协议转换为UART协议，从而与树莓派通信，并发送至终端基站。所述Wifi定向天线在所述主控器启动其内置WiFi天线时候自动开启。

在收到激活指令后，启动激活系统，其操作过程如上，在此不再赘述。如未接收到短报文信息，则等待30分钟，当然，20分钟，40分钟，60分钟均可；如果所述浮空通讯装置还未恢复通讯或未受到检测，启动激活系统；如果所述浮空通讯装置恢复通讯或是经操作人员到现场检修所述浮空通讯装置使其恢复接收到心跳包，则恢复至待机状态。

以上各实施例和具体案例仅用以说明本发明的技术方案，而非是对其的限制，尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，本领域技术人员根据本说明书内容所做出的非本质改进和调整或者替换，均属本发明所要求保护的范围。

Claims (3)

1.一种灾后应急通讯的浮空通讯装置的信息传输方法，包括：

所述浮空通讯装置利用LoRa通讯构建一个浮空短报文窄带通讯网络，通过WiFi收集短报文信息后通过LoRa网络进行传输，包括：箱体(9)，所述箱体(9)上设置有与箱体(9)连接的上盖，还包括设置在箱体(9)内的囊体(1)，气阀控制组件和通讯子系统；所述浮空通讯装置安装于房屋房顶处；

所述气阀控制组件包括依次连接的单向气阀(3)，电控泄压阀(5)和气瓶(4)；所述电控泄压阀(5)上设置有磁铁用于将LoRa通讯模块(2)与部分所述气阀控制组件相互连接或脱离；

其中所述通讯子系统包括：设置在箱体内的NB-IoT模块、主控器(8)、LoRa通讯模块(2)，附接在所述LoRa通讯模块(2)上的通信协议转换器，和供电系统(7)，各模块之间电连接；还包括设置在箱体内的WiFi定向天线，用于增大所述主控器(8)内置的Wifi天线的增益，提升通讯距离；

所述NB-IoT模块用于间隔预设的时间接收来自终端基站发送的心跳包；

其中，所述主控器(8)具有用于与受困者的手机之间进行通讯的WiFi天线；

其中，所述囊体(1)，LoRa通讯模块(2)和气阀控制组件是自上而下依次连接，所述囊体(1)的底部通过系留绳与所述LoRa通讯模块(2)连接，所述气阀控制组件和所述LoRa通讯模块(2)通过磁力可拆卸连接；

所述浮空通讯装置平时处于待机状态，利用所述NB-IoT模块进行日常通讯，通过所述NB-IoT模块间隔预设的时间接收来自终端基站发送的心跳包,除蓄电池一直工作外，其余模块不工作；主控器的WiFi功能也不启用，只以低功耗方式启用部分MCU判断一下心跳包是否正常；

当所述NB-IoT模块无法接收到来自终端基站的所述心跳包时，具体操作步骤如下：

步骤1：判断所述主控器(8)是否收到激活指令，

如果接收到终端基站传送来的激活指令，启动激活系统，即控制所述气阀控制组件向所述囊体(1)内充气，所述囊体(1)升空形成向上的牵引力将所述LoRa通讯模块(2)与部分所述气阀控制组件分离，并携带所述囊体(1)系留的所述LoRa通讯模块(2)及其附接的通信协议转换器升空；同时开启所述LoRa通讯模块(2)，主控器(8)和通信协议转换器，组建一个窄带通讯网，所述LoRa通讯模块通过所述通信协议转换器与所述主控器通信；

此时，各所述浮空通讯装置中的LoRa通讯模块(2)作为一个分节点，各分节点获取周围节点编号，即获取附近LoRa通讯模块(2)是否启动的信息，将自身方位与周边节点情况打包进行全域广播；所有分节点在收到消息后在数据包中标记自身编号并继续进行全域广播；所述终端基站收到各分节点发送的数据包后向原路径发送收到指令；

随后终端基站对收到的数据包进行MESH组网分析后选取具有冗余性的最优路径进行定向广播；

根据选定的最优路径，所述终端基站利用所述LoRa通讯模块(2)以无线方式向所述分节点下发组网策略，即，第一次点对多发一个包含组网方式的包，各个节点收到以后就按此组网方式点对点或是点对两三点这种优化组网策略减低带宽压力和功耗；各节点收集数据后打包并按选定的最优路径上传至所述终端基站；所述终端基站判断数据完整性和节点是否丢失，并回复收到指令；

否则，启动所述LoRa通讯模块(2)，主控器(8)和通信协议转换器，组建一个窄带通讯网，执行步骤2；

步骤2：被困者使用手机输入不超过140字的短报文信息后，所述主控器以WiFi的方式利用所述主控器内置的WiFi天线和Wifi定向天线使楼顶的浮空通讯装置与被困人员间进行通讯，从被困者处收集不超过140字的短报文信息，并进行数据处理与打包，随后LoRa通讯模块2通过通信协议转换器与所述主控器通信，并发送至终端基站；Wifi定向天线在所述主控器启动其内置WiFi天线时候自动开启；所述主控器(8)判断是否收到附近另外的所述LoRa通讯模块(2)工作的讯息，即，判断附近是否有另外的所述LoRa通讯模块(2)启动，如果是，启动激活系统；

如果未收到附近另外的所述LoRa通讯模块(2)工作的讯息，则等待20-60min，随后执行步骤3；

步骤3：所述主控器(8)判断是否恢复NB-IoT模块的通讯，如果是，恢复至平时的待机状态；

否则，启动激活系统。

2.如权利要求1所述的信息传输方法，其特征在于，所述步骤1，2和3中的启动激活系统包括如下操作：

控制所述气阀控制组件向所述囊体(1)内充气，所述囊体(1)升空形成向上的牵引力将所述LoRa通讯模块(2)与部分所述气阀控制组件分离，并携带所述囊体(1)系留的所述LoRa通讯模块(2)及其附接的通信协议转换器升空；同时开启所述LoRa通讯模块(2)，主控器(8)和通信协议转换器，组建一个窄带通讯网。

3.如权利要求1所述的信息传输方法，其特征在于，所述气瓶中的气体为氦气。

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