自适应的岩土地下工程无线双向通信方法及其通信装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种自适应的岩土地下工程无线双向通信方法及其通信装置，包括两种工作模式，第一工作模式为由布置于岩土地下工程内部的感知节点直接与地面的边缘网关建立通信；第二工作模式为布置于岩土地下工程内部的感知节点经布置于岩土地下工程中间位置的中继节点与边缘网关建立通信。本发明专利技术的优点是：提升了系统的时间和频率利用效率，为岩土地下工程多测点、广覆盖、实时性的自动化监测场景提供可靠无线网络支撑；实现无线感知节点、无线中继节点与边缘网关之间的双向通信，可以实现用户对各类监测传感器的实时主动控制，在监测数据出现异常时，主动获取传感器数据；同时支持2种工作模式，即使在通信条件差的环境下仍可实现无线自动化监测。可实现无线自动化监测。可实现无线自动化监测。

【技术实现步骤摘要】
自适应的岩土地下工程无线双向通信方法及其通信装置


[0001]本专利技术属于岩土地下工程自动化监测
，具体涉及一种自适应的岩土地下工程无线双向通信方法及其通信装置。

技术介绍

[0002]随着深层地下空间的开发不断向纵深方向发展，工程监测点位的不断增加且位置分布离散，传统人工监测已经无法满足深基坑工程的信息化管控要求。近年来随着物联网技术的不断发展，促使岩土地下工程监测的自动化也得到了大量的应用，自动化监测是指通过定制的传感器准确感知结构的状态（受力、变形等），通过有线或无线将传感器接入物联网采集设备中，物联网采集设备将传感器数据传输至远程监控系统，远程监控系统对采集数据进行存储、计算、分析，并通过报表、短信、邮件等方式将数据和分析结果通知相关参建单位。
[0003]但是现有技术方面存在较大的缺陷：一方面，大量分散的传感器节点到采集设备仍采用有线连接方式接入物联网网关，传感器线缆易被施工损坏，损坏后难以恢复，导致自动化监测数据的及时性无法得到保障；另一方面，现有的无线物联网技术在深基坑工程中的适应不足，如基于ZigBee的无线组网通信受岩土地下工程施工中的新建结构物的影响，无线感知节点与网关通信时经常出现数据丢包的现象；而现有的NB
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IoT窄带宽技术受运营商基站的限制，在部分岩土地下工程底部时易出现无信号的现象；传统的LoRaWAN协议在虽然有长距离通信的优势，但在双向通信方面无法做到长周期、自适应、低功耗的应用要求。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种自适应的岩土地下工程无线双向通信方法及其通信装置，该通信方法在自适应的时频复用技术的基础上考虑随机避让技术实现感知节点、中继节点与边缘网关之间的无线双向通信；通过在岩土地下工程中间位置设置中继节点，以同时支持2种工作模式，即使在通信条件差的环境下仍可实现无线自动化监测。
[0005]本专利技术目的实现由以下技术方案完成：一种自适应的岩土地下工程无线双向通信方法，其特征在于所述通信方法包括两种工作模式，其中：第一工作模式为由布置于岩土地下工程内部的感知节点直接与布置于地面的边缘网关建立通信；第二工作模式为布置于岩土地下工程内部的所述感知节点经布置于岩土地下工程中间位置的中继节点与布置于地面的所述边缘网关建立通信。
[0006]所述边缘网关的数量为n，n个所述边缘网关对给定的通信频段进行频点切分；单个所述边缘网关的可用频点数量为p，将p个可用频点按照上行频点与下行频点p
u
:p
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的比例分配；所述边缘网关的数量n≤p*p
d
/(p
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+p
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)；每个所述边缘网关处于持续的上行监听状态
以随时接收由所述中继节点或所述感知节点发起的接入请求。
[0007]所述中继节点的数量为m；单个所述中继节点具有与所述边缘网关相同的可用频点数量p，将p个可用频点按照上行频点与下行频点p
u
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的比例分配；采用时分方式保持同一时间点n个所述中继节点提供中继服务；所述中继节点的数量m≤s*n，其中，n为所述边缘网关的数量，s为设计时隙。
[0008]所述感知节点的数量为k；单个所述感知节点具有与所述边缘网关相同的可用频点数量p，将p个可用频点按照上行频点与下行频点p
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的比例分配；所述感知节点按需发起上行通信请求，所述感知节点的通信频点在可选的上行频点内采用自适应的方式占用所需的上行频点；同一个所述边缘网关接入所述感知节点的上限为T/t个，n个所述边缘网关支持接入的所述感知节点总数k≤T*n/t；其中，T为每个所述感知节点的最小请求时间间隔，t为所述感知节点的处理与通信时间。
[0009]所述第一种工作模式下，各所述边缘网关与对应的所述感知节点间的无线双向通信基于时间窗口的阵列轮询机制实现，包括以下步骤：单个所述边缘网关接入N个所述感知节点，所述边缘网关给对应的N个所述感知节点同步发送下行通信指令；所述感知节点以所述边缘网关的下行广播时间为基准，将后续时间划分成N个时间窗口，每个时间窗口间隙为T+t秒，其中，T为每个所述感知节点的最小请求时间间隔，t为所述感知节点的处理与通信时间；所述边缘网关基于各所述感知节点的编号提前分配好各所述感知节点的时间窗口顺序，每个所述感知节点在对应的时间窗口上行发送数据到所述边缘网关；若任一所述感知节点在其对应指定的时间窗口内仍未完成数据采集或错过上行通信时，则该所述感知节点顺延到第N+2个时间窗口开始等待与所述边缘网关进行上行通信。
[0010]在多个所述边缘网关同时给对应的所述感知节点发送下行通信指令时，不同所述边缘网关的所述感知节点间形成阵列式的时间窗口同步将上行数据上报给对应的所述边缘网关。
[0011]每次所述边缘网关给个所述感知节点下发下行通信指令时，使所述边缘网关与所述感知节点和所述中继节点之间的时间同步；不同的所述边缘网关之间通过内置的北斗/GPS同步模块完成时间同步。
[0012]所述边缘网关通过周期性发送时间同步数据包以完成与所述中继节点之间的时间同步；使用所述时间同步数据包，基于前导码完成初步链接建立握手后，在所述前导码结束时刻，所述中继节点和所述边缘网关同时记录时间戳并完成各自时间交换，记录所述边缘网关时间为G、所述中继节点时间为L，通过多次时间交换，使用公式G=k*L+Offset多点线性拟合得到所述中继节点和所述边缘网关之间的固定偏差Offset和频率偏差k，以完成所述中继节点和所述边缘网关之间的时间同步。
[0013]在所述第一工作模式下所述感知节点通过所述边缘网关完成时间同步；在所述第二工作模式下，所述感知节点通过所述中继节点完成时间同步。
[0014]一种涉及任一所述自适应的岩土地下工程无线双向通信方法的通信装置，其特征在于所述通信装置包括边缘网关、中继节点以及感知节点；所述边缘网关包括电源模块、边缘处理模块、第一本地存储模块、北斗/GPS同步模块、转发通信模块、以及若干第一接入通信模块；所述电源模块对所述边缘网关内的各模块进行供电；所述边缘处理模块包括边缘计算单元以及与所述边缘计算单元相连接的第一时
间同步单元和第一通信控制单元；所述第一本地存储模块存储所述边缘网关的本地化数据；所述北斗/GPS同步模块实现所述边缘网关的授时同步，并经所述第一时间同步单元实现与所述中继节点和所述感知节点的时间同步；所述转发通信模块由所述第一通信控制单元控制将数据向计算服务平台的转发通信；所述第一接入通信模块由所述第一通信控制单元控制同所述中继节点和所述感知节点的接入通信；所述中继节点包括第二电池供电模块、第二本地存储模块、中继处理模块、中继通信模块以及第二接入通信模块；所述第二电池供电模块对所述中继节点内的各模块进行供电；所述第二本地存储模块存储所述中继节点的本地化数据；所述中继处理模块包括中继计算单元以及与所述中继计算单元相连接本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种自适应的岩土地下工程无线双向通信方法，其特征在于所述通信方法包括两种工作模式，其中：第一工作模式为由布置于岩土地下工程内部的感知节点直接与布置于地面的边缘网关建立通信；第二工作模式为布置于岩土地下工程内部的所述感知节点经布置于岩土地下工程中间位置的中继节点与布置于地面的所述边缘网关建立通信。2.根据权利要求1所述的一种自适应的岩土地下工程无线双向通信方法，其特征在于所述边缘网关的数量为n，n个所述边缘网关对给定的通信频段进行频点切分；单个所述边缘网关的可用频点数量为p，将p个可用频点按照上行频点与下行频点p
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的比例分配；所述边缘网关的数量n≤p*p
d
/(p
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+p
d
)；每个所述边缘网关处于持续的上行监听状态以随时接收由所述中继节点或所述感知节点发起的接入请求。3.根据权利要求2所述的一种自适应的岩土地下工程无线双向通信方法，其特征在于所述中继节点的数量为m；单个所述中继节点具有与所述边缘网关相同的可用频点数量p，将p个可用频点按照上行频点与下行频点p
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d
的比例分配；采用时分方式保持同一时间点n个所述中继节点提供中继服务；所述中继节点的数量m≤s*n，其中，n为所述边缘网关的数量，s为设计时隙。4.根据权利要求3所述的一种自适应的岩土地下工程无线双向通信方法，其特征在于所述感知节点的数量为k；单个所述感知节点具有与所述边缘网关相同的可用频点数量p，将p个可用频点按照上行频点与下行频点p
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的比例分配；所述感知节点按需发起上行通信请求，所述感知节点的通信频点在可选的上行频点内采用自适应的方式占用所需的上行频点；同一个所述边缘网关接入所述感知节点的上限为T/t个，n个所述边缘网关支持接入的所述感知节点总数k≤T*n/t；其中，T为每个所述感知节点的最小请求时间间隔，t为所述感知节点的处理与通信时间。5.根据权利要求4所述的一种自适应的岩土地下工程无线双向通信方法，其特征在于所述第一种工作模式下，各所述边缘网关与对应的所述感知节点间的无线双向通信基于时间窗口的阵列轮询机制实现，包括以下步骤：单个所述边缘网关接入N个所述感知节点，所述边缘网关给对应的N个所述感知节点同步发送下行通信指令；所述感知节点以所述边缘网关的下行广播时间为基准，将后续时间划分成N个时间窗口，每个时间窗口间隙为T+t秒，其中，T为每个所述感知节点的最小请求时间间隔，t为所述感知节点的处理与通信时间；所述边缘网关基于各所述感知节点的编号提前分配好各所述感知节点的时间窗口顺序，每个所述感知节点在对应的时间窗口上行发送数据到所述边缘网关；若任一所述感知节点在其对应指定的时间窗口内仍未完成数据采集或错过上行通信时，则该所述感知节点顺延到第N+2个时间窗口开始等待与所述边缘网关进行上行通信。6.根据权利要求5所述的一种自适应的岩土地下工程无线双向通信方法，其特征在于在多个所述边缘网关同时给对应的所述感知节点发送下行通信指令时，不同所述边缘网关的所述感知节点间形成阵列式的时间窗口同步将上行数...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈卫南，苏辉，罗志华，褚伟洪，王校勇，朱以鹏，戴加东，
申请(专利权)人：上海勘察设计研究院集团有限公司，
类型：发明
国别省市：