［關(guān)鍵詞］ADCP 數(shù)據(jù)傳輸；超遠(yuǎn)程電臺(tái)；多元數(shù)據(jù)傳輸；5G 網(wǎng)絡(luò)；WiFi 電臺(tái)

［中圖分類號(hào)］U675.81 ［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A ［文章編號(hào)］2095–6487（2024）10–0076–03

為了應(yīng)對(duì)野外環(huán)境中的5G信號(hào)不穩(wěn)定或缺失等問(wèn)題，研究進(jìn)一步拓展電臺(tái)功能，增加WiFi電臺(tái)模塊，通過(guò)單片機(jī)智能切換技術(shù)，無(wú)縫連接5G和WiFi網(wǎng)絡(luò)，確保在任何信號(hào)環(huán)境下都能保持ADCP（聲學(xué)多普勒流速儀）數(shù)據(jù)的連續(xù)采集。本研究的貢獻(xiàn)在于創(chuàng)新性地融合了5G和WiFi網(wǎng)絡(luò)，打造出一款適應(yīng)性強(qiáng)、靈活性高的ADCP數(shù)據(jù)傳輸解決方案，對(duì)于推進(jìn)水文測(cè)驗(yàn)自動(dòng)化和遠(yuǎn)程化具有重要的理論和實(shí)踐意義。

1ADCP數(shù)據(jù)傳輸現(xiàn)狀及問(wèn)題

ADCP是一種利用聲學(xué)多普勒原理測(cè)量水流速度的儀器。其通過(guò)向水中發(fā)射聲波脈沖，并接收這些脈沖在水中的散射體（如浮游生物、泥沙等）反射回來(lái)的回聲信號(hào)，來(lái)測(cè)量水流的速度和方向。

ADCP作為水文測(cè)驗(yàn)的主要設(shè)備之一，在水文測(cè)驗(yàn)中起到了非常重要的作用。但目前大多數(shù)ADCP的數(shù)據(jù)通信采用的是藍(lán)牙電臺(tái)或傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)電臺(tái)，這些電臺(tái)作為早期的主要通信手段，盡管為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集提供了初步的解決方案，但其在實(shí)際應(yīng)用中暴露出一系列局限性，嚴(yán)重制約了水文測(cè)報(bào)的效率和精度。

藍(lán)牙技術(shù)以其便捷性和易用性在小范圍通信中占據(jù)一席之地，但其通信距離通常不超過(guò)100m，難以適應(yīng)大范圍水體監(jiān)測(cè)的需求。此外，藍(lán)牙的帶寬相對(duì)較小，數(shù)據(jù)傳輸速率受到限制，對(duì)于ADCP產(chǎn)生的大量高密度數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)，傳輸效率低下。

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)電臺(tái)（如基于無(wú)線電頻率的傳輸方式）雖然通信距離較藍(lán)牙有所提升，但依然受限于無(wú)線電波的傳播特性，其實(shí)際可用距離通常在幾千米之內(nèi)。在一些偏遠(yuǎn)或地形復(fù)雜地區(qū)，信號(hào)可能會(huì)受到地形遮擋或衰減，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定，甚至中斷。此外，這些電臺(tái)的功耗較高，對(duì)于野外長(zhǎng)期布署的設(shè)備來(lái)說(shuō)，電池續(xù)航能力成為一大挑戰(zhàn)。

25G數(shù)據(jù)傳輸電臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

5G數(shù)據(jù)傳輸電臺(tái)可將ADCP獲取的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)高速、穩(wěn)定且無(wú)距離限制的傳輸。5G網(wǎng)絡(luò)在MIMO（多進(jìn)多出）和OFDM技術(shù)基礎(chǔ)上，采用LDPC碼、Polar碼等新型信道編碼方案，性能更強(qiáng)的大規(guī)模天線技術(shù)，以及短幀、快速反饋、多層/多站數(shù)據(jù)重傳等技術(shù)，使得數(shù)據(jù)在空氣中以高速率、低延遲及高穩(wěn)定性傳輸。在硬件設(shè)計(jì)上，電臺(tái)配備了一個(gè)高性能的5G模塊，能夠連接任意5G運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)，確保信號(hào)在覆蓋區(qū)域內(nèi)始終可用。

然而，5G網(wǎng)絡(luò)并非在所有環(huán)境下都能保證連續(xù)覆蓋。尤其是在5G信號(hào)不穩(wěn)定或缺失的區(qū)域，單純依賴5G網(wǎng)絡(luò)可能無(wú)法保證數(shù)據(jù)的連續(xù)采集。因此，本研究通過(guò)結(jié)合WiFi電臺(tái)模塊和單片機(jī)智能切換技術(shù)，構(gòu)建了一種能夠自動(dòng)適應(yīng)不同信號(hào)環(huán)境的多元數(shù)據(jù)傳輸電臺(tái)，進(jìn)一步提升了數(shù)據(jù)采集的可靠性和靈活性。

35G/WiFi混合數(shù)據(jù)傳輸電臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1混合數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)架構(gòu)

混合數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)架構(gòu)的核心是將5G網(wǎng)絡(luò)的高速、穩(wěn)定及無(wú)距離限制特性與WiFi電臺(tái)模塊的本地傳輸優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，通過(guò)單片機(jī)的智能網(wǎng)絡(luò)切換，確保在任何信號(hào)環(huán)境下都能實(shí)現(xiàn)ADCP數(shù)據(jù)的無(wú)縫、高效采集及傳輸。

系統(tǒng)架構(gòu)由3個(gè)主要部分組成：數(shù)據(jù)采集模塊、混合傳輸模塊及網(wǎng)絡(luò)切換模塊。數(shù)據(jù)采集模塊是電臺(tái)的前端，負(fù)責(zé)與ADCP連接，實(shí)時(shí)接收并解析數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)壓縮處理后，通過(guò)5G電臺(tái)和WiFi電臺(tái)這兩種不同的傳輸路徑進(jìn)行發(fā)送。

該系統(tǒng)中，單片機(jī)作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)摹按竽X”，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)5G和WiFi信號(hào)的強(qiáng)度。當(dāng)5G信號(hào)較強(qiáng)時(shí)，單片機(jī)將控制ADCP獲取的數(shù)據(jù)通過(guò)5G電臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，享受高速穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。一旦5G信號(hào)減弱，單片機(jī)立即識(shí)別并切換到WiFi電臺(tái)，利用WiFi熱點(diǎn)控制ADCP獲取的數(shù)據(jù)傳輸，傳輸距離可達(dá)800m。通過(guò)這種方式，即使在5G網(wǎng)絡(luò)不可用時(shí)，ADCP數(shù)據(jù)的采集也不會(huì)中斷，確保了數(shù)據(jù)的連續(xù)性和完整性。

混合數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)架構(gòu)的創(chuàng)新之處在于將5G和WiFi技術(shù)融合，通過(guò)智能網(wǎng)絡(luò)切換技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同信號(hào)環(huán)境的無(wú)縫適應(yīng)。

3.25G與WiFi切換邏輯設(shè)計(jì)

在實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)程、多元ADCP數(shù)據(jù)傳輸電臺(tái)時(shí)，5G與WiFi的切換邏輯設(shè)計(jì)是確保系統(tǒng)穩(wěn)定、高效運(yùn)行的關(guān)鍵。

系統(tǒng)中內(nèi)置的單片機(jī)是網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)和控制的中樞神經(jīng)，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)檢測(cè)5G和WiFi信號(hào)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，通過(guò)信號(hào)強(qiáng)度比較算法，評(píng)估當(dāng)前可用網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量。該算法可能基于信號(hào)強(qiáng)度的絕對(duì)值，也可能考慮信號(hào)強(qiáng)度的穩(wěn)定性，以避免頻繁切換帶來(lái)的數(shù)據(jù)傳輸中斷風(fēng)險(xiǎn)。

當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到5G信號(hào)強(qiáng)度高于預(yù)設(shè)閾值時(shí)，會(huì)指示系統(tǒng)使用5G電臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。5G網(wǎng)絡(luò)的高速度和穩(wěn)定性使得數(shù)據(jù)能夠快速、高效地上傳至云端服務(wù)器，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程采集。同時(shí)，單片機(jī)將不斷監(jiān)測(cè)5G信號(hào)，如果信號(hào)強(qiáng)度下降到臨界值，會(huì)預(yù)先啟動(dòng)WiFi電臺(tái)，做好切換準(zhǔn)備。

當(dāng)5G信號(hào)強(qiáng)度持續(xù)下降，低于預(yù)設(shè)的切換閾值時(shí)，單片機(jī)將立即觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)切換，將數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)移交給WiFi電臺(tái)，確保數(shù)據(jù)的連續(xù)采集。切換過(guò)程中，單片機(jī)需要管理好數(shù)據(jù)緩沖，避免在切換過(guò)程中出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失。

為了應(yīng)對(duì)5G信號(hào)完全消失的情況，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了WiFi電臺(tái)的獨(dú)立工作模式。當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到5G信號(hào)長(zhǎng)時(shí)間不可用時(shí)，會(huì)將系統(tǒng)切換至WiFi模式，并通過(guò)擴(kuò)頻技術(shù)或增加天線增益來(lái)增強(qiáng)WiFi信號(hào)的穿透力和覆蓋范圍。在本地網(wǎng)絡(luò)中，WiFi電臺(tái)能夠保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸，直到5G信號(hào)恢復(fù)。

在實(shí)際應(yīng)用中，該切換邏輯設(shè)計(jì)需要不斷地學(xué)習(xí)和優(yōu)化。通過(guò)收集不同環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)性能數(shù)據(jù)，單片機(jī)可以調(diào)整其信號(hào)強(qiáng)度閾值和切換策略，以適應(yīng)各種復(fù)雜環(huán)境和可能的干擾因素。例如，通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)算法，單片機(jī)可以預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)條件，并提前進(jìn)行切換，以減少切換過(guò)程中可能的數(shù)據(jù)丟失。

總體而言，5G與WiFi的切換邏輯設(shè)計(jì)是通過(guò)單片機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和智能決策，結(jié)合先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)管理和數(shù)據(jù)處理技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這種設(shè)計(jì)確保了無(wú)論在何種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，ADCP數(shù)據(jù)采集和傳輸始終穩(wěn)定、高效，為現(xiàn)代水文測(cè)驗(yàn)的實(shí)時(shí)性和可靠性提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)保障。通過(guò)不斷的優(yōu)化和學(xué)習(xí)，這套切換邏輯有望在未來(lái)的應(yīng)用中更加智能化，為水文測(cè)驗(yàn)的自動(dòng)化和遠(yuǎn)程化帶來(lái)更大的進(jìn)步。

3.3系統(tǒng)性能測(cè)試與分析

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下模擬了理想條件下的數(shù)據(jù)傳輸，以評(píng)估5G數(shù)據(jù)傳輸電臺(tái)的理論性能。測(cè)試結(jié)果顯示，5G電臺(tái)在穩(wěn)定環(huán)境下能夠?qū)崿F(xiàn)近100Mbps的峰值傳輸速率，遠(yuǎn)超藍(lán)牙的1～2Mbps，甚至接近了有線連接的帶寬。

在野外也進(jìn)行了一系列測(cè)試，涵蓋了各種復(fù)雜環(huán)境，包括山區(qū)、城市建筑物密集區(qū)及偏遠(yuǎn)地區(qū)。在這些測(cè)試中，單片機(jī)智能切換技術(shù)能夠有效地在5G和WiFi網(wǎng)絡(luò)之間無(wú)縫切換，即使在5G信號(hào)微弱或缺失的情況下，系統(tǒng)也能自動(dòng)切換到WiFi電臺(tái)，保持?jǐn)?shù)據(jù)采集的連續(xù)性。測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，即使在信號(hào)較弱的環(huán)境下，WiFi電臺(tái)仍能保證平均5Mbps的穩(wěn)定傳輸速率，滿足了ADCP數(shù)據(jù)的基本傳輸需求。

在可靠性測(cè)試中，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的不間斷運(yùn)行，包括在極端天氣條件和電力供應(yīng)波動(dòng)的情況下。結(jié)果顯示，這套電臺(tái)系統(tǒng)在各種情況下都能保持穩(wěn)定運(yùn)行，故障率低，電池續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)達(dá)數(shù)小時(shí)，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)數(shù)據(jù)電臺(tái)，這在一定程度上減少了外業(yè)人員的維護(hù)負(fù)擔(dān)。

性能測(cè)試結(jié)果證實(shí)了超遠(yuǎn)程、多元ADCP數(shù)據(jù)傳輸電臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，展現(xiàn)出優(yōu)越的性能和出色的適應(yīng)性。

4結(jié)束語(yǔ)

文中成功設(shè)計(jì)了一種超遠(yuǎn)程、多元的ADCP數(shù)據(jù)傳輸電臺(tái)，其借助5G網(wǎng)絡(luò)的高速度、穩(wěn)定性和無(wú)距離限制，以及WiFi電臺(tái)模塊的本地覆蓋能力，結(jié)合單片機(jī)智能切換技術(shù)，顯著提升了數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性、可靠性及適應(yīng)性。試驗(yàn)結(jié)果顯示，這套系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸速率、延遲、抗干擾能力、多任務(wù)處理及網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的適應(yīng)性方面，均優(yōu)于傳統(tǒng)藍(lán)牙電臺(tái)和有線連接，為現(xiàn)代水文測(cè)驗(yàn)提供了高效的數(shù)據(jù)傳輸解決方案。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，這套系統(tǒng)將在未來(lái)的水文測(cè)驗(yàn)中發(fā)揮更大作用，推動(dòng)水文監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化和遠(yuǎn)程化，為水資源管理提供更為精確和實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)支持。