无线网状网路如何实现远程数据采集

2022-06-23浏览次数:82

无线网状网路如何实现远程数据采集



Application Note

By Matthew Engquist, Applications Engineer, Aerospace and Aviation, Dewesoft USA


引言

随着无线技术以指数级增长,许多从事测试和测量的研发工程师和管理人员都渴望将这种尖端技术融入他们的工作场所和测试轨道。

无线化不仅消除了昂贵且有时易碎的电缆,而且还允许在陆地、海上和空中移动的车辆上的测试设备保持与计算机客户机的持续连接,以便进行实时数据显示和处理。此外,它还允许测试设备在需要时进行远程操作。测试跑道、军事试验场、军用和商用机场都是 WIFI 技术应用的主要候选场所。

WIFI 为移动和远程应用带来了真正的便利,但它还必须伴随着网络安全和”始终开机”连接,以确保实时数据传输和远程控制功能不受损害。这就是移动 Mesh WIFI 的用武之地。

无线网状网络

无线网状网路网络是一个由网状拓扑结构的无线节点组成的通信网络。它也可以是一种无线自组织网络。

星形和网状网络拓扑


网格是指设备或节点之间的互连。无线网状网络通常由网状客户机、网状路由器和网关组成。


网状客户端通常是 PC 笔记本电脑、手机和其他无线设备。网状路由器将来自网关的流量转发,网关可能连接到互联网,也可能不连接到互联网。作为一个单一网络工作的所有无线电节点的覆盖区域有时称为网状云。

无线网状网络可以自我形成和自我修复。无线网状网络工作与不同的无线技术,包括802.11,802.15,802.16,蜂窝技术,并不需要限制在任何一种技术或协议。

Dewesoft 以其便携式数据采集(DAQ)系统而闻名,多年前就开创了远程控制,但它需要硬连线连接,因为当测试物品移动时,WIFI 不够可靠。

然而,Dewesoft 的工程师们最近开发了一种移动 WIFI 网格解决方案,使他们的 DAQ 系统能够“切断”测量系统和计算机之间的连接,并保持一个恒定、可靠和安全的数据连接。

具有模拟和数字输入的 Dewesoft R1DB 和 R2DB 便携式数据采集系统

允许计算机主机无线连接到测试部件提供了一些有用的能力,如远程实时观看和 DAQ 系统控制。这种现场部署的 Mesh WIFI 网络允许工程师在试验场、跑道、机场和试验场等地维护实时数据流。

一个小的基站和无限数量的 WIFI 节点的实现使得网络可以移动,可扩展,并且安全-所有在同一时间。在本文中,我们将详细描述如何实现这一点,并提供有关其背后的无线网络设备的详细信息。

技术概览

大多数 Dewesoft DAQ 系统和数据记录器使用 Windows pc 兼容的计算机作为客户端,运行 DewesoftX DAQ 软件来显示、存储和处理数据。这台电脑通常还有局域网和 WIFI 接口。

第二台计算机(甚至更多)可以通过以太网/WIFI 连接到 DAQ 系统,允许远程控制和数据查看和存储。客户端计算机和数据采集系统可以采用以下三种基本拓扑结构:

图1. 三种 Dewesoft NET 远程控制拓扑: 一对一,多对一,一对多


在有线的场景中,丢失连接的危险很小。但是在传统的 WIFI 环境中,特别是当测试物品改变方向和距离,或者穿过墙壁、建筑物和地形等障碍物时,连接中断甚至完全中断的可能性是非常现实的问题。


对于 Dewesoft DAQ 系统,内部有 SSD 存储器,连接损失不会导致任何数据丢失,因为它总是存储在 DAQ 系统本身的局部,以后可以再评估。然而,在连接恢复之前,操作远程客户端的工程师无法看到测试或控制 DAQ 系统。

通过移动 Mesh WIFI 数据采集系统,解决了这一问题。通过增加相互连接的 WIFI 节点,网络连接形成一个“网格”,DAQ 系统通过多条路径无缝连接到客户端计算机,只要 DAQ 系统保持在网格内。

移动 Mesh WIFI 在实际测试场景中的应用

让我们来看看DEWEsoft的工程师们是如何在犹他州格兰茨维尔的犹他州赛车场的5平方英里范围内建立起一条多功能跑道的。



图2. Utah Motorsports Campus 布局. 2021年谷歌图像,Maxar 数据技术,犹他州

WIFI“热图”告诉我们我们有多少 WIFI 覆盖,允许我们计算应该增加多少 WIFI 节点,以及在哪里。混凝土、建筑物、树木和其他因素影响 WIFI 的性能。图3显示了基站的位置和单个 WIFI 节点将提供的覆盖范围:

图3。基站位置正好在驾驶轨道的东北部分之上

基站在建筑区域的位置只提供 WIFI 覆盖轨道的一小部分,如图3所示,因此,我们需要添加 WIFI 节点来创建一个覆盖轨道其余部分的“网格”:

图4。左基站有两个节点
图5。右基站有6个节点


图4和图5显示了两个节点的增加及其对网络覆盖率的影响。正如热图所示,我们可以根据已知的理想条件下的保守估计来预测一个范围。这两个节点显示了一条清晰的视线和一个简单的拖放式应用程序。但是总共有六个节点,它可以创建一个覆盖整个轨道的网络。

当测试区域是“视线范围”时,使用全向天线很容易实现通信。没有阻挡 WIFI 信号的障碍,网格也完成了。测试物品带有自带的 DAQ 系统,可以在网状系统中的任何位置自由移动,并且可以不间断地连接到客户端计算机。

但是,在现实世界中,通常至少有一些障碍需要处理。墙壁、栅栏、树木线、建筑物、地形的变化——这些障碍物将干扰或完全阻断 WIFI。但是使用我们的热图,我们可以确定哪些地方需要额外的节点,然后添加它们。

图6。左: 障碍物在网格中创建盲点。
图7。右: 添加两个节点之后

当一个1.2米(4英尺)高的混凝土墙被添加到轨道的某些部分,WIFI 信号无法通过,创造覆盖空白。这是对大多数应用程序中所看到的情况的一个更为现实的期望。注意图6中轨道中间附近的死区。

当我们添加两个节点(用蓝色圆圈表示)时,问题就解决了,轨道的可用部分也被完全覆盖了,如图7所示。


在几乎每一个设置将有项目(树木,墙壁,障碍,等) ,阻止一个理想的 WI-FI 网络。我们的节点被设计成可以快速、方便地部署在这些死区内,以填补空白并最大化网络覆盖率。节点相互接收和广播信号,自动维护连接。

8. 移动 Mesh WIFI 架构


Mesh 无线数据传输系统由以下部分组成:

▶  企业级网络设备,包括基站、接入点和天线
一台运行的 PC 计算机DewesoftX软件
坚固耐用的便携式Dewesoft DAQ硬件
任何必需的传感器及其电源(如果需要的话)

让我们来看看每个主要组件。


基站

基站是查看、控制和收集数据流的中心点。基站可以采取多种形式,但有两个基本组成部分:

▶  第一个是控制中心,它是一个路由器、记录器、交换机和控制器,内置在一个模块中,可以安装在一个标准的19英寸机架中。
第二个是连接到提供WIFI通信的控制器的天线。
我们为此应用选择的设备是Ubiquiti,Inc.的UniFi®Dream Machine Pro。

图9. Ubiquiti 的 Unifi Dream Machine Pro


基站控制器的主要功能:

▶  适用于中型网络的一体化1U 设备
带1Gbps RJ45和10G SFP+LAN的8端口千兆交换机
双广域网端口的冗余和负载平衡
包含具有8个端口交换机和内置安全网关的 UniFi 操作系统
通过UniFI应用程序轻松设置和访问蓝牙连接
具有先进管理能力的可扩展网络控制器
支持视频直接输入
企业级IP/ID、DPI和无线电AI功能
1 x 1.3英寸触摸屏显示快速状态信息
1.7 GHz 内置四核处理器


使用这种控制器,添加天线是快速和容易的。多个天线,以及其他设备,如摄像头,可以直接连接到控制器。