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

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

為了應(yīng)對野外環(huán)境中的5G信號不穩(wěn)定或缺失等問題，研究進一步拓展電臺功能，增加WiFi電臺模塊，通過單片機智能切換技術(shù)，無縫連接5G和WiFi網(wǎng)絡(luò)，確保在任何信號環(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、靈活性高的ADCP數(shù)據(jù)傳輸解決方案，對于推進水文測驗自動化和遠程化具有重要的理論和實踐意義。

1ADCP數(shù)據(jù)傳輸現(xiàn)狀及問題

ADCP是一種利用聲學(xué)多普勒原理測量水流速度的儀器。其通過向水中發(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）反射回來的回聲信號，來測量水流的速度和方向。

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

藍牙技術(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100m，難以適應(yīng)大范圍水體監(jiān)測的需求。此外，藍牙的帶寬相對較小，數(shù)據(jù)傳輸速率受到限制，對于ADCP產(chǎn)生的大量高密度數(shù)據(jù)來說，傳輸效率低下。

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)電臺（如基于無線電頻率的傳輸方式）雖然通信距離較藍牙有所提升，但依然受限于無線電波的傳播特性，其實際可用距離通常在幾千米之內(nèi)。在一些偏遠或地形復(fù)雜地區(qū)，信號可能會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，這些電臺的功耗較高，對于野外長期布署的設(shè)備來說，電池續(xù)航能力成為一大挑戰(zhàn)。

25G數(shù)據(jù)傳輸電臺的設(shè)計與實現(xiàn)

5G數(shù)據(jù)傳輸電臺可將ADCP獲取的數(shù)據(jù)實現(xiàn)高速、穩(wěn)定且無距離限制的傳輸。5G網(wǎng)絡(luò)在MIMO（多進多出）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)計上，電臺配備了一個高性能的5G模塊，能夠連接任意5G運營商的網(wǎng)絡(luò)，確保信號在覆蓋區(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信號不穩(wěn)定或缺失的區(qū)域，單純依賴5G網(wǎng)絡(luò)可能無法保證數(shù)據(jù)的連續(xù)采集。因此，本研究通過結(jié)合WiFi電臺模塊和單片機智能切換技術(shù)，構(gòu)建了一種能夠自動適應(yīng)不同信號環(huán)境的多元數(shù)據(jù)傳輸電臺，進一步提升了數(shù)據(jù)采集的可靠性和靈活性。

35G/WiFi混合數(shù)據(jù)傳輸電臺的設(shè)計與實現(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)定及無距離限制特性與WiFi電臺模塊的本地傳輸優(yōu)勢相結(jié)合，通過單片機的智能網(wǎng)絡(luò)切換，確保在任何信號環(huán)境下都能實現(xiàn)ADCP數(shù)據(jù)的無縫、高效采集及傳輸。

系統(tǒng)架構(gòu)由3個主要部分組成：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)采集模塊是電臺的前端，負(fù)責(zé)與ADCP連接，實時接收并解析數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)經(jīng)過壓縮處理后，通過5G電臺和WiFi電臺這兩種不同的傳輸路徑進行發(fā)送。

該系統(tǒng)中，單片機作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)摹按竽X”，負(fù)責(zé)實時監(jiān)測5G和WiFi信號的強度。當(dāng)5G信號較強時，單片機將控制ADCP獲取的數(shù)據(jù)通過5G電臺進行數(shù)據(jù)傳輸，享受高速穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。一旦5G信號減弱，單片機立即識別并切換到WiFi電臺，利用WiFi熱點控制ADCP獲取的數(shù)據(jù)傳輸，傳輸距離可達800m。通過這種方式，即使在5G網(wǎng)絡(luò)不可用時，ADCP數(shù)據(jù)的采集也不會中斷，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，通過智能網(wǎng)絡(luò)切換技術(shù)，實現(xiàn)了對不同信號環(huán)境的無縫適應(yīng)。

3.25G與WiFi切換邏輯設(shè)計

在實現(xiàn)超遠程、多元ADCP數(shù)據(jù)傳輸電臺時，5G與WiFi的切換邏輯設(shè)計是確保系統(tǒng)穩(wěn)定、高效運行的關(guān)鍵。

系統(tǒng)中內(nèi)置的單片機是網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測和控制的中樞神經(jīng)，負(fù)責(zé)實時檢測5G和WiFi信號的強度和穩(wěn)定性，通過信號強度比較算法，評估當(dāng)前可用網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量。該算法可能基于信號強度的絕對值，也可能考慮信號強度的穩(wěn)定性，以避免頻繁切換帶來的數(shù)據(jù)傳輸中斷風(fēng)險。

當(dāng)單片機檢測到5G信號強度高于預(yù)設(shè)閾值時，會指示系統(tǒng)使用5G電臺進行數(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，從而實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)的遠程采集。同時，單片機將不斷監(jiān)測5G信號，如果信號強度下降到臨界值，會預(yù)先啟動WiFi電臺，做好切換準(zhǔn)備。

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

為了應(yīng)對5G信號完全消失的情況，系統(tǒng)設(shè)計了WiFi電臺的獨立工作模式。當(dāng)單片機檢測到5G信號長時間不可用時，會將系統(tǒng)切換至WiFi模式，并通過擴頻技術(shù)或增加天線增益來增強WiFi信號的穿透力和覆蓋范圍。在本地網(wǎng)絡(luò)中，WiFi電臺能夠保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸，直到5G信號恢復(fù)。

在實際應(yīng)用中，該切換邏輯設(shè)計需要不斷地學(xué)習(xí)和優(yōu)化。通過收集不同環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)性能數(shù)據(jù)，單片機可以調(diào)整其信號強度閾值和切換策略，以適應(yīng)各種復(fù)雜環(huán)境和可能的干擾因素。例如，通過機器學(xué)習(xí)算法，單片機可以預(yù)測網(wǎng)絡(luò)條件，并提前進行切換，以減少切換過程中可能的數(shù)據(jù)丟失。

總體而言，5G與WiFi的切換邏輯設(shè)計是通過單片機的實時監(jiān)控和智能決策，結(jié)合先進的網(wǎng)絡(luò)管理和數(shù)據(jù)處理技術(shù)來實現(xiàn)的。這種設(shè)計確保了無論在何種網(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)代水文測驗的實時性和可靠性提供了堅實的技術(shù)保障。通過不斷的優(yōu)化和學(xué)習(xí)，這套切換邏輯有望在未來的應(yīng)用中更加智能化，為水文測驗的自動化和遠程化帶來更大的進步。

3.3系統(tǒng)性能測試與分析

在實驗室環(huán)境下模擬了理想條件下的數(shù)據(jù)傳輸，以評估5G數(shù)據(jù)傳輸電臺的理論性能。測試結(jié)果顯示，5G電臺在穩(wěn)定環(huán)境下能夠?qū)崿F(xiàn)近100Mbps的峰值傳輸速率，遠超藍牙的1～2Mbps，甚至接近了有線連接的帶寬。

在野外也進行了一系列測試，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)及偏遠地區(qū)。在這些測試中，單片機智能切換技術(shù)能夠有效地在5G和WiFi網(wǎng)絡(luò)之間無縫切換，即使在5G信號微弱或缺失的情況下，系統(tǒng)也能自動切換到WiFi電臺，保持?jǐn)?shù)據(jù)采集的連續(xù)性。測試數(shù)據(jù)顯示，即使在信號較弱的環(huán)境下，WiFi電臺仍能保證平均5Mbps的穩(wěn)定傳輸速率，滿足了ADCP數(shù)據(jù)的基本傳輸需求。

在可靠性測試中，對系統(tǒng)進行了長時間的不間斷運行，包括在極端天氣條件和電力供應(yīng)波動的情況下。結(jié)果顯示，這套電臺系統(tǒng)在各種情況下都能保持穩(wěn)定運行，故障率低，電池續(xù)航時間長達數(shù)小時，遠超傳統(tǒng)數(shù)據(jù)電臺，這在一定程度上減少了外業(yè)人員的維護負(fù)擔(dān)。

性能測試結(jié)果證實了超遠程、多元ADCP數(shù)據(jù)傳輸電臺的設(shè)計與實現(xiàn)達到了預(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

文中成功設(shè)計了一種超遠程、多元的ADCP數(shù)據(jù)傳輸電臺，其借助5G網(wǎng)絡(luò)的高速度、穩(wěn)定性和無距離限制，以及WiFi電臺模塊的本地覆蓋能力，結(jié)合單片機智能切換技術(shù)，顯著提升了數(shù)據(jù)采集的實時性、可靠性及適應(yīng)性。試驗結(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)藍牙電臺和有線連接，為現(xiàn)代水文測驗提供了高效的數(shù)據(jù)傳輸解決方案。隨著技術(shù)的不斷進步，這套系統(tǒng)將在未來的水文測驗中發(fā)揮更大作用，推動水文監(jiān)測的自動化和遠程化，為水資源管理提供更為精確和實時的數(shù)據(jù)支持。