本發(fā)明涉及無線通信，尤其涉及一種礦用自組網(wǎng)雙頻段切換方法及系統(tǒng)。

背景技術：

1、在礦產資源開采過程中，礦井巷道環(huán)境復雜多變，不僅存在大量拐角、障礙物，還面臨電機車火花干擾、巖層信號衰減等問題，對井下通信的穩(wěn)定性、可靠性和適應性提出了極高要求。為實現(xiàn)井下設備間的高效數(shù)據(jù)傳輸、實時狀態(tài)監(jiān)控及應急通信，礦用自組網(wǎng)作為一種無需依賴固定基礎設施、可快速部署的通信方式應運而生。它通過多個節(jié)點自主協(xié)同形成網(wǎng)絡，能夠靈活覆蓋井下復雜區(qū)域，是保障礦井安全生產、提升作業(yè)效率的關鍵技術支撐。

2、如公告號為cn110913448b公開了一種多模自組網(wǎng)無線工作模式切換方法及存儲介質，包括以下步驟：對lte鏈路進行監(jiān)測，獲取lte鏈路的特征值；將特征值與基準值進行比對，判斷l(xiāng)te鏈路的特征值是否低于基準值；當特征值低于基準值，則啟動mesh模塊。通過對lte鏈路的通信進行監(jiān)測，當監(jiān)測到lte鏈路中的特征值低于基準值的時候，進行啟動mesh模塊，對mesh模塊的啟動進行預判，使得mesh模塊快速啟動，解決了當let鏈路斷開網(wǎng)絡后，再進行mesh模塊啟動重建連接速度慢的問題。

3、針對上述及現(xiàn)有的相關技術，發(fā)明人認為往往存在以下缺陷：相關自組網(wǎng)設備往往僅支持單一模式傳輸數(shù)據(jù)，導致其使用場景受到明顯限制，難以適應礦井內多樣的環(huán)境條件，傳統(tǒng)礦用wifi（如2.4g/5.8g）雖具備較高帶寬，能滿足高數(shù)據(jù)量傳輸需求，但穿透性較差，在巷道拐角等區(qū)域易因信號遮擋形成通信盲區(qū)，影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪B續(xù)性與穩(wěn)定性。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明要解決的技術問題是：現(xiàn)有技術中存在相關自組網(wǎng)設備僅支持單一傳輸模式而受限，傳統(tǒng)礦用wifi雖帶寬高但穿透性差，易在巷道拐角形成盲區(qū)，影響傳輸連續(xù)性與穩(wěn)定性的缺點，為此我們提出了一種礦用自組網(wǎng)雙頻段切換方法及系統(tǒng)。

2、為了實現(xiàn)上述目的，本技術采用了如下技術方案：一種礦用自組網(wǎng)雙頻段切換方法，包括以下實施步驟：s1、基于預加載的巷道三維數(shù)字模型，5.8g模塊和1.4g模塊在設備布撒時同步激活，通過慣性導航設備和uwb定位設備確定自組網(wǎng)模塊設備在巷道中的坐標，由電路板集成芯片生成初始網(wǎng)絡拓撲圖，建立雙頻段通信基準；s2、5.8g模塊實時監(jiān)測高頻段帶寬指標，1.4g模塊采集低頻段穿透性參數(shù)，同時電池模塊上報剩余電量，電路板集成芯片融合包括5.8g信號強度、5.8g信噪比、傳輸延遲倒數(shù)、1.4g誤碼率倒數(shù)、巖層穿透因子、干擾脈沖倒數(shù)、巷道拓撲權重、移動穩(wěn)定性和電量平方根在內的9項參數(shù)動態(tài)計算鏈路評分，重點檢測巷道拐角處的拓撲權重變化與電機車火花干擾脈沖；s3、當鏈路評分低于閾值時，電路板集成芯片根據(jù)巷道拓撲特征觸發(fā)切換：在直線巷道中關閉1.4g模塊，由5.8g模塊獨占傳輸；在拐角區(qū)域停用5.8g模塊，切換至1.4g模塊抗衰減傳輸；干擾環(huán)境下雙模式并行工作——1.4g模塊傳輸控制指令，5.8g模塊傳輸視頻數(shù)據(jù)流；s4、電路板集成芯片控制目標模塊提前建立冗余鏈路，通過雙模塊共享緩存區(qū)暫存3秒待傳數(shù)據(jù)，切換過程中新舊模塊并行傳輸5個數(shù)據(jù)包，接收端重組后驗證新鏈穩(wěn)定性，最終釋放舊模塊資源；s5、所有設備通過5.8g模塊每秒10廣播自身狀態(tài)，低電量設備由電路板集成芯片觸發(fā)代理請求，鄰居節(jié)點接管其5.8g模塊高功耗傳輸，最終通過web后臺可視化全網(wǎng)雙頻段切換狀態(tài)與電池模塊續(xù)航時間。

3、優(yōu)選的，s1中，環(huán)境建模與雙模塊初始化的具體實施步驟如下：s11、巷道數(shù)字模型預加載與校驗：在設備布撒前，將包含巷道拐角坐標、坡度梯度、巖層厚度及障礙物分布的三維數(shù)字模型預載至電路板集成芯片的存儲單元，并通過crc校驗確保模型數(shù)據(jù)完整性，為后續(xù)定位提供空間基礎；s12、雙頻模塊協(xié)同激活與定位啟動：設備布撒時電路板集成芯片同步激活5.8g模塊和1.4g模塊的射頻電路，同時啟動關系導航設備與uwb定位設備，通過運動軌跡推算與到達時間差定位融合計算自組網(wǎng)模塊設備實時坐標；s13、巷道空間坐標動態(tài)標定：電路板集成芯片每200ms接收一次慣性導航設備的姿態(tài)數(shù)據(jù)與uwb定位設備的距離測量值，采用擴展卡爾曼濾波算法將設備運動軌跡映射到巷道三維模型中，輸出精確到厘米級的巷道位置標簽；s14、雙頻通信基準建立：基于標定的巷道坐標，電路板集成芯片執(zhí)行以下動作：為5.8g模塊配置初始信道；為1.4g模塊設置穿透補償功率；雙模塊同步發(fā)送信標幀宣告網(wǎng)絡存在；s15、自組網(wǎng)拓撲圖生成：電路板集成芯片收集鄰節(jié)點信標幀中的坐標與頻段參數(shù)，結合巷道模型的空間約束關系，構建帶權重因子的初始拓撲圖。

4、優(yōu)選的，s2中，動態(tài)鏈路質量評估的具體實施步驟如下：s21、高頻段帶寬指標實時采集：5.8g模塊通過內置頻譜分析單元持續(xù)掃描工作信道，每100ms采集一組傳輸質量參數(shù)，包括接收信號強度指示、信噪比、空口傳輸延遲及多徑干擾比例，并通過spi接口上報至電路板集成芯片的緩存寄存器；s22、低頻段穿透性參數(shù)監(jiān)測：1.4g模塊啟動窄帶濾波接收模式實時測量誤碼率和巖層信號衰減值，同步檢測電機車火花干擾脈沖，當干擾持續(xù)超100ms時觸發(fā)告警標志位，通過總線傳輸至電路板集成芯片；s23、設備能耗狀態(tài)反饋：電池模塊的計量芯片每5秒采集一次電池電壓、電流及溫度數(shù)據(jù)，計算剩余電量百分比和預估續(xù)航時間，通過adc通道將量化結果輸入電路板集成芯片的能耗管理單元；s24、巷道拓撲權重動態(tài)計算：電路板集成芯片調用預加載巷道模型，根據(jù)設備當前坐標與最近拐角的距離、巖層厚度及坡度數(shù)據(jù)，計算拓撲環(huán)境加權系數(shù)；s25、多參數(shù)融合與鏈路評分生成：電路板集成芯片的協(xié)處理器執(zhí)行加權融合算法：將包括5.8g信號強度、5.8g信噪比、傳輸延遲倒數(shù)、1.4g誤碼率倒數(shù)、巖層穿透因子、干擾脈沖倒數(shù)、巷道拓撲權重、移動穩(wěn)定性和電量平方根在內的9項參數(shù)歸一化處理后，乘以場景自適應系數(shù)，輸出0-100分的動態(tài)鏈路質量評分并寫入狀態(tài)寄存器。

5、優(yōu)選的，s25中，加權融合算法的計算公式如下：

6、，式中：s表示綜合評分；ψ表示全局歸一化因子；k表示求和索引變量，用于標識不同的樣本點或類別；ωk表示第k個數(shù)據(jù)點參數(shù)的權重；ζk表示第k個實時采集的礦井通信質量數(shù)據(jù)點輸入值；ηk表示第k個礦井通信質量數(shù)據(jù)點閾值；τk表示第k個數(shù)據(jù)點參數(shù)的敏感調節(jié)因子。

7、優(yōu)選的，s3中，雙模塊協(xié)同決策切換的具體實施步驟如下：s31、切換閾值判定與場景識別：當電路板集成芯片檢測到鏈路評分持續(xù)3秒低于預設閾值，立即調用預加載巷道模型匹配當前坐標特征，通過三維空間坐標判斷設備位于直線段、拐角或者干擾區(qū)，輸出場景分類指令至切換控制單元；s32、直線巷道高頻獨占模式執(zhí)行：若場景識別為直線巷道，電路板集成芯片向1.4g模塊發(fā)送休眠指令，同時提升5.8g模塊發(fā)射功率并切換信道帶寬，由該模塊獨占傳輸所有數(shù)據(jù)流；s33、拐角區(qū)域低頻抗衰減切換：當坐標落入到拐角范圍，電路板集成芯片強制停止5.8g模塊傳輸，激活1.4g模塊的穿透性增強模式，將全部業(yè)務切換到低頻段傳輸；s34、干擾環(huán)境雙頻段并行分流：偵測到電機車火花干擾脈沖或鏈路評分驟降超50%，電路板集成芯片啟動雙頻段協(xié)同協(xié)議：在1.4g模塊設置qos策略，在5.8g模塊啟用視頻專用隊列，通過硬件分流引擎按7:3比例分配數(shù)據(jù)流；s35：切換結果反饋與可視化：完成模式切換后，電路板集成芯片通過5.8g模塊廣播狀態(tài)變更消息，同步將切換日志上傳至web后臺，在巷道三維拓撲圖中實時渲染頻段切換軌跡。

8、優(yōu)選的，s4中，柔性切換執(zhí)行的具體實施步驟如下：s41、目標頻段冗余鏈路預建立：當電路板集成芯片判定需要切換頻段時，首先向目標模塊發(fā)送建鏈指令，在保持當前鏈路工作的同時，通過握手協(xié)議與接收端建立毫秒級備用鏈路，并完成時隙同步與調制參數(shù)協(xié)商；s42、雙模塊共享緩存區(qū)數(shù)據(jù)暫存：電路板集成芯片啟動雙模塊共享的ddr緩存區(qū)，將待傳輸數(shù)據(jù)包按3毫秒傳輸量預存入緩存隊列，同時寫入時間戳與序列號，確保切換期間數(shù)據(jù)持續(xù)生成不中斷；s43、新舊頻段并行傳輸執(zhí)行：切換觸發(fā)期間，電路板集成芯片控制新舊模塊同時從共享緩存區(qū)讀取數(shù)據(jù)：舊模塊傳輸緩存區(qū)前3個數(shù)據(jù)包，新模塊傳輸后2個數(shù)據(jù)包，通過物理層分流器實現(xiàn)雙頻段并發(fā)發(fā)射；s44、接收端數(shù)據(jù)重組與驗證：接收端設備通過雙頻天線同步接收數(shù)據(jù)包，由基帶處理器按序列號重組完整數(shù)據(jù)流，重組成功后連續(xù)向發(fā)送端返回3次ack確認，若2秒內未收到ack則觸發(fā)電路板集成芯片回退至原頻段傳輸；s45、舊模塊資源釋放與優(yōu)化：收到接收端ack確認后，電路板集成芯片立即關閉舊模塊射頻功放，但保留基帶電路監(jiān)聽狀態(tài)300ms以防回退，最終更新拓撲圖為新頻段鏈路，并將釋放的功耗配額分配給活躍模塊。

9、優(yōu)選的，s4中，接收端基于lsi動態(tài)分級決策模型算法驗證新鏈穩(wěn)定性，其計算公式如下：

10、，式中：i表示循環(huán)變量，用于遍歷公式中的每一組參數(shù)，取為1到5；表示第i個數(shù)據(jù)包的接收狀態(tài)，成功接收時取值為1，接收失敗時取值為0；表示傳輸時延，即第i個數(shù)據(jù)包從發(fā)送端到接收端的端到端傳輸時間，單位為毫秒；μ表示時延基準值，即作為時延的參考基準值，反映正常場景下的典型傳輸時延，計算方式為取最近5個數(shù)據(jù)包傳輸時延的中位數(shù)；σ表示時延容忍半徑，即表示時延允許的波動范圍，即傳輸時延偏離基準值μ的最大允許程度，單位為毫秒；表示信號強度值；表示最大信號參考值；表示時間抖動因子。

11、優(yōu)選的，lsi動態(tài)分級決策模型算法驗證新鏈穩(wěn)定性的判定規(guī)則如下：當lsi≥0.8時，則新鏈路穩(wěn)定，釋放舊模塊資源；當0.6≤lsi＜0.8時，則繼續(xù)并行傳輸5個數(shù)據(jù)包并重新評估；當lsi＜0.6時，則判定新鏈路不穩(wěn)定，回退到舊鏈路。

12、優(yōu)選的，s5中，群體協(xié)同優(yōu)化與狀態(tài)監(jiān)控的具體實施步驟如下：s51、全網(wǎng)狀態(tài)周期廣播：所有設備通過5.8g模塊每秒10次廣播精簡狀態(tài)幀，幀結構包含設備坐標、當前主傳輸頻段、電池模塊剩余電量百分比、信道負載率及拓撲權重值，廣播信道采用固定公共頻點；s52、低電量代理請求觸發(fā)：當電路板集成芯片檢測到電池模塊電量持續(xù)低于20%超5秒，立即通過1.4g模塊發(fā)送代理請求加密幀，包含需代理的5.8g高功耗業(yè)務類型、數(shù)據(jù)傳輸速率要求及預估代理時長；s53、鄰居節(jié)點動態(tài)響應接管：收到代理請求的鄰居節(jié)點，其電路集成芯片執(zhí)行三步響應：首先校驗自身負載余量，隨后通過5.8g模塊建立直達請求節(jié)點的點對點鏈路，最后接管指定業(yè)務流；s54、代理傳輸能耗優(yōu)化執(zhí)行：代理節(jié)點啟動雙頻端協(xié)同傳輸：原始低電量節(jié)點的1.4g模塊僅傳輸控制指令，代理節(jié)點的5.8g模塊全權負責高功耗視頻流傳輸，同時電路板集成芯片動態(tài)壓縮視頻碼率以延長代理可持續(xù)時間；s55、全網(wǎng)狀態(tài)可視化閉環(huán)：所有設備的狀態(tài)廣播數(shù)據(jù)及代理事件日志，通過骨干節(jié)點匯聚至礦用web后臺，后臺引擎實時渲染三項核心視圖：巷道拓撲熱力圖、設備電量狀態(tài)進度條、代理關系鏈路箭頭，每30秒生成全網(wǎng)能耗分析報告。

13、進一步地，本發(fā)明提供另一種優(yōu)選技術方案：一種礦用自組網(wǎng)雙頻段切換系統(tǒng)，使用上述任意一項礦用自組網(wǎng)雙頻段切換方法，包括：雙頻段射頻收發(fā)模塊：包含獨立的5.8g頻段和1.4g頻段收發(fā)單元，分別負責高頻段和低頻段無線信號的調制、解調、功率放大及濾波處理；基帶信號處理模塊：用于負責對射頻收發(fā)模塊輸出的模擬信號進行模數(shù)轉換和數(shù)模轉換，實現(xiàn)基帶信號的編碼、解碼、交織、解交織在內的底層處理；協(xié)議處理控制模塊：用于集成礦用自組網(wǎng)專用通信協(xié)議棧，負責網(wǎng)絡拓撲管理、路由尋址、設備接入認證及數(shù)據(jù)轉發(fā)策略制定；頻段切換控制模塊：用于基于實時采集的信號強度、信噪比、誤碼率在內的參數(shù)，動態(tài)判斷當前頻段的通信質量；多頻段天線模塊：包含兩組獨立天線陣列，分別對應5.8g和1.4g頻段，每組天線集成發(fā)射天線和接收天線，5.8g天線陣列采用高增益定向天線提升高頻段信號傳輸效率，1.4g天線陣列采用全向或智能天線增強低頻段信號覆蓋范圍；電源管控模塊：用于負責系統(tǒng)電源的輸入轉換、穩(wěn)壓及分配，支持礦用本安型電源輸入，通過dc-dc轉換器為各模塊提供穩(wěn)定的3.3v或1.2v低壓供電，同時集成動態(tài)功耗控制功能，根據(jù)系統(tǒng)負載和頻段工作狀態(tài)調整模塊供電電壓和電流；環(huán)境適配抗干擾模塊：用于針對礦井環(huán)境中的電磁噪聲、機械振動、粉塵潮濕在內的干擾因素，集成信號濾波電路、屏蔽接地設計及自適應均衡技術，通過實時監(jiān)測環(huán)境噪聲參數(shù)，動態(tài)調整射頻前端匹配電路和基帶信號解調門限；數(shù)據(jù)存儲配置模塊：用于存儲系統(tǒng)運行參數(shù)、固件程序及歷史通信日志，支持本地配置文件的讀寫和遠程參數(shù)更新；狀態(tài)監(jiān)測診斷模塊：用于實時采集各模塊的工作狀態(tài)參數(shù)，通過內置的自檢算法檢測硬件故障和軟件異常，當檢測到異常時，主動觸發(fā)故障隔離機制，并向管理系統(tǒng)上報故障信息；可視化監(jiān)控模塊：用于將四天線工作模式、雙頻段負載、電池狀態(tài)實時上傳至礦用web后臺，在巷道三維地圖中渲染。

14、本發(fā)明的技術效果和優(yōu)點：本發(fā)明中，通過采用5.8gwifi與1.4g專網(wǎng)雙模塊數(shù)據(jù)傳輸方案，利用雙頻段協(xié)同工作實現(xiàn)多樣化傳輸模式以適應不同場景，其借助雙模塊協(xié)同激活與定位，結合環(huán)境信息構建網(wǎng)絡拓撲，實時監(jiān)測5.8g高頻段帶寬與1.4g低頻段穿透性參數(shù)，動態(tài)評估鏈路質量，依據(jù)巷道場景特征在直線巷道、拐角區(qū)域等不同環(huán)境下靈活切換傳輸模式，實現(xiàn)高帶寬與強穿透能力的動態(tài)優(yōu)化，同時通過簡便快捷的部署方式完成設備布設；雙頻段協(xié)同工作使傳輸速度快且具備強穿透性，多樣化傳輸模式能適應不同場景應用需求，簡便的部署方式有效節(jié)省了人力成本，整體提升了礦用自組網(wǎng)在復雜環(huán)境下的通信適應性與實用性。