超遠程、多元ADCP數據傳輸電臺的實現

［關鍵詞］ADCP 數據傳輸；超遠程電臺；多元數據傳輸；5G 網絡；WiFi 電臺

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

為了應對野外環境中的5G信號不穩定或缺失等問題，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，無縫連接5G和WiFi網絡，確保在任何信號環境下都能保持ADCP（聲學多普勒流速儀）數據的連續采集。本研究的貢獻在于創新性地融合了5G和WiFi網絡，打造出一款適應性強、靈活性高的ADCP數據傳輸解決方案，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數據傳輸現狀及問題

ADCP是一種利用聲學多普勒原理測量水流速度的儀器。其通過向水中發射聲波脈沖，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ADCP的數據通信采用的是藍牙電臺或傳統的數據電臺，這些電臺作為早期的主要通信手段，盡管為實時數據采集提供了初步的解決方案，但其在實際應用中暴露出一系列局限性，嚴重制約了水文測報的效率和精度。

藍牙技術以其便捷性和易用性在小范圍通信中占據一席之地，但其通信距離通常不超過100m，難以適應大范圍水體監測的需求。此外，藍牙的帶寬相對較小，數據傳輸速率受到限制，對于ADCP產生的大量高密度數據來說，傳輸效率低下。

傳統數據電臺（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。在一些偏遠或地形復雜地區，信號可能會受到地形遮擋或衰減，導致數據傳輸不穩定，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備來說，電池續航能力成為一大挑戰。

25G數據傳輸電臺的設計與實現

5G數據傳輸電臺可將ADCP獲取的數據實現高速、穩定且無距離限制的傳輸。5G網絡在MIMO（多進多出）和OFDM技術基礎上，采用LDPC碼、Polar碼等新型信道編碼方案，性能更強的大規模天線技術，以及短幀、快速反饋、多層/多站數據重傳等技術，使得數據在空氣中以高速率、低延遲及高穩定性傳輸。在硬件設計上，電臺配備了一個高性能的5G模塊，能夠連接任意5G運營商的網絡，確保信號在覆蓋區域內始終可用。

然而，5G網絡并非在所有環境下都能保證連續覆蓋。尤其是在5G信號不穩定或缺失的區域，單純依賴5G網絡可能無法保證數據的連續采集。因此，本研究通過結合WiFi電臺模塊和單片機智能切換技術，構建了一種能夠自動適應不同信號環境的多元數據傳輸電臺，進一步提升了數據采集的可靠性和靈活性。

35G/WiFi混合數據傳輸電臺的設計與實現

3.1混合數據傳輸系統架構

混合數據傳輸系統架構的核心是將5G網絡的高速、穩定及無距離限制特性與WiFi電臺模塊的本地傳輸優勢相結合，通過單片機的智能網絡切換，確保在任何信號環境下都能實現ADCP數據的無縫、高效采集及傳輸。

系統架構由3個主要部分組成：數據采集模塊、混合傳輸模塊及網絡切換模塊。數據采集模塊是電臺的前端，負責與ADCP連接，實時接收并解析數據。數據經過壓縮處理后，通過5G電臺和WiFi電臺這兩種不同的傳輸路徑進行發送。

該系統中，單片機作為數據傳輸的“大腦”，負責實時監測5G和WiFi信號的強度。當5G信號較強時，單片機將控制ADCP獲取的數據通過5G電臺進行數據傳輸，享受高速穩定的網絡服務。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獲取的數據傳輸，傳輸距離可達800m。通過這種方式，即使在5G網絡不可用時，ADCP數據的采集也不會中斷，確保了數據的連續性和完整性。

混合數據傳輸系統架構的創新之處在于將5G和WiFi技術融合，通過智能網絡切換技術，實現了對不同信號環境的無縫適應。

3.25G與WiFi切換邏輯設計

在實現超遠程、多元ADCP數據傳輸電臺時，5G與WiFi的切換邏輯設計是確保系統穩定、高效運行的關鍵。

系統中內置的單片機是網絡監測和控制的中樞神經，負責實時檢測5G和WiFi信號的強度和穩定性，通過信號強度比較算法，評估當前可用網絡的質量。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定性，以避免頻繁切換帶來的數據傳輸中斷風險。

當單片機檢測到5G信號強度高于預設閾值時，會指示系統使用5G電臺進行數據傳輸。5G網絡的高速度和穩定性使得數據能夠快速、高效地上傳至云端服務器，從而實現實時數據的遠程采集。同時，單片機將不斷監測5G信號，如果信號強度下降到臨界值，會預先啟動WiFi電臺，做好切換準備。

當5G信號強度持續下降，低于預設的切換閾值時，單片機將立即觸發網絡切換，將數據傳輸任務移交給WiFi電臺，確保數據的連續采集。切換過程中，單片機需要管理好數據緩沖，避免在切換過程中出現數據丟失。

為了應對5G信號完全消失的情況，系統設計了WiFi電臺的獨立工作模式。當單片機檢測到5G信號長時間不可用時，會將系統切換至WiFi模式，并通過擴頻技術或增加天線增益來增強WiFi信號的穿透力和覆蓋范圍。在本地網絡中，WiFi電臺能夠保證數據的穩定傳輸，直到5G信號恢復。

在實際應用中，該切換邏輯設計需要不斷地學習和優化。通過收集不同環境下的網絡性能數據，單片機可以調整其信號強度閾值和切換策略，以適應各種復雜環境和可能的干擾因素。例如，通過機器學習算法，單片機可以預測網絡條件，并提前進行切換，以減少切換過程中可能的數據丟失。

總體而言，5G與WiFi的切換邏輯設計是通過單片機的實時監控和智能決策，結合先進的網絡管理和數據處理技術來實現的。這種設計確保了無論在何種網絡環境下，ADCP數據采集和傳輸始終穩定、高效，為現代水文測驗的實時性和可靠性提供了堅實的技術保障。通過不斷的優化和學習，這套切換邏輯有望在未來的應用中更加智能化，為水文測驗的自動化和遠程化帶來更大的進步。

3.3系統性能測試與分析

在實驗室環境下模擬了理想條件下的數據傳輸，以評估5G數據傳輸電臺的理論性能。測試結果顯示，5G電臺在穩定環境下能夠實現近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，涵蓋了各種復雜環境，包括山區、城市建筑物密集區及偏遠地區。在這些測試中，單片機智能切換技術能夠有效地在5G和WiFi網絡之間無縫切換，即使在5G信號微弱或缺失的情況下，系統也能自動切換到WiFi電臺，保持數據采集的連續性。測試數據顯示，即使在信號較弱的環境下，WiFi電臺仍能保證平均5Mbps的穩定傳輸速率，滿足了ADCP數據的基本傳輸需求。

在可靠性測試中，對系統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波動的情況下。結果顯示，這套電臺系統在各種情況下都能保持穩定運行，故障率低，電池續航時間長達數小時，遠超傳統數據電臺，這在一定程度上減少了外業人員的維護負擔。

性能測試結果證實了超遠程、多元ADCP數據傳輸電臺的設計與實現達到了預期目標，展現出優越的性能和出色的適應性。

4結束語

文中成功設計了一種超遠程、多元的ADCP數據傳輸電臺，其借助5G網絡的高速度、穩定性和無距離限制，以及WiFi電臺模塊的本地覆蓋能力，結合單片機智能切換技術，顯著提升了數據采集的實時性、可靠性及適應性。試驗結果顯示，這套系統在數據傳輸速率、延遲、抗干擾能力、多任務處理及網絡環境的適應性方面，均優于傳統藍牙電臺和有線連接，為現代水文測驗提供了高效的數據傳輸解決方案。隨著技術的不斷進步，這套系統將在未來的水文測驗中發揮更大作用，推動水文監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據支持。