本發(fā)明涉及通信模塊，具體為一種適用于集中器的4g通信模塊。

背景技術(shù)：

1、隨著物聯(lián)網(wǎng)(iot)技術(shù)的迅速發(fā)展和智能化需求的不斷增加，集中器作為數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)暮诵脑O(shè)備，在智能電網(wǎng)、智能水務(wù)、智能燃?xì)獾榷鄠€行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。集中器通常部署在現(xiàn)場，負(fù)責(zé)收集終端設(shè)備(如智能電表、水表、燃?xì)獗淼?所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)中心進(jìn)行處理和分析。因此，集中器的通信性能直接影響到整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸效率和可靠性。

2、傳統(tǒng)的集中器通信技術(shù)主要依賴于有線網(wǎng)絡(luò)(如rs485、plc)或低速率的無線網(wǎng)絡(luò)(如2g、3g)。有線網(wǎng)絡(luò)雖然在某些場景下具有較高的穩(wěn)定性和抗干擾能力，但其布線復(fù)雜、施工難度大、維護(hù)成本高，尤其在大規(guī)模部署時更是如此。此外，有線網(wǎng)絡(luò)的安裝位置受限，難以適應(yīng)環(huán)境復(fù)雜、距離較遠(yuǎn)的場景。而2g/3g無線網(wǎng)絡(luò)雖然在某種程度上解決了布線問題，但其傳輸速率較低、延遲較大，難以滿足高頻數(shù)據(jù)采集和實時控制的需求。隨著全球各地逐步淘汰2g/3g網(wǎng)絡(luò)，這些技術(shù)面臨著越來越多的局限性。

3、近年來，隨著4glte(longtermevolution)網(wǎng)絡(luò)的普及，高速率、低時延、廣覆蓋的4g通信技術(shù)成為了解決集中器通信瓶頸的理想選擇。4glte技術(shù)在傳輸速率方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的2g/3g網(wǎng)絡(luò)，能夠達(dá)到數(shù)百mbps的下行速率和數(shù)十mbps的上行速率，這使得大量數(shù)據(jù)的實時傳輸成為可能。此外，4g網(wǎng)絡(luò)的低時延特性(通常在10ms以下)使得實時監(jiān)控、故障診斷和快速響應(yīng)等功能得以實現(xiàn)。同時，4g網(wǎng)絡(luò)的廣覆蓋性和深度覆蓋能力，尤其在一些信號較為薄弱的區(qū)域，如地下室、偏遠(yuǎn)山區(qū)等，也具有顯著的優(yōu)勢。

4、然而，4g通信模塊的應(yīng)用在集中器中仍然面臨著一系列挑戰(zhàn)。首先，集中器通常安裝在環(huán)境條件較為惡劣的現(xiàn)場，例如戶外或工業(yè)場景中，溫度、濕度、振動、電磁干擾等因素都會對通信模塊的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。因此，4g通信模塊必須具備較強的抗干擾能力和環(huán)境適應(yīng)性，以保證其在各種復(fù)雜環(huán)境下的可靠工作。其次，由于集中器往往依賴電池供電或太陽能等有限的電源，4g通信模塊的功耗管理成為了一個關(guān)鍵問題。如何在保證通信性能的前提下，最大限度地降低功耗，從而延長設(shè)備的運行時間，是設(shè)計4g通信模塊時需要重點考慮的因素。

5、此外，隨著數(shù)據(jù)安全問題的日益突出，尤其是在智能電網(wǎng)等關(guān)乎國計民生的重要領(lǐng)域，4g通信模塊在數(shù)據(jù)傳輸過程中的安全性也成為一個不可忽視的環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的通信加密方式在面對復(fù)雜多變的網(wǎng)絡(luò)攻擊時顯得力不從心，因此，如何提升數(shù)據(jù)的加密強度、防止數(shù)據(jù)篡改、確保數(shù)據(jù)的完整性和保密性，是4g通信模塊設(shè)計中必須解決的問題。

6、在此背景下，本發(fā)明提出了一種適用于集中器的4g通信模塊，旨在通過先進(jìn)的硬件設(shè)計和優(yōu)化的軟件算法，解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的傳輸速率低、網(wǎng)絡(luò)覆蓋差、數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定和安全性不足等問題。該模塊在硬件方面采用了高性能的4g通信芯片，支持多頻段、多模網(wǎng)絡(luò)，并通過合理的天線設(shè)計和功耗管理，確保其在各種復(fù)雜環(huán)境中的穩(wěn)定運行；在軟件方面，模塊內(nèi)置了優(yōu)化的數(shù)據(jù)傳輸算法和增強的加密機制，以提高數(shù)據(jù)傳輸效率和安全性。此外，模塊還支持遠(yuǎn)程固件更新功能，確保其在整個生命周期內(nèi)的持續(xù)穩(wěn)定運行。

7、綜上所述，本發(fā)明的4g通信模塊為集中器在智能電網(wǎng)、智能水務(wù)、智能燃?xì)獾刃袠I(yè)中的應(yīng)用提供了一個高效、可靠和安全的通信解決方案，有望在推動物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用和提升行業(yè)智能化水平方面發(fā)揮重要作用。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種適用于集中器的4g通信模塊，所述模塊包括：

2、4g通信芯片：用于實現(xiàn)4glte網(wǎng)絡(luò)的接入與數(shù)據(jù)傳輸，支持多頻段和多模網(wǎng)絡(luò)；

3、電源管理單元：用于為所述4g通信模塊提供穩(wěn)定的電源輸入，并控制模塊在待機狀態(tài)下的功耗；

4、天線單元：包括內(nèi)置天線和外接天線接口，內(nèi)置天線用于緊湊空間的應(yīng)用，外接天線接口用于增強信號接收能力；

5、數(shù)據(jù)接口：用于與集中器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，支持rs485、uart、spi等標(biāo)準(zhǔn)化接口；

6、嵌入式軟件系統(tǒng)：支持協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)加密、錯誤校正和遠(yuǎn)程固件更新功能；

7、sim卡槽：支持標(biāo)準(zhǔn)sim卡和esim。

8、作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，所述嵌入式軟件系統(tǒng)中包含一個用于優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃惴?，其步驟包括：

9、(a)對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，生成數(shù)據(jù)包pi；

10、使用下述公式對數(shù)據(jù)包進(jìn)行加密：

11、

12、其中，e(pi)為加密后的數(shù)據(jù)包，k為加密密鑰，表示異或運算；

13、將加密后的數(shù)據(jù)包通過4g通信芯片發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)。

14、作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，所述嵌入式軟件系統(tǒng)支持自適應(yīng)錯誤校正算法，該算法包括：

15、計算每個數(shù)據(jù)包的校驗和ci：

16、

17、其中，pij為數(shù)據(jù)包pi的第j字節(jié)，n為數(shù)據(jù)包的字節(jié)數(shù)；(b)在數(shù)據(jù)包傳輸過程中監(jiān)測錯誤，若檢測到錯誤，則重新傳輸數(shù)據(jù)包pi。

18、作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，所述天線單元的外接天線接口支持多種類型的高增益天線，以增強不同環(huán)境下的信號接收能力。

19、作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，所述電源管理單元包括一個低功耗模式，該模式通過降低4g通信芯片的工作頻率和關(guān)閉部分功能單元來減少功耗。

20、作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，所述模塊支持遠(yuǎn)程固件更新功能，所述更新過程包括以下步驟：

21、(a)接收來自遠(yuǎn)程服務(wù)器的固件更新包；

22、(b)對更新包進(jìn)行驗證，使用如下公式計算其哈希值：

23、h(f)＝sha-256(f)

24、其中，h(f)為固件更新包f的哈希值；

25、(c)若驗證通過，則執(zhí)行更新操作。

26、作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，所述數(shù)據(jù)接口的配置可通過嵌入式軟件系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，以支持不同的通信協(xié)議和數(shù)據(jù)格式。

27、作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，所述模塊的嵌入式軟件系統(tǒng)內(nèi)置一個數(shù)據(jù)流優(yōu)化算法，該算法包括以下步驟：(a)監(jiān)測當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)帶寬bt；

28、(b)根據(jù)帶寬情況調(diào)整數(shù)據(jù)包大小ps，調(diào)整公式如下：

29、

30、其中，t為傳輸時間窗口，n為要發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)。

31、作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，所述電源管理單元包括一個智能休眠功能，在無數(shù)據(jù)傳輸時自動進(jìn)入低功耗狀態(tài)，并在有數(shù)據(jù)傳輸需求時快速喚醒。

32、作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，所述模塊的sim卡槽支持多運營商網(wǎng)絡(luò)切換，以確保在不同地區(qū)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋和連接穩(wěn)定性。

33、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在以下幾個方面：

34、首先，本發(fā)明的4g通信模塊通過采用先進(jìn)的4glte通信芯片和多頻段、多模網(wǎng)絡(luò)支持，大幅提升了數(shù)據(jù)傳輸速率和網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力。這使得集中器能夠在更廣泛的區(qū)域內(nèi)穩(wěn)定工作，滿足了高頻數(shù)據(jù)采集和實時監(jiān)控的需求。此外，模塊的天線設(shè)計與電源管理優(yōu)化相結(jié)合，在各種復(fù)雜環(huán)境中也能保證可靠的通信性能和較長的續(xù)航時間。

35、其次，本發(fā)明通過嵌入式軟件系統(tǒng)的優(yōu)化，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝院桶踩?。模塊內(nèi)置的數(shù)據(jù)加密算法、錯誤校正算法和數(shù)據(jù)流優(yōu)化算法，不僅提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和可靠性，還確保了數(shù)據(jù)在傳輸過程中的安全性。特別是模塊支持的遠(yuǎn)程固件更新功能，進(jìn)一步增強了系統(tǒng)的長期穩(wěn)定性和維護(hù)便利性。

36、最后，本發(fā)明的4g通信模塊具有很強的適應(yīng)性和靈活性。其多種標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)接口(如rs485、uart、spi等)和對多種通信協(xié)議的支持，使其能夠無縫集成到不同的集中器系統(tǒng)中。此外，模塊的sim卡槽支持多運營商網(wǎng)絡(luò)切換，確保在不同地區(qū)的網(wǎng)絡(luò)連接穩(wěn)定性，進(jìn)一步提升了模塊的適用范圍和實用性。