以太網技術在ROV通信系統中的應用研究*

綦聲波，蘇志坤，江文亮

(1.中國海洋大學 工程學院，山東 青島 266100；2.青島森科特智能儀器有限公司，山東 青島 266100)

0 引 言

隨著陸地資源的枯竭，海洋資源的開發利用對人類的發展越趨重要[1-3]。ROV是一種水下有纜遙控機器人，因其具有安全、高效、靈活、能長時間在水下作業等特點，目前已經成為海洋資源勘探開發必不可少的工具。ROV系統一般分為水面控制平臺、臍帶纜和水下潛體3部分[4]。臍帶纜除了能給水下潛體供電外，還是水面控制平臺和水下潛體間的通信信道，即兩者之間視頻、數據、控制信號交換都是經過臍帶纜進行的。通信系統一旦工作失效，水下潛體將失去控制從而導致作業失敗，所以ROV對通信系統的穩定性和可靠性有著極高的要求。

以往的ROV通信系統，多采用混合通道，即視頻采用模擬信號單獨傳輸，數據和控制命令采用另外的導線。這種方式存在著一些弊端：(1)多通道設計，占用了較多導線，容易導致臍帶纜線徑變粗，成本上升；(2)模擬視頻信號易受干擾，特別是數據交換或供電電流發生變化時，往往會出現雪花、條紋、變色等失真現象。

為此，本文針對所設計的淺水ROV系統，利用工業以太網通信成熟穩定的特點[5]，設計基于以太網通信技術的ROV視頻、數據、控制信號綜合傳輸的通信系統。

1 通信系統需求及總體設計

1.1 通信系統功能需求分析

ROV在工作時，水下潛體除了要根據控制信號完成作業任務外，還需要不斷地向水面控制平臺傳輸視頻信號和數據信號；而水面控制平臺則需要實時播放視頻和顯示水下潛體返回的數據，并根據作業人員的操縱向水下潛體下發控制信號。這就要求通信系統必須具備視頻、數據和控制信號全雙工并行傳輸的功能。其次，為保證水下潛體的作業質量，作業人員必須要能夠實時地觀測水下周圍環境的視頻，即在水下潛體上會安裝多個攝像頭從不同的角度對水下環境進行觀測，這就要求通信系統必須具備在短時間內完成多路模擬視頻信號或網絡視頻信號的遠距離有線傳輸的功能。最后，由于水下潛體的密封艙空間大小有限，只能使用小型的通信設備來進行信息的高速率傳輸。

1.2 通信系統總體結構

在以往的ROV通信系統中，數據和控制信號通常是采用兩線制的RS485進行傳輸，視頻信號則是以模擬視頻信號的形式進行傳輸[6-7]。在這種情況下，數據和控制信號只能實現遠距離半雙工傳輸；對于模擬視頻信號傳輸，當需要傳輸多路視頻信號時，需要增加臍帶纜的芯數或在電路中增加視頻信號選通電路，增加通信系統的硬件成本和復雜度。

基于以太網通信的ROV通信系統如圖1所示。

圖1 ROV通信系統結構

對于視頻信號，本研究對前、后攝像頭均采用網絡攝像頭直接與小型交換機連接，將網絡視頻信號經過小型交換機和無線路由器傳輸至終端設備；對于數據信號，本研究采用串口服務器將微控制器輸出串口量轉化為以太網信號，經過小型交換機和無線路由器傳輸至終端設備；對于控制信號，作業人員輸入的控制命令經過無線路由器和小型交換機傳輸至串口服務器，串口服務器再將控制信號(以太網信號)轉化為串口量給微控制器控制水下潛體的運動。終端設備只需與水下潛體各個設備的IP地址建立連接，即可與該設備進行信號交換。該通信系統本質是在水面控制平臺和水下潛體之間搭建一個星型拓撲結構的局域網，視頻、數據、控制信號可共用小型交換機到無線路由器這一鏈路，即臍帶纜中無需增加其他導線，電路中無需增加視頻信號選通電路，水面控制平臺就可以和水下潛體同時傳輸這3種信號。

作業人員只需要通過終端設備接入無線路由器的Wi-Fi，登錄客戶端軟件，即可獲取水下潛體的視頻和數據信號，對水下潛體進行操控。

2 通信系統硬件設計

水面控制平臺的硬件結構簡單，主要由無線路由器、顯示器、鍵盤和終端設備組成，系統硬件結構如圖2所示。

圖2 水下潛體通信系統硬件結構

該硬件結構主要由電源管理模塊、前/后網絡攝像頭和STM32最小系統3部分組成。電源管理模塊通過DC-DC降壓穩壓芯片MP1584和HT7833將鋰電池的輸出電壓(即圖中2中的BATT+)分別轉為12 V、5 V和3.3 V，為水下潛體內的各種設備器件進行供電。網絡攝像頭以T568B接線標準通過RJ45與小型交換機連接，接入到局域網內，以實現終端設備直接讀取網絡視頻信號。前后網絡攝像頭均采用1 920×1 080的分辨率，一共需要8 Mbps的通頻帶寬。無線路由器和小型交換機所采用的帶寬均為100 Mbps。微控制器采用STM32F103RCT6。微控制器通過串口服務器USR-K2接入到局域網內。

USR-K2可實現單片機串口到局域網間的數據雙向透明傳輸[7]。USR-K2對數據流進行了格式轉換，使之可以在以太網中傳輸的數據幀；同時USR-K2對數據幀進行判斷，并解析成串行數據發送至單片機串口。

3 通信系統程序設計

本文將通信系統程序分為水面控制平臺和水下潛體兩部分來設計，水面控制平臺選擇工作在客戶端模式，水下潛體選擇工作在服務器端模式。

對于多路的視頻信號，上位機采用實時流傳輸協議(RTSP)直接讀取各個攝像頭的視頻信號[8-9]；對于數據和控制信號，上位機采用TCP/IP通過串口服務器與水下潛體的微控制器進行信息交換。上位機采用多線程編程技術以實現同時傳輸這3種信號。

3.1 數據(控制)信號通信協議設計

由于微控制器和局域網之間使用串口服務器進行通信，串口服務器實際的通信方式和串口通信一樣，在設計通信協議時，可以參考串口通信協議來進行設計。

在ROV通信系統中，數據信號是一幀一幀進行發送的，每幀數據有8位數據位，即每幀數據僅能發送一個字節的數據。而ROV所要傳輸的數據中存在超過一個字節的情況(例如浮點型數據)，所以在設計通信協議時，發送端首先會通過指針讀取每個數據在內存中所實際存放的值，即把每個數據轉換為若干個字節的數據，然后再打包發送出去；接收端則利用C語言中的memcpy()函數將若干個字節的數據重新轉換為原來的數據[9-10]。

為提高數據發送效率，降低收發雙方程序復雜度，所有的數據(控制)信號都是打包后再發送，而終端設備和STM32F103RCT6則使用相同的通信協議，對數據(控制)信號進行打包或解析。

ROV通信協議數據包如表1所示。

表1 ROV通信協議數據包

數據包由起始標志、數據(控制)信號、求和校驗和結束標志4部分組成，各部分的功能如下：

(1)起始標志。占2個字節，表示開始發送一個新的數據包，本協議中規定為0x55和0x7F；

(2)數據(控制)信號。存放所要發送的數據或控制信號。在該協議中，每個控制信號占1個字節，用0至255表示不同的含義，每個數據信號占4個字節，存放不用類型的數據；

(3)求和校驗。占2個字節，存放所有數據或控制信號求和后的值；

(4)結束標志。占2個字節，表示一個數據包發送結束，本協議中規定為0x0D和0x0A。

3.2 上位機設計

上位機是在Windows 10環境下，利用Visual Studio 2010窗體應用程序開發和C#編程語言進行開發的。上位機可以劃分為視頻信號處理和與USR-K2建立連接并進行數據和控制信號收發兩個線程。

對于數據和控制信號的收發，上位機是在Microsoft. NET Framework 3.5組件下進行開發的，該組件提供了TcpClient類，可為上位機提供客戶端連接和數據的收發[11-12]。在該組件下，上位機與USR-K2通信流程如圖3所示。

圖3 上位機與USR-K2通信流程

在程序中，上位機先創建TcpClient類的實例，然后使用TcpClient類的Connect()方法與服務器USR-K2建立連接，一旦連接成功，則說明上位機與USR-K2的通信信道建立完成，上位機可利用網絡流NetworkStream類的Write()方法來發送控制信號和Read()方法來讀取水下潛體返回的數據信號。當上位機窗體關閉時，上位機則調用NetworkStream類的Close()方法和TcpClient類的Close()方法與USR-K2斷開連接。

對于視頻信號，上位機是利用RTSP進行傳輸的。RTSP是一個多媒體流控制協議，在Visual Studio 2010窗體應用程序開發環境下無法對RTSP進行直接解析從而播放ROV的實時視頻，所以在開發環境中內嵌一個VLC多媒體播放器。VLC多媒體播放器支持RTSP，可調用VLC相應的函數。在程序的實際操作中，首先對VLC和與其對應的pictureBox控件進行初始化，然后調用VLC的視頻播放或存儲函數并傳遞需要操作的網絡攝像頭的RTSP地址，即可讀取或存儲該網絡攝像頭的視頻信號。

3.3 單片機程序設計

STM32F103RCT6是數據和控制信號收發的核心控制部件。為了保證ROV操縱的實時性，控制信號利用中斷來接收，而控制信號的解析和水下數據的打包發送則在主函數中完成，程序架構采用典型的單片機前后臺系統，該架構如圖4所示。

圖4 水下潛體程序架構

前臺是串口接收中斷，每當上位機將控制信號發送過來時，程序就會自動進入中斷開始接收控制信號；后臺是一個無限的循環，程序會根據數據(控制)信號通信協議對接收到的控制信號進行解析進而對水下潛體的運動進行控制，水下數據則根據數據(控制)信號通信協議進行打包然后發送到上位機。

對于串口接收中斷，當STM32F103RCT6接收到一個字節的數據時，就會自動觸發一次串口接收中斷服務函數，其處理流程如圖5所示。

圖5 串口接收中斷處理流程

在串口接收中斷服務函數中，首先會判斷是否接收到起始標志，若連續接收到的兩個字節數據分別為0x55和0x7F，即起始標志，單片機就會開始接收控制命令并將其保存在數組中；當單片機在接收的數據中判斷到有兩個連續的字節分別為0x0D和0x0A時，即結束標志，則認為一個數據包已經接收完成，接收完成的數據包交由后臺程序進行處理。

4 通信系統測試

完成通信系統的硬件和軟件設計后，需要對通信系統的可行性和工作性能進行測試。對于硬件部分，本研究通過DOS窗口利用Ping命令(Ping+空格+IP地址)可檢查到前后攝像頭和USR-K2的網路已經接通，即設備都已接入了ROV通信系統的局域網內。

對于視頻和數據信號，可通過上位機界面來觀察傳輸情況，ROV上位機如圖6所示。

圖6 上位機界面

在傳輸距離超過60 m的情況下，上位機界面能夠正常顯示實時視頻和水下潛體返回的數據，視頻沒有出現卡頓和亂碼的現象，網絡傳輸流暢。

對于控制信號，首先，水下潛體通過STM32開發工具IAR Embedded Workbench進行在線調試，通過在線調試窗口可觀察到控制信號傳輸正確。然后，將水下潛體放入水中對運動姿態進行測試，進一步驗證控制命令傳輸的正確性。

本研究通過上位機對水下潛體進行控制，水下潛體能夠按照作業人員的操縱完成前進和后退、左轉和右轉、上升和下潛、前傾和后傾4個自由度的運動，反應靈敏、響應速率快。測試結果表明：控制信號傳輸正常，網絡傳輸穩定可靠，延遲較小。

5 結束語

本文采用以太網通信技術設計了一套ROV通信系統，并通過實驗測試驗證了該通信系統的可行性。

整個通信系統的設計過程表明：基于以太網的ROV通信系統硬件結構簡單，通信系統只需搭建一個星型拓撲結構的局域網即可完成ROV的通信任務。與以往的ROV通信系統相比，該通信系統的大部分功能都可通過軟件來實現，大大減少了硬件的開發成本和難度。測試結果證明了該通信系統具有較強的穩定性和實時性，能滿足ROV控制系統的需求，而且通信質量良好，具有較強的抗干擾能力。

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