基于樹莓派的遠程塔臺技術(shù)模擬研究*

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(中國民用航空飛行學(xué)院 空中交通管理學(xué)院，廣漢 618307)

引　言

所謂的遠程塔臺技術(shù)[1]是指為偏遠地區(qū)的小型機場提供遠程管制服務(wù)的技術(shù)。管制員并不能通過所在塔臺的窗口直接觀察到管制地區(qū)機場內(nèi)的飛機，而是通過將現(xiàn)場的實時視頻信號傳輸?shù)竭h方管制室來實現(xiàn)對飛機的遠程指揮[2]。在管制員實施管制服務(wù)的整個過程當(dāng)中，工作人員完全可以像在一般塔臺指揮飛機一樣來實施管制服務(wù)，但是在管制員遠程指揮飛機的整個過程中，對于駕駛員來說是不可見并且是完全察覺不到的。管制員可以在管制室對偏遠地區(qū)機場內(nèi)的各種傳感器、告警系統(tǒng)、燈光系統(tǒng)以及相關(guān)的空中交通管理與監(jiān)視設(shè)備進行操控。管制員在進行整個指揮的過程中，所有的視頻信息及圖像信息都會被完整地記錄并保存下來，這些信息數(shù)據(jù)可以用于以后的分析。

1　模擬實驗平臺搭建

在實驗室中以樹莓派為載體，來進行遠程塔臺技術(shù)模擬實驗平臺的搭建。采用樹莓派Raspberry Pi 3B整合自編程序搭建遠程終端，直接將信息采集設(shè)備收集的信息整理并傳輸，該種方法效率較高，且開發(fā)板體積小巧，操作便利，搭建簡單，整體性強，能較好地根據(jù)即將進行的多種測試進行調(diào)整。采用路由器創(chuàng)造無線網(wǎng)環(huán)境，使樹莓派Raspberry Pi 3B和用于遠程控制的筆記本電腦具有同一IP，通過遠程桌面來控制樹莓派，并利用其進行數(shù)據(jù)傳輸。

局域網(wǎng)環(huán)境下數(shù)據(jù)傳輸快，延遲低，且有效解決了有線數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟季€復(fù)雜和成本問題。所搭建好的實驗平臺如圖1所示，相關(guān)平臺原理圖如圖2所示，Linux是一種開源的操作系統(tǒng)，獲得模塊和軟件的途徑多且便利，有利于不同功能的整合，并采用OpenCV、VLC等組件實施視頻采集和傳輸。Python語言具有豐富和強大的庫，能夠把用其它語言制作的各種模塊很輕松地聯(lián)結(jié)在一起，利用Python的相關(guān)編程設(shè)計，實現(xiàn)DHT11模塊對溫濕度的采集并傳輸，通過控制RTL天線并運行DUMP1090模塊實現(xiàn)對ADS-B信號的獲取。

圖1　實驗平臺的搭建

圖2　平臺原理圖

2　相關(guān)硬件簡介

2.1　樹莓派簡介

樹莓派[3](Raspberry Pi) 是2012 年由英國樹莓派基金會發(fā)行的一款卡片式計算機，本次實驗所用樹莓派如圖3所示，它采用了 ARM架構(gòu)處理器和 Linux 操作系統(tǒng)，在只有信用卡大小、購買成本只需200 元左右的硬件電路板上實現(xiàn)了個人計算機的全部功能。樹莓派接口豐富，可擴展性強，有著豐富的開源軟件資源，與傳統(tǒng)的嵌入式開發(fā)平臺相比，在速度、集成度、價格和效率上有著明顯的優(yōu)勢，因而上市以來在嵌入式開發(fā)領(lǐng)域發(fā)展迅速。本文將以樹莓派Raspberry Pi 3B型機作為開發(fā)機，它搭載了1.2 GHz的64位4核處理器，內(nèi)裝802.11 b/g/n無線網(wǎng)卡和藍牙4.1適配器，最大驅(qū)動電流增為2.5 A。在接口方面，樹莓派擁有15針頭MIP相機(CSI)界面，可被樹莓派相機(無紅外線版)使用；4個USB2.0規(guī)范接口；MicroSD卡槽；17個GPIO及HAT 規(guī)格鋪設(shè)[4]。

圖3　實驗所用的樹莓派

2.2　DHT11簡介

DHT11是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器[5]。本次實驗所用的DHT11如圖4所示， 其精度濕度為±5%RH， 溫度為±2 ℃，量程濕度為20～90%RH， 溫度為0～50 ℃。它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性和卓越的長期穩(wěn)定性。傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接。因此該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、響應(yīng)快、抗干擾能力強、性價比極高等優(yōu)點。每個DHT11傳感器都在極為精確的濕度校驗室中進行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式存在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測信號的處理過程中要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)。單線制串行接口使系統(tǒng)集成變得簡易快捷。超小的體積、極低的功耗，使其成為該類應(yīng)用中在苛刻應(yīng)用場合的最佳選擇。產(chǎn)品為4針單排引腳封裝，連接方便。

DHT11模塊與樹莓派引腳的連接說明為(有3線和4線制兩種，本文用的是3線制):①VCC 外接3.3～5 V；②GND 外接GND；③out 小板開關(guān)數(shù)字量輸出接口，接樹莓派I/O口。

圖4　實驗所用DHT11

DHT11與樹莓派連接圖如圖5所示。

圖5　DHT11與樹莓派相連接

2.3　其它相關(guān)硬件簡介

本文所用的RTL天線采用R820T2 TUNER芯片取代R820T，其接收效果更好，靈敏度更高，支持SDR RTL1090接收ADS-B信號、978 MHz和1 090 MHz的脈沖信號，支持DVB-T地面無線數(shù)字電視信號和DAB FM等無線信號。在視頻監(jiān)控方面，使用樹莓派的CSI接口攝像頭。

3　程序設(shè)計及相關(guān)功能實現(xiàn)

3.1　影像監(jiān)視及視頻流傳輸

用樹莓派板子上的內(nèi)置Camera接口來獲取影像，通過網(wǎng)絡(luò)Streaming Protocol的方法將攝像機的影像傳到網(wǎng)絡(luò)上，用VLC軟件來實現(xiàn)遠程監(jiān)控[6]。其命令如下：

$sudo apt-get update

$sudo apt-get upgrade #更新系統(tǒng)的安裝程序apt-get

$sudo raspi-config #選擇Enale Camera引導(dǎo)樹莓派的攝像機

$sudo apt-get install vlc #安裝vlc軟件

$raspivid -o - -t 0 -w 1024 -h 768 -fps 30 |cvlc -vvv stream:///dev/stdin --sout‘#standard{access=http,mux=ts,dst=:8160}’ :demux=h264 #執(zhí)行streaming，制作視頻流(參數(shù)介紹：w視頻寬度，h視頻高度，fps每秒傳輸幀數(shù)，dst網(wǎng)絡(luò)的端口，demux視頻壓縮格式h264)

運行raspivid,樹莓派的Teminal終端顯示如圖6所示，樹莓派開始采集視頻流。在遠程連接的筆記本電腦上通過VLC軟件，連接地址http://192.168.0.100:8160(本實驗所用樹莓派IP為192.168.0.100),就能監(jiān)視樹莓派的實時影像，所監(jiān)視的飛機模型如圖7所示。

圖6　樹莓派Teminal終端顯示

圖7　遠程監(jiān)視的畫面

3.2　溫濕度氣象數(shù)據(jù)的采集及傳輸

3.2.1編程語言選用

Python語言具有豐富和強大的庫,它常被昵稱為膠水語言，能夠把用其它語言制作的各種模塊很輕松地聯(lián)結(jié)在一起[7]。Python是純粹的自由軟件，語法簡潔清晰。Python還可以交互模式運行，比如主流操作系統(tǒng)Unix/Linux、Mac、Windows都可以直接在命令模式下直接運行Python交互環(huán)境。直接下達操作指令即可實現(xiàn)交互操作。樹莓派Raspberry Pi的操作系統(tǒng)是Linux系統(tǒng)，因此選用Python語言通過相應(yīng)的編程來調(diào)用DHT11模塊功能，獲取溫濕度數(shù)據(jù)。在樹莓派上安裝Python語言，輸入以下命令：

$sudo apt-get update

$sudo apt-get upgrade

$sudo apt-get install python2.7

編碼方式：PR庫有兩種方式，一種是bcm，另一種是wiringPi的方式，兩者的區(qū)別大致是bcm的pin的序號為0，1，3，...是與每一個GPIO引腳對應(yīng)的，不包含GND和電源之類的在內(nèi)，而wiringPi則是從電源開始為0，然后按增序排。本文采用bcm方式，在Python的腳本中，應(yīng)在setmode函數(shù)里面制定編碼方式為bcm，所連樹莓派引腳為GPIO4，即channel=4，腳本編輯為：

channel=4

data=[]

j=0

GPIO.setmode(GPIO.BCM)

3.2.2DHT11模塊時序信號

DHT11模塊有兩個關(guān)鍵的時序信號：開始握手階段和數(shù)據(jù)發(fā)送階段。開始握手階段：主機端GPIO發(fā)送開始信號首先拉低至少18 ms，然后拉高20～40 μs，模式變?yōu)镮N等待信號輸入，DHT11等待主機端開始信號(低電平)結(jié)束后，發(fā)送80 μs低電平響應(yīng)開始信號，然后DHT11拉高電平80 μs。握手完畢，如圖8所示。

數(shù)據(jù)發(fā)送階段：一次的濕度和溫度數(shù)據(jù)，DHT11需要發(fā)送40位(0、1)數(shù)據(jù)，每一位數(shù)據(jù)之前都以50 μs低電平開始，隨后的高電平時序信號，持續(xù)26～28 μs表示這一位是0，持續(xù)70μs表示這一位是1，然后繼續(xù)50 μs低電平，緊接著下一位的高電平開始，如圖9所示。40位數(shù)據(jù)的組成=8位濕度整數(shù)部分+8位濕度小數(shù)部分(暫時沒用)+8位溫度整數(shù)部分+8位溫度小數(shù)部分(暫時沒用)+8位校驗和。8位的順序都是高位先出，然后用移位相加的方式，將這8位轉(zhuǎn)換成整型數(shù)字。

圖8　開始握手階段

圖9　數(shù)據(jù)發(fā)送階段

腳本編輯為：

while j < 40:

k = 0

whileGPIO.input(channel) == GPIO.LOW:

continue

whileGPIO.input(channel) == GPIO.HIGH:

k+=1

if k > 100:

break

if k < 8:

data.append(0)

else:

data.append(1)

計算濕度、溫度、校驗和按照每8位轉(zhuǎn)換成一個十進制數(shù)字，腳本編輯為：

fori in range(8):

humidity +=humidity_bit[i] * 2 ** (7-i)

humidity_point += humidity_point_bit[i] * 2 ** (7-i)

temperature +=temperature_bit[i] * 2 ** (7-i)

temperature_bit += temperature_point_bit[i] * 2 ** (7-i)

check +=check_bit[i] * 2 ** (7-i)

tmp = humidity + humidity_point + temperature + temperature_point

通過文本編輯器輸入以下程序，并保存成DHT11.py：

$nano DHT11.py

輸入完成后，通過Ctrl+O組合鍵存儲程序，Ctrl+X組合鍵離開nano編輯器。輸入以下命令就能獲取當(dāng)前的溫度和濕度：

$sudo python dht11.py

若check值和tmp值不相等，就會輸出“wrong”，并輸出相應(yīng)的校驗值，直到check=tmp，才會輸出溫濕度值，如圖10所示為測試幾次輸出的錯誤校驗值，圖11所示為正確值，當(dāng)前所測溫度為19 ℃，濕度為36%。為了檢驗所測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，把手指放在DHT11傳感器上，顯示結(jié)果會明顯發(fā)生變化，溫濕度值均會升高。

3.3　航班監(jiān)視實現(xiàn)

所需要的軟件都是在網(wǎng)上的，首先要先安裝一個svn軟件，用git即可。終端下輸入指令：

#sudo apt-get install git

#sudo apt-get install cmake

安裝兩個軟件，“rtl-sdr”軟件，網(wǎng)址位于：http://github.com/pinkavaj/rtl-sdr.git，它是一個RTL28320芯片的控制軟件，負責(zé)控制電視棒頻率，類似破解驅(qū)動。另一個是“dump1090”軟件，網(wǎng)址位于：https://github.com/antirez/dump1090。它是一個把無線電中的數(shù)字信號提取出來并解碼的軟件[8]，就是解碼S模式應(yīng)答機的內(nèi)容，分別下載安裝兩個軟件并編譯，(以dump1090為例)終端下輸入指令：

#git clone https://github.com/antirez/dump1090.git

#cd dump1090/

# make

圖10　錯誤數(shù)據(jù)的校驗

圖11　所獲取的溫濕度

運行dump1090，模型將開始收集附近配備ADS-B[9]飛機的信息。終端下輸入如下命令：

#sudo rmmod dvb_usb_rtl28xxu

#sudo ./dump1090 --interacitve --net

樹莓派終端就會顯示此時在天空中飛行的一些飛機的數(shù)據(jù)信息，如圖12所示，既能收到中國民航飛行學(xué)院廣漢分院訓(xùn)練用的小型機，又能收到在空中飛過的大型民航運輸客機的信息，界面的相關(guān)參數(shù)為：Hex16進制數(shù)據(jù)、Flight航班號、Altitude飛行高度、Speed飛行速度、Lat/Long經(jīng)緯度地理坐標(biāo)。用遠程控制的筆記本電腦進一步訪問http://192.168.0.103:8080，便可獲取結(jié)合Google地圖的詳細飛機軌跡等相關(guān)信息[10]，如圖13所示。對于民航客機，還可訪問FlightAware、FlightStats等相關(guān)網(wǎng)站，獲取和此航班有關(guān)的更多信息，比如飛行時間、機型型號、飛行計劃和歷史航班等，如圖14所示。

圖12　終端顯示的ADS-B信息

圖13　結(jié)合Google地圖的顯示畫面

圖14　訪問FlightAware獲取航班信息

結(jié)　語

本文介紹了遠程塔臺的主要實現(xiàn)和工作原理，并羅列了主要的程序設(shè)計過程。程序設(shè)計主要通過Linux系統(tǒng)和Python語言完成，實現(xiàn)了對遠程終端(樹莓派Raspberry Pi 3B)的控制，以及遠程終端影像視頻信息獲取、傳輸，溫濕度氣象數(shù)據(jù)的獲取，ADS-B信號接收的功能。本次模型建設(shè)基本實現(xiàn)遠程塔臺技術(shù)的幾個基本功能，但在功

能的實現(xiàn)中，還存在一些不足之處：影像視頻傳輸存在2～3 s的延遲，氣象數(shù)據(jù)只采集了溫濕度，還可添加更多的傳感器模塊,實現(xiàn)更豐富的氣象資料的采集傳輸。DHT11在獲取溫濕度時，錯誤率還是比較高的，暫時不知道如何比較準(zhǔn)確地識別時序信號，而且在樹莓派執(zhí)行多任務(wù)時，很可能錯得很離譜。