基于銥星的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)研究

馬鳳強 魯晶 孫久武

摘 要：近年來，偏遠地區(qū)數(shù)據(jù)傳輸技術不斷發(fā)展，但仍然存在諸多缺點，如數(shù)據(jù)傳輸距離受限，通信費用較高，移動基站架設困難等等。本文設計了基于銥星的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，對目前偏遠地區(qū)數(shù)據(jù)傳輸存在的一些問題提出了更加可靠的建議。

論文詳細介紹了基于銥星通信數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的軟硬件設計，設計過程中注重降低系統(tǒng)功耗，保證系統(tǒng)的可靠性。系統(tǒng)由兩個部分組成，包括銥星通信以及數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)。銥星通信子系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)傳輸至銥星基站。數(shù)據(jù)接收子系統(tǒng)是自主設計的上位機軟件，可以以"Direct IP"的方式接收來自銥星基站的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行解析和存儲。

關鍵詞：銥星通信;數(shù)據(jù)傳輸;Direct IP

1.介紹

衛(wèi)星通信是目前唯一能全球覆蓋的通信方式，雖然在通信質(zhì)量上還無法和移動網(wǎng)絡相比，但是好處在于可以在移動網(wǎng)絡無法覆蓋的區(qū)域進行通信。尤其是可以進行數(shù)據(jù)傳輸，方便用戶在沒有移動網(wǎng)絡的情況下進行各種形式的數(shù)據(jù)回傳操作，極大的擴大了物聯(lián)網(wǎng)的服務區(qū)域和形式，可以作為物聯(lián)網(wǎng)“觸角”延伸的有效方式來提高物聯(lián)網(wǎng)的使用范圍。本項目計劃開發(fā)基于銥星衛(wèi)星通信方式的雙模式數(shù)據(jù)操作方式，實現(xiàn)在銥星通信鏈路建立情況下的數(shù)據(jù)傳輸工作。

衛(wèi)星通信與其他通信方式相比有很多優(yōu)勢，但也存在一些突出的問題。一方面是衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁Y費以數(shù)據(jù)量計算，通信費用高。為了降低通信費用，需要最大限度地減少通信數(shù)據(jù)量，采用數(shù)據(jù)壓縮技術對數(shù)據(jù)進行壓縮是有效的解決辦法。另一方面是數(shù)據(jù)的安全性問題[1]。我國自主產(chǎn)權的北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)雖然能夠保證通信的安全性和保密性，但由于其覆蓋范圍有限，所以很多情況下需要選擇國外的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，如 Argos和銥星系統(tǒng)等。但這些衛(wèi)星通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸均要先通過國外的數(shù)據(jù)處理中心，經(jīng)處理之后再分發(fā)給國內(nèi)用戶，數(shù)據(jù)的安全性從根本上得不到保證。所以為了保證數(shù)據(jù)安全，需要采用數(shù)據(jù)加密技術對數(shù)據(jù)進行加密。

2.系統(tǒng)整體設計

基于銥星的通信系統(tǒng)設計主要分為硬件設計和軟件設計兩個部分。硬件部分主要由三個部分組成，分別是電壓轉(zhuǎn)換與控制模塊，串口通信模塊，CPU核心控制模塊。軟件部分主要是銥星數(shù)據(jù)接收終端上位機的設計，采用點對服務器的數(shù)據(jù)接收方式實現(xiàn)。

2.1 硬件設計部分

本文設計硬件電路系統(tǒng)的供電是包括12V和5V的直流電，在電壓選擇方面，12V電壓經(jīng)過一個電壓控制芯片給銥星模塊供電，可以控制是否給銥星模塊供電來降低系統(tǒng)功耗，5V電壓經(jīng)過一個電壓控制芯片給銥星模塊供電，同時經(jīng)過電壓轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換成3.3V給主控單片機進行供電。

5V電壓輸入之后，通過軟件控制單片機的PA6引腳的電平高低來控制5V電壓是否輸出，主控芯片是IRFHM9331TRPBF，如上框圖所示，作為控制開關。除此之外，通過線性穩(wěn)壓器AMS1117，實現(xiàn)5V電壓到3.3V電壓的電平轉(zhuǎn)換，

本設計所采用的核心控制芯片是STM32F429VGT6，STM32F4系列單片機兼容于STM32F2系列產(chǎn)品，便于ST的用戶擴展或升級產(chǎn)品，而保持硬件的兼容能力。集成了新的DSP和FPU指令，168MHz的高速性能使得數(shù)字信號控制器應用和快速的產(chǎn)品開發(fā)達到了新的水平。提升控制算法的執(zhí)行速度和代碼效率。并且采用先進技術和工藝，采用多重AHB總線矩陣和多通道DMA，支持程序執(zhí)行和數(shù)據(jù)傳輸并行處理，數(shù)據(jù)傳輸速率非常快。

本設計采用的通信方式為串口通信，串口和銥星模塊通信的電平為RS232電平標準，單片機和外圍串口的通信電平標準為TTL電平標準，因此需要將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS232標準，電平轉(zhuǎn)換的核心控制芯片為MAX3232，max3232采用專有低壓差發(fā)送器輸出級，利用雙電荷泵在3.0V至5.5V電源供電時能夠?qū)崿F(xiàn)真正的RS-232性能，器件僅需四個0.1uF的外部小尺寸電荷泵電容。max3232確保在120kbps數(shù)據(jù)速率，同時保持RS-232輸出電平[2]。

2.2 軟件設計部分

考慮無人區(qū)環(huán)境觀測數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)長期運行、數(shù)據(jù)量大、對數(shù)據(jù)可靠性和數(shù)據(jù)實時性要求較高等特點，本文數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)采用“點對服務器”的數(shù)據(jù)接收方式。銥星提供直接將服務器中的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)關與客戶端應用程序進行傳輸?shù)姆眨炐翘峁┑姆掌鲾?shù)據(jù)傳輸方式是基于 Socket 的 Direct Internet Protocol（Direct IP）方式。Direct IP 傳輸是指海洋數(shù)據(jù)通過銥星網(wǎng)絡上傳至銥星基站，基站處理（加 4 個字節(jié)，作為牽手協(xié)議）后，通過國際網(wǎng)關，直接給綁定的服務器發(fā)送數(shù)據(jù)，SBD 格式傳輸?shù)墓俜綍r間在 8 秒內(nèi)[4]。同時，通過服務器也可以反向?qū)τ^測終端發(fā)送指令。服務器沒有收發(fā)字節(jié)長度的限制，數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈L度取決于銥星模收發(fā)的最大長度。Direct IP 收發(fā)方式需編寫上位機，直接處理自建服務器上捕捉到的數(shù)據(jù)，不需要進行下載操作。

Direct IP 是一種基于 Socket 的傳輸機制，含義是針對數(shù)據(jù)發(fā)送和接收，直接連接至一個具體的 IP 地址進行通信。Direct IP 為銥星網(wǎng)關和用戶應用之間提供高效的數(shù)據(jù)傳輸，這種傳輸方式比 email 方式具有更低的傳輸延遲。

根據(jù)數(shù)據(jù)的傳輸方向，Direct IP 可分為 MO（Mobile Originated）和 MT（Mobile Terminated）兩部分。MO Direct IP 部分中 Iridium GSS（銥星 SBD 數(shù)據(jù)子系統(tǒng)）作為客戶端，用戶應用端作為服務器端，數(shù)據(jù)由 Iridium GSS 傳向用戶應用端。MT Direct IP部分中 Iridium GSS 作為服務器端，用戶應用端作為客戶端，數(shù)據(jù)由用戶應用端傳向Iridium GSS。

海洋環(huán)境觀測數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)主要實現(xiàn)將海洋數(shù)據(jù)傳回研究人員手中，本文設計服務器時只實現(xiàn)了 MO Direct IP 的傳輸過程，即 Iridium GSS（銥星 SBD 數(shù)據(jù)子系統(tǒng)）作為客戶端，用戶應用端作為服務器端，數(shù)據(jù)由 Iridium? GSS 傳向用戶應用端。MO 傳輸模式使用雙向的 TCP/IP socket 連接，Iridium GSS 推送數(shù)據(jù)時無需獲取用戶應用端的確認信號，即確認連接后銥星服務器就將數(shù)據(jù)推送完畢。MO Direct IP? 服務器端和客戶端具體的連接要求如下：

（1）MO GSS 客戶端連接要求

A.客戶端根據(jù)由 IMEI 號綁定的 IP 地址和端口號向服務器端尋求建立 TCP/IP 連接。

B.一旦連接完成，客戶端會傳輸 MO 載荷數(shù)據(jù)并關閉 socket 連接。

C.如果沒有建立連接，客戶端會進行重連嘗試。

D.如果信息傳輸完畢，客戶端會關閉 socket 連接，無需服務器端回饋確認信號。

（2）MO用戶服務器端連接要求

A.服務器端會監(jiān)聽特定端口號上的 TCP/IP socket 連接，端口號在綁定期間指定。

B.連接成功后，服務器端在解析數(shù)據(jù)之前會接收全部的 MO 信息。

C.服務器端允許 GSS 客戶端關閉 socket 連接。

D.如果信息傳輸完畢，客戶端會關閉 socket 連接，無需服務器端回饋確認信號。

3.實驗和驗證

本文采用 Lab VIEW 進行上位機設計，設計的服務器軟件運行于應用計算機或服務器上，通過以太網(wǎng)與銥星網(wǎng)關通信，接受來自銥星信標的數(shù)據(jù)，并對銥星數(shù)據(jù)進行解析和存儲。系統(tǒng)服務器軟件與銥星網(wǎng)關使用 TCP 通信協(xié)議進行通信，在 Lab VIEW 中基于 TCP的網(wǎng)絡通信通過 TCP 節(jié)點來實現(xiàn)，TCP 節(jié)點位于函數(shù)選板的“數(shù)據(jù)通信→協(xié)議→TCP”。

系統(tǒng)服務器軟件為 TCP 通信的服務器端，銥星網(wǎng)關為 TCP 通信的客戶端。服務器軟件監(jiān)聽固定端口，當銥星網(wǎng)關需求發(fā)送數(shù)據(jù)，會向服務器軟件發(fā)起連接，服務器軟件接收來自銥星網(wǎng)關的連接請求，建立連接[5]。服務器軟件接收銥星網(wǎng)關發(fā)送的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行解碼，并將解碼后的數(shù)據(jù)進行存儲。數(shù)據(jù)接收完畢后，服務器軟件關閉連接，繼續(xù)監(jiān)聽端口，等待下一次數(shù)據(jù)傳輸。

服務器軟件中，“信息接收窗口”實時顯示接收的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)有十六進制和ASCII碼兩種顯示格式可選。“連接狀態(tài)”窗口可顯示TCP實時連接狀態(tài)，當服務器正在監(jiān)聽固定端口但客戶端還未發(fā)送連接請求時顯示“等待客戶端連接……”，當連接建立后顯示“連接成功！”，當數(shù)據(jù)傳輸完畢，連接關閉后顯示“客戶端斷開了連接……”。另外服務器軟件還可統(tǒng)計接收數(shù)據(jù)字節(jié)及次數(shù)。

經(jīng)過設計如上的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)成功的實現(xiàn)將數(shù)據(jù)從一體機經(jīng)過衛(wèi)星傳到上位機，可以應用在海洋數(shù)據(jù)觀測方面或者荒漠的無人區(qū)等等，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時傳輸，下面為在海洋數(shù)據(jù)采集傳輸方面的應用，采集到的海洋溫度、鹽度和深度經(jīng)過衛(wèi)星通信傳到上位機。數(shù)據(jù)格式為鹽度/溫度/深度/時間。

0.000130_24.402000_0.000000_1884 0.000150_24.364000_0.000000_1917 0.000290_24.274000_0.000000_1949 0.000450_24.566000_0.000000_1982 0.000100_24.478001_0.000000_2014 0.000160_24.365999_0.000000_2047 0.000270_24.309999_0.000000_2080

下面的數(shù)據(jù)為設備的POT傳感器的數(shù)據(jù)，以供上位機判斷數(shù)據(jù)終端設備的狀況 ：

702_999_446_1143? 707_999_446_1166 713_999_446_1188 719_999_446_1211? 726_999_446_1234 730_999_446_1256 737_999_446_1279? ? ? ? ? ? 742_999_446_1302

下面數(shù)據(jù)為設備的SAF傳感器數(shù)據(jù)，采集到的數(shù)據(jù)，可以實時觀察設備自身的電壓電流情況：

1023_64_14.030000_0.350000_300_461? 1023_64_14.130000_0.250000_300_507 1023_64_14.140000_0.250000_300_552 1023_64_14.140000_0.250000_300_597 1023_64_14.140000_0.240000_300_643

4.總結(jié)與展望

本文對基于銥星的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)進行了整體設計，詳細介紹了數(shù)據(jù)傳輸?shù)能浻布O計，以及數(shù)據(jù)接收上位機的整體設計思路。

首先對銥星通信系統(tǒng)的軟硬件設計。硬件電路設計部分充分考慮各個部分的數(shù)據(jù)傳輸要求，對接收主控板數(shù)據(jù)并存儲，最終通過銥星網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)發(fā)送。設計過程中在滿足功能和功耗要求的情況下，盡可能的簡化軟件流程，提高軟件可靠性。

數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)采用點對服務器的數(shù)據(jù)接收方式實現(xiàn)，論文在 Lab VIEW 平臺上設計了服務器軟件，實現(xiàn)了接收來自銥星網(wǎng)關的數(shù)據(jù)，并對銥星數(shù)據(jù)進行解析和處理，完成數(shù)據(jù)存儲等功能。論文介紹了各功能實現(xiàn)的詳細流程。

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