基于ARM9260的多模式浮標岸基數(shù)據(jù)收發(fā)平臺

摘要：針對于海洋特殊的環(huán)境，數(shù)據(jù)傳輸能力不能滿足海洋環(huán)境檢測的需求現(xiàn)狀，文中提出將多種無線傳輸方式與AT91SAM9260結(jié)合構(gòu)造多模式浮標岸基數(shù)據(jù)收發(fā)平臺的設(shè)計方案，并給出具體的通信協(xié)議。同時，用VC++語言設(shè)計了岸基數(shù)據(jù)接收服務(wù)中心軟件。本設(shè)計已成功用于海洋數(shù)據(jù)傳輸，對我國海洋環(huán)境檢測技術(shù)的發(fā)展有較大的意義。
關(guān)鍵詞：海洋通信；無線傳輸；多模；AT91SAM9260；協(xié)議

    海洋占據(jù)了地球表面的三分之二以上面積，并以其豐富的資源、廣闊的空間以及對地球環(huán)境氣候的巨大調(diào)節(jié)作用，成為全球生態(tài)系統(tǒng)和人類發(fā)展的一個重要組成部分，因此，發(fā)展海洋科技，尤其是海洋高新技術(shù)已成為世界新技術(shù)革命的重要內(nèi)容。然而，由于海洋特殊的環(huán)境，使得很多在陸地上已經(jīng)運用自如且性能良好的通信技術(shù)無法在海洋上使用，ARG0是以10～14天為周期通過衛(wèi)星系統(tǒng)來傳輸?shù)?，海洋通信技術(shù)成為了限制海洋技術(shù)發(fā)展的瓶頸。本文設(shè)計的基于AT91SAM9260的多模式浮標岸基數(shù)據(jù)收發(fā)平臺將多種數(shù)據(jù)傳輸方式集合在一起，很好的滿足了海洋數(shù)據(jù)全天侯長時間傳輸?shù)男枨蟆?br />
1 系統(tǒng)概述
    基于AT91SAM9260的多模式浮標岸基數(shù)據(jù)收發(fā)平臺(以下簡稱收發(fā)平臺)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，本系統(tǒng)提供了四種通信方式：無線通信、數(shù)傳電臺通信、GPRS通信和銥星通信。這四種通信方式由AT91SAM920配置和管理，依據(jù)一定的通信選擇策略實現(xiàn)四種通信方式的智能切換。圖中，實線為電源線、長虛線為天線連接線、點虛線為串口通信信號線。

    CPU是系統(tǒng)的核心，通過COM2～COM5依次與銥星模塊、無線模塊、速傳電臺模塊及GPRS模塊相連。COM6為用戶接口，可依據(jù)協(xié)議對本系統(tǒng)進行配置及實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，COM7為調(diào)試串口，可打印系統(tǒng)的運行信息，并可實現(xiàn)系統(tǒng)深入配置。
    系統(tǒng)中各種通信方式各有優(yōu)點：如果浮標是部署在近海，可以直接通過無線模塊進行通信，不但速度快而且無需資費；若距離有所增加，則可以使用無線數(shù)傳電臺，此時仍可獲得較快的傳輸速率。若無線模塊和無線數(shù)傳電臺不能滿足需求，則可以使用GPRS，此時傳輸速率有所下降，且有較小延時；若在遠海，則可以使用銥星模塊。本系統(tǒng)可以同時滿足近海和遠海數(shù)據(jù)通信的需求。

2 系統(tǒng)原理
2．1 通信方式智能切換選擇策略
    本收發(fā)平臺使用的選擇策略主要是：優(yōu)先級選擇策略、信號質(zhì)量選擇策略和通信保持策略。
    優(yōu)先級選擇策略：由于四種通信方式有不同的傳輸速率、不同的傳輸距離和不同的延遲，同時考慮到海洋上特殊的環(huán)境以及盡量高速率、長傳輸距離、小延遲的通信要求，所以設(shè)置無線模塊、數(shù)傳電臺模塊、GPRS模塊及銥星模塊的優(yōu)先級依次為0～3，值越小，優(yōu)先級越高，同時可以依據(jù)協(xié)議由用戶設(shè)置模塊優(yōu)先級。
    信號質(zhì)量選擇策略：系統(tǒng)在運行后，會運行通信守護進程，并定時檢測各通信方式的信號質(zhì)量，從而進一步保證通信的正常進行。
    通信保持策略：收發(fā)平臺會優(yōu)先使用最近使用過的通信方式，若該通信方式故障，則會嘗試盡量多的次數(shù)來完成未完成的數(shù)據(jù)傳輸。用戶可依據(jù)協(xié)議設(shè)置嘗試次數(shù)及超時時間。
    用戶也可以依據(jù)協(xié)議設(shè)置以上三種策略的優(yōu)先關(guān)系。
2．2 通信協(xié)議制定
    通信協(xié)議是通信能否正常進行的重要保證。本收發(fā)平臺具有如下特點：一、用戶與收發(fā)平臺之間的通信需要有基本的重發(fā)確認機制，考慮到使用RS232通信鏈路重復(fù)出現(xiàn)故障的可能性叫小，所以該機制不需要復(fù)雜；二、用戶需要對收發(fā)平臺進行簡單的配置；三、收發(fā)平臺之間的通性應(yīng)該可以實現(xiàn)定點傳輸、廣播傳輸及轉(zhuǎn)發(fā)。因此，協(xié)議的制定至少包括兩個方面：用戶與收發(fā)平臺通信協(xié)議和收發(fā)平臺間通信協(xié)議。

    圖2所示為用戶與收發(fā)平臺通信協(xié)議。劃分為三層：物理層、傳輸層、應(yīng)用層。各層功能如下：物理層提供數(shù)據(jù)的實際傳輸，由RS232來完成，傳輸層只需以字節(jié)為單位發(fā)送數(shù)據(jù)即可；傳輸層負責檢測網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)以及數(shù)據(jù)幀的提??；應(yīng)用層依據(jù)幀類型完成用戶要執(zhí)行的操作。協(xié)議中：起始字符為“@”，占1字節(jié)；數(shù)據(jù)長度為幀中數(shù)據(jù)字段的長度，占1字節(jié)；校驗和對全幀進行校驗，若為0，則表示忽略校驗，占1字節(jié)；結(jié)束字符為“#”，占1字節(jié)。
    幀類型占1字節(jié)，具體如下：
    0：此時數(shù)據(jù)段為要發(fā)送的數(shù)據(jù)，收發(fā)平臺不必理會其內(nèi)容，類似于透明傳輸，且通過何種方式傳輸由收發(fā)平臺決定；
    1：與類型0相似，但使用由用戶指定的通信方式，0為無線通信、1為無線數(shù)傳電臺、2為GPRS、3為銥星，其它值表示不使用該通信方式；
    2：對用戶指定的通信方式設(shè)定通信速率，0為9 600 bps，1為19 200 bps，此時，數(shù)據(jù)字段長度應(yīng)為兩字節(jié)；
    3：此時數(shù)據(jù)字段應(yīng)為四字節(jié)，依次為通信方式0～3的優(yōu)先級，且不可重復(fù)；
    4：此時數(shù)據(jù)字段應(yīng)為三字節(jié)，依次代表重發(fā)次數(shù)、發(fā)送超時時間(占兩字節(jié))，單位為毫秒。
    5：設(shè)置收發(fā)平臺的目的地址，此時數(shù)據(jù)字段應(yīng)為一字節(jié)，無需每次都設(shè)定；
    255：此時數(shù)據(jù)字段長度為零，表示對用戶發(fā)來的數(shù)據(jù)進行確認。
    圖3所示為收發(fā)平臺間通信協(xié)議，劃分為兩層：物理層、傳輸層。各層功能如下：物理層提供數(shù)據(jù)的實際傳輸，對于無線模塊和數(shù)傳電臺，提供的是連續(xù)的字節(jié)流傳輸，對于GPRS和銥星，提供的是不連續(xù)的以字節(jié)為最小單位的塊數(shù)據(jù)傳輸；傳輸層負責數(shù)據(jù)幀的提取，依據(jù)目的地址和該節(jié)點地址，接收、轉(zhuǎn)發(fā)或丟棄數(shù)據(jù)包，并提取接收數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)字段傳輸給用戶，且在任何時候都只接收但不轉(zhuǎn)發(fā)目的地址為廣播的數(shù)據(jù)包。協(xié)議中：起始字符為“@”，占1字節(jié)；目的地址占用1字節(jié)，255為廣播地址；源地址占用1字節(jié)；跳數(shù)為數(shù)據(jù)包可以被轉(zhuǎn)發(fā)的次數(shù)，為0時丟棄；數(shù)據(jù)長度為包中數(shù)據(jù)字段的長度，占1字節(jié)；校驗和對數(shù)據(jù)長度和數(shù)據(jù)字段進行校驗，若為0，則表示忽略校驗，占1字節(jié)；結(jié)束字符為“#”，占1字節(jié)。

3 硬件設(shè)計
    考慮到收發(fā)平臺需要至少五路RS232接口，且可能要同時操作四種通信方式來傳輸數(shù)據(jù)，綜合考慮，選用處理能力強的AT91SAM9260作為CPU；選用9XTend作為無線收發(fā)模塊，該模塊在使用高增益天線時最遠可達64 km，使用偶極天線時通信距離可達22 km；選用通信距離更遠的型號為MDS2710C的無線SCADA數(shù)傳電臺模塊；選用型號為GF-2008AW的GPRS模塊；選用9522A L-Band銥星收發(fā)模塊通過銥星衛(wèi)星與陸地基站進行通信。同時，為了存儲未能及時發(fā)出去的數(shù)據(jù)以及系統(tǒng)配置，添加SD卡作為存儲介質(zhì)。圖4所示為收發(fā)平臺硬件框圖。

4 軟件設(shè)計
4．1 主控AT91SAM9260程序設(shè)計
    收發(fā)平臺要完成的功能主要是：與用戶通信、四種通信方式的控制與維護、數(shù)據(jù)存儲。開機后，收發(fā)平臺CPU讀取系統(tǒng)配置進行初始化，包括CPU本身初始化、RS232接口初始化、SD卡接口初始化、定時器初始化、通信模塊初始化。之后系統(tǒng)進入工作狀態(tài)。圖5所示為收發(fā)平臺正常工作時軟件流程圖，若某個通信模塊出現(xiàn)故障，CPU會關(guān)閉該模塊，當四種通信模塊都出現(xiàn)故障時，CPU將通知用戶，對于用戶發(fā)送的數(shù)據(jù)均不作出響應(yīng)。

4．2 上位機軟件設(shè)計
    上位機軟件即岸基數(shù)據(jù)接收服務(wù)中心軟件完成計算機用戶與收發(fā)平臺間的通信，主要包括以下功能：收發(fā)平臺的配置、數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送、數(shù)據(jù)的圖表化顯示及存儲、歷史數(shù)據(jù)的顯示與分析。圖6所示為上位機軟件主界面。

    上位機軟件使用Visual C++語言設(shè)計，窗口設(shè)計主要包括主窗口、系統(tǒng)配置窗口、歷史數(shù)據(jù)分析窗口。主界面接收數(shù)據(jù)圖表顯示區(qū)能反映接收到的數(shù)據(jù)的變化趨勢，并可向收發(fā)平臺傳輸數(shù)據(jù)，實現(xiàn)收發(fā)平臺的配置和數(shù)據(jù)收發(fā)。歷史數(shù)據(jù)分析窗口能以圖表方式反映歷史數(shù)據(jù)。

5 結(jié)束語
    本收發(fā)平臺目前可以支持網(wǎng)絡(luò)內(nèi)存在最多255個收發(fā)平臺，已經(jīng)滿足了當前的需求，并已成功用于海洋數(shù)據(jù)傳輸。在后續(xù)改進中，可設(shè)計實現(xiàn)多個收發(fā)平臺的組網(wǎng)傳輸，進而更大程度上滿足數(shù)據(jù)長時間全天候傳輸?shù)男枨蟆?/p>