基于銥星的數據傳輸系統(tǒng)研究

馬鳳強 魯晶 孫久武

摘 要：近年來，偏遠地區(qū)數據傳輸技術不斷發(fā)展，但仍然存在諸多缺點，如數據傳輸距離受限，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據傳輸系統(tǒng)，對目前偏遠地區(qū)數據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據傳輸系統(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據接收系統(tǒng)。銥星通信子系統(tǒng)接收數據，然后將數據傳輸至銥星基站。數據接收子系統(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據，并對數據進行解析和存儲。

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

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)星數據傳輸的資費以數據量計算，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據量，采用數據壓縮技術對數據進行壓縮是有效的解決辦法。另一方面是數據的安全性問題[1]。我國自主產權的北斗衛(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)的數據傳輸均要先通過國外的數據處理中心，經處理之后再分發(fā)給國內用戶，數據的安全性從根本上得不到保證。所以為了保證數據安全，需要采用數據加密技術對數據進行加密。

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據接收終端上位機的設計，采用點對服務器的數據接收方式實現。

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電壓經過一個電壓控制芯片給銥星模塊供電，同時經過電壓轉換芯片轉換成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5V電壓到3.3V電壓的電平轉換，

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系列產品，便于ST的用戶擴展或升級產品，而保持硬件的兼容能力。集成了新的DSP和FPU指令，168MHz的高速性能使得數字信號控制器應用和快速的產品開發(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)行和數據傳輸并行處理，數據傳輸速率非?？?。

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電平轉換為RS232標準，電平轉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電源供電時能夠實現真正的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數據速率，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)境觀測數據傳輸系統(tǒng)長期運行、數據量大、對數據可靠性和數據實時性要求較高等特點，本文數據接收系統(tǒng)采用“點對服務器”的數據接收方式。銥星提供直接將服務器中的數據通過網關與客戶端應用程序進行傳輸的服務，銥星提供的服務器數據傳輸方式是基于 Socket 的 Direct Internet Protocol（Direct IP）方式。Direct IP 傳輸是指海洋數據通過銥星網絡上傳至銥星基站，基站處理（加 4 個字節(jié)，作為牽手協(xié)議）后，通過國際網關，直接給綁定的服務器發(fā)送數據，SBD 格式傳輸的官方時間在 8 秒內[4]。同時，通過服務器也可以反向對觀測終端發(fā)送指令。服務器沒有收發(fā)字節(jié)長度的限制，數據傳輸的長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據，不需要進行下載操作。

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

根據數據的傳輸方向，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 數據子系統(tǒng)）作為客戶端，用戶應用端作為服務器端，數據由 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，數據由用戶應用端傳向Iridium GSS。

海洋環(huán)境觀測數據傳輸系統(tǒng)主要實現將海洋數據傳回研究人員手中，本文設計服務器時只實現了 MO Direct IP 的傳輸過程，即 Iridium GSS（銥星 SBD 數據子系統(tǒng)）作為客戶端，用戶應用端作為服務器端，數據由 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 推送數據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據推送完畢。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 載荷數據并關閉 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，服務器端在解析數據之前會接收全部的 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，通過以太網與銥星網關通信，接受來自銥星信標的數據，并對銥星數據進行解析和存儲。系統(tǒng)服務器軟件與銥星網關使用 TCP 通信協(xié)議進行通信，在 Lab VIEW 中基于 TCP的網絡通信通過 TCP 節(jié)點來實現，TCP 節(jié)點位于函數選板的“數據通信→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，當銥星網關需求發(fā)送數據，會向服務器軟件發(fā)起連接，服務器軟件接收來自銥星網關的連接請求，建立連接[5]。服務器軟件接收銥星網關發(fā)送的數據，對數據進行解碼，并將解碼后的數據進行存儲。數據接收完畢后，服務器軟件關閉連接，繼續(xù)監(jiān)聽端口，等待下一次數據傳輸。

服務器軟件中，“信息接收窗口”實時顯示接收的數據，數據有十六進制和ASCII碼兩種顯示格式可選?！斑B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！”，當數據傳輸完畢，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)計接收數據字節(jié)及次數。

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

下面的數據為設備的POT傳感器的數據，以供上位機判斷數據終端設備的狀況 ：

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

下面數據為設備的SAF傳感器數據，采集到的數據，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.總結與展望

本文對基于銥星的數據傳輸系統(tǒng)進行了整體設計，詳細介紹了數據傳輸的軟硬件設計，以及數據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據傳輸要求，對接收主控板數據并存儲，最終通過銥星網絡進行數據發(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。

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

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