基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的船舶數(shù)據(jù)傳輸裝置設(shè)計(jì)

吳 杰，陳永冰，鐘 斌，周 崗

（海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢 430033）

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的飛速發(fā)展，海上運(yùn)輸業(yè)務(wù)量日益擴(kuò)大，船舶航行安全評(píng)估、航行管理等工作中需要掌握實(shí)船航行數(shù)據(jù)。隨著網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)快速發(fā)展，遠(yuǎn)距離無線數(shù)據(jù)傳輸經(jīng)過多年的開發(fā)與實(shí)際運(yùn)用，已逐步成熟，為在航船舶數(shù)據(jù)無線傳輸提供了方便。

無線數(shù)據(jù)的傳輸有多種方案，比如藍(lán)牙、WiFi、ZigBee等，可以滿足近距離通訊的需要。在航船舶與陸基數(shù)據(jù)服務(wù)器之間距離較遠(yuǎn)，GPRS信號(hào)在遠(yuǎn)離海岸時(shí)無法覆蓋，就需要對(duì)無信號(hào)覆蓋海域航行過程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)先存儲(chǔ)在 SD卡中，在船舶靠岸連接到GPRS網(wǎng)絡(luò)后再對(duì)SD中的航行數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送。本文旨在搭建在航船舶數(shù)據(jù)終端和陸基數(shù)據(jù)服務(wù)器中心的數(shù)據(jù)鏈路。

1 船舶數(shù)據(jù)采集傳輸裝置整體方案設(shè)計(jì)

在船舶數(shù)據(jù)終端，采用 STM32控制器為控制核心，SIM900A作為數(shù)據(jù)收發(fā)模塊。GPRS數(shù)據(jù)傳輸是基于TCP/IP協(xié)議之上的，數(shù)據(jù)包在船舶數(shù)據(jù)終端與GPRS服務(wù)器之間，這就意味著所有的數(shù)據(jù)報(bào)文都要基于TCP/IP包。STM32將已存儲(chǔ)在SD卡上的數(shù)據(jù)按服務(wù)器要求通過串口發(fā)送給SIM900A模塊，SIM900A將自動(dòng)把數(shù)據(jù)打包成TCP/IP包，再經(jīng)由GPRS網(wǎng)絡(luò)和Internet在線的陸基服務(wù)器主機(jī)建立通信鏈路并發(fā)送出數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸?shù)逆溌啡鐖D1所示。

2 船舶數(shù)據(jù)終端硬件設(shè)計(jì)

在硬件設(shè)計(jì)方面主要包括主控電路部分、通信模塊電路和供電電路部分以及相關(guān)接口的設(shè)計(jì)。圖2是硬件結(jié)構(gòu)框圖。

圖1 數(shù)據(jù)傳輸鏈路原理圖

圖2 船舶數(shù)據(jù)終端硬件總體結(jié)構(gòu)框圖

2.1 STM32F107數(shù)據(jù)處理單元

本系統(tǒng)采用32位微控制器STM32F107作為控制核心。該處理器采用 ARM 公司最新的 V7體系架構(gòu)的內(nèi)核 Cortex-M3，它的速度比 ARM7快三分之一，功耗低四分之三，同時(shí)集成了分支預(yù)測(cè)，硬件除法，單周期乘法等功能，極大地提升了處理器的數(shù)據(jù)處理能力，同時(shí)采用最新的Thumb-2指令集，有效地降低了代碼的密度，提升了程序的執(zhí)行效率。STM32F107有豐富的片上資源和I/O接口，不但簡(jiǎn)化了系統(tǒng)硬件，且STM32不同型號(hào)產(chǎn)品在引腳和軟件上具有完美的兼容性。其最高運(yùn)行速度可達(dá)72 MHz，具有256k字節(jié)的Flash、64 k字節(jié)的RAM，大大提高了程序運(yùn)行速度。豐富的I/O接口使其通信能力增加，包括3個(gè)SPI接口、5個(gè)USART串行接口、2個(gè)I2S口、2個(gè)I2C口。另外STM32F107擁有全速USB（OTG）接口、兩路 CAN接口，以及以太網(wǎng)10/100MAC模塊。

在船舶數(shù)據(jù)終端的硬件電路中以STM32F107為核心處理器，在其外圍除了布設(shè)電源、晶振和復(fù)位等基本電路外，根據(jù)船舶的實(shí)際情況，又添加了下列相關(guān)電路。

1）串口電路。傳感器等采集系統(tǒng)收集來的參數(shù)數(shù)據(jù)是經(jīng)過串口總線與微處理器通信的，本系統(tǒng)采用了工業(yè)中廣泛使用的RS485半雙工異步通信總線，在串口電路設(shè)計(jì)中采用了隔離型RS485收發(fā)器，保證串口通訊的穩(wěn)定和數(shù)據(jù)收發(fā)的準(zhǔn)確。

2）加速度計(jì)電路。船舶在海上的航行狀況和航行的海況有很大的關(guān)聯(lián)，而船舶的縱橫搖角度是反映船舶航行穩(wěn)定性的重要數(shù)據(jù)，而這些數(shù)據(jù)不容易直接獲取，這里設(shè)計(jì)通過一個(gè)加速度計(jì)電路來采集，為了采集加速度參數(shù)數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用了 ADXL345芯片。這是一款體積小，功耗低的可以測(cè)量x，y，z三個(gè)方向的加速度計(jì)，能夠測(cè)量-16g～+16g范圍的加速度。能夠測(cè)量?jī)A斜中的靜態(tài)重力加速度和運(yùn)動(dòng)中的動(dòng)態(tài)加速度，且測(cè)量精度能達(dá)到分級(jí)別。再根據(jù)傾角和加速度的關(guān)系換算出縱橫搖角度的量。

3）存儲(chǔ)電路。GPRS網(wǎng)絡(luò)無法覆蓋遠(yuǎn)離海岸的區(qū)域，為了解決無網(wǎng)絡(luò)情況下的數(shù)據(jù)處理問題防止數(shù)據(jù)的丟失，這里采用在船舶數(shù)據(jù)終端加上一個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路，將航行參數(shù)數(shù)據(jù)保存記錄在存儲(chǔ)設(shè)備中。在船舶返港和靠海岸時(shí)，GPRS網(wǎng)絡(luò)可以連通的情況下，再將之前存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)鏈路發(fā)送到陸基服務(wù)器中心。

圖3 主控芯片及外圍電路框圖

2.2 通信模塊設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用GPRS作為遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)在航船舶航行數(shù)據(jù)的發(fā)送。選取SIMCOM公司的緊湊型產(chǎn)品 SIM900模塊作為本課題的GPRS控制模塊。它不僅是一款兩頻段GSM/GPRS無線模塊，而且內(nèi)部具有 TCP/IP協(xié)議，可以將數(shù)據(jù)通過IP協(xié)議的格式發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)。不僅縮短了軟件開發(fā)周期，而且減少了軟件設(shè)計(jì)的繁瑣。

SIM900A采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口，工作頻率為GSM/GPRS850/900/1800/1900 MHz，可以低功耗實(shí)現(xiàn)語音、SMS、數(shù)據(jù)和傳真信息的傳輸。SIM900A模塊的原理圖如下：

圖4 SIM900A 模塊電路

SIM900A模塊與STM32是通過USART連接的，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換和通信，硬件設(shè)計(jì)也較簡(jiǎn)單。SIM900A模塊與STM32對(duì)應(yīng)的連接端口是RXD與USART2_TXD，TXD與USART2_RXD，用以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。其中SIM900上的引腳10 RXD口是用于接收STM32傳來的數(shù)據(jù)，最終數(shù)據(jù)通過SIM900A外接的天線發(fā)送出去到服務(wù)器，引腳9 TXD口是用于向STM32發(fā)送數(shù)據(jù)。

圖5 SIM900A與STM32控制器連接示意圖

2.3 供電電路設(shè)計(jì)

在主電路中，主控芯片 STM32F107的工作電壓為3.3 V，通信芯片SIM900 A的工作電壓為4 V，為了使模塊各個(gè)部分正常運(yùn)行，必須對(duì)兩者分別進(jìn)行供電，設(shè)計(jì)的電源供電電路如下：

圖6 電源電路

3 船舶數(shù)據(jù)發(fā)送鏈路的搭建

要實(shí)現(xiàn)在航船舶航行數(shù)據(jù)的發(fā)送，就要求在終端和服務(wù)器之間建立一個(gè)穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)通道。考慮到應(yīng)用規(guī)模適中，而且數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性要求不高，選擇采用無固定公網(wǎng)IP主機(jī)配合最新版內(nèi)網(wǎng)穿透的花生殼域名解析軟件來搭建數(shù)據(jù)鏈路，將處于網(wǎng)絡(luò)覆蓋中的船舶上的航行數(shù)據(jù)按要求傳輸?shù)疥懟?wù)器上。

經(jīng)過多方案測(cè)試，這種數(shù)據(jù)鏈路的搭建方式還可以用于無線設(shè)備上網(wǎng)的電腦服務(wù)器上，由于移動(dòng)GPRS網(wǎng)絡(luò)可看作成一個(gè)巨大的內(nèi)網(wǎng)，而最新的花生殼內(nèi)網(wǎng)版經(jīng)過測(cè)試可以穿透這個(gè)移動(dòng)無線網(wǎng)絡(luò)，而后再與 Internet在線的服務(wù)器進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)的傳輸。

圖7 花生殼域名服務(wù)軟件

通過域名的方式來連接服務(wù)器，首先需要有一個(gè)固定域名，比較后選用花生殼這款軟件。在花生殼網(wǎng)站上注冊(cè)一個(gè)個(gè)人賬號(hào)，會(huì)免費(fèi)獲得一個(gè)域名。在經(jīng)過注冊(cè)登陸后，獲得了一個(gè)免費(fèi)域名為：ctxc0805.xicp.net。圖7是花生殼域名服務(wù)軟件的界面，可以看到陸基數(shù)據(jù)服務(wù)器電腦的內(nèi)網(wǎng)IP和一個(gè)固定的域名以及相應(yīng)的端口號(hào)。下面我們將用這個(gè)域名來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

3.1 連接的建立與關(guān)閉

微處理器STM32對(duì)通信模塊SIM900A的控制是通過AT指令來實(shí)現(xiàn)的。AT指令是通信模塊識(shí)別控制指令，其基本格式為：AT+命令字符及相關(guān)設(shè)置參數(shù)，模塊識(shí)讀后返回相應(yīng)的參數(shù)和信息。在本設(shè)計(jì)中各模塊上電之后，STM32控制器通過USART2串口向SIM900A模塊發(fā)送預(yù)先在程序中編入的AT指令，執(zhí)行模塊的初始化、波特率設(shè)置、數(shù)據(jù)格式設(shè)置和配置連接的相關(guān)參數(shù)。具體相關(guān)AT指令如下：

1)AT+CPIN？，該指令用于查詢SIM卡的狀態(tài)，主要是 PIN 碼，如果該指令返回：+CPIN:READY，則表明 SIM卡狀態(tài)正常，返回其他值，則有可能是無SIM卡或者 SIM卡不可用。

2)AT+CIPMUX=0，這條命令是用來設(shè)置SIM900A模塊工作在單鏈接方式的，本文中船舶數(shù)據(jù)終端是和服務(wù)器一對(duì)一連接的，故設(shè)置單鏈接模式。

3)AT+CIPMODE=0，這條命令是用來選擇TCP/IP應(yīng)用模式的，如果參數(shù)為0，那么以非透明的方式來應(yīng)用，如果參數(shù)為 1，那么以透明方式來應(yīng)用。本文這里是以非透明的方式來用。

4)AT+IPR="9600"，設(shè)置數(shù)據(jù)通信波特率為9600。

5)AT+CGCLASS="B"，設(shè)置移動(dòng)臺(tái)類別為B，即模塊支持包交換和電路交換模式，但不能同時(shí)支持。

6)AT+CGDCONT=1,"IP","CMNET"，設(shè)置PDP上下文標(biāo)志為 1，采用互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IP），接入點(diǎn)為"CMNET"。

7)AT+CLPORT="TCP","1201"，即設(shè)置TCP連接的本地端口號(hào)為1201。

8)AT+CIPSTART="TCP","ctxc0805.xicp.net","57425"通過申請(qǐng)的固定域名連接服務(wù)器，連接成功后SIM900A返回"CONNECT OK"。此時(shí)船舶數(shù)據(jù)終端就已經(jīng)成功連接到指定的域名為"ctxc0805.xicp.net"的 TCP服務(wù)器也就是陸基的數(shù)據(jù)服務(wù)器電腦，接入的端口號(hào) 57425。這些相關(guān)的AT指令操作都是軟件運(yùn)行完成的：

sim900a_send_cmd("AT+CIPCLOSE=1","CL OSE OK",100);//關(guān)閉連接。

sim900a_send_cmd("AT+CIPSHUT","SHUT OK",100);//關(guān)閉移動(dòng)場(chǎng)景。

if(sim900a_send_cmd("AT+CGCLASS="B"","OK",1000))return1;//設(shè)置移動(dòng)臺(tái)類別為B。

if(sim900a_send_cmd("AT+CGDCONT=1,"I P","CMNET"","OK",1000))return 2;

if(sim900a_send_cmd("AT+CGATT=1","OK",500))return 3;//附著GPRS服務(wù)。

if(sim900a_send_cmd("AT+CIPCSGP=1,"C MNET"","OK",500))return 4;//設(shè)置GPRS連接模式。

為了更加直觀描述 STM32對(duì)通信模塊SIM900A的控制流程和鏈路的建立過程，這里使用串口助手來模擬數(shù)據(jù)鏈路的連接過程和數(shù)據(jù)的發(fā)送情況。完成上述相關(guān)指令的串口發(fā)送后，向TCP SERVER發(fā)送數(shù)據(jù)“Test DATA”，在串口調(diào)試工具發(fā)送如下指令：AT+CIPSEND返回符號(hào)">"在發(fā)送框內(nèi)輸入“Test DATA”手動(dòng)發(fā)送，在手動(dòng)發(fā)送“TEST DATA”后，以十六進(jìn)制發(fā)送1A結(jié)束，返回SEND OK。此時(shí)已經(jīng)把測(cè)試的數(shù)據(jù)“Test DATA”發(fā)送出去，可以在數(shù)據(jù)服務(wù)器上的網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手上看到從通信模塊 SIM900A發(fā)來的數(shù)據(jù)“Test DATA”。整個(gè)運(yùn)行流程及測(cè)試結(jié)果如下圖所示。

若要關(guān)閉已經(jīng)連接的數(shù)據(jù)通道，發(fā)送指令A(yù)T+CIPCLOSE，用于關(guān)閉TCP/UDP連接。發(fā)送：AT+CIPCLOSE=1，即可快速關(guān)閉當(dāng)前TCP/UDP連接。

3.2 斷線重連的處理

船舶的航行環(huán)境多變無疑會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)鏈路的狀態(tài)帶來影響，GPRS網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的差異會(huì)在數(shù)據(jù)鏈路上產(chǎn)生掉線和重連的情形。TCP鏈接的建立涉及到的 AT命令 AT+CIPSTART，該指令有兩個(gè)返回值，分別是模塊的IP地址和端口號(hào)。首先將AT+CIPSTART指令返回的當(dāng)前模塊的IP地址和端口號(hào)存放到一個(gè)Buf中，然后將這個(gè)Buf寫入到串口 2中，如果之后能夠讀取到返回值“CONNECT OK”，就表示TCP鏈接已經(jīng)建立好。

TCP鏈接的關(guān)閉涉及到的 AT命令是AT+CIPCLOSE，該指令沒有返回值，可以直接將該指令寫到串口 2中，如果檢測(cè)到“CLOSE OK”，就表示TCP鏈接已經(jīng)被關(guān)閉。STM32在檢測(cè)Buf的內(nèi)容可以判斷TCP連接是否已經(jīng)建立或者是服務(wù)器控制模塊下線。

若意外掉線的情況下，就需要模塊自動(dòng)重連，重連需要用到DCD引腳，當(dāng)TCP連接建立之后，DCD引腳電平就會(huì)由高電平變?yōu)榈碗娖剑訢CD引腳的電平狀態(tài)可以用于指示 TCP的連接狀況。在程序中，設(shè)置時(shí)鐘在上升沿檢測(cè) DCD引腳的狀態(tài)值，當(dāng)該引腳的電平值由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，就表示模塊已經(jīng)掉線，然后模塊就開始重新登陸，重新搭建數(shù)據(jù)鏈路。

圖8 數(shù)據(jù)鏈路發(fā)送數(shù)據(jù)測(cè)試

4 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)結(jié)合ARM芯片STM32F107、通信模塊SIM900A以及域名服務(wù)軟件花生殼，設(shè)計(jì)了一個(gè)便于遠(yuǎn)航船舶數(shù)據(jù)采集的通信鏈路。考慮了硬件和相關(guān)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的成本，解決了便攜式電腦的在無線上網(wǎng)環(huán)境下無固定IP作為服務(wù)器的問題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，整個(gè)數(shù)據(jù)鏈路通信狀況良好，能滿足測(cè)試數(shù)據(jù)的發(fā)送。鏈路系統(tǒng)穩(wěn)定可靠且功耗較低，運(yùn)行成本低廉，對(duì)方便快捷采集在航船舶相關(guān)數(shù)據(jù)起了促進(jìn)作用。

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