基于樹莓派的遠程塔臺技術模擬研究*

，

(中國民用航空飛行學院 空中交通管理學院，廣漢 618307)

引　言

所謂的遠程塔臺技術[1]是指為偏遠地區的小型機場提供遠程管制服務的技術。管制員并不能通過所在塔臺的窗口直接觀察到管制地區機場內的飛機，而是通過將現場的實時視頻信號傳輸到遠方管制室來實現對飛機的遠程指揮[2]。在管制員實施管制服務的整個過程當中，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，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機場內的各種傳感器、告警系統、燈光系統以及相關的空中交通管理與監視設備進行操控。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，這些信息數據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，直接將信息采集設備收集的信息整理并傳輸，該種方法效率較高，且開發板體積小巧，操作便利，搭建簡單，整體性強，能較好地根據即將進行的多種測試進行調整。采用路由器創造無線網環境，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，并利用其進行數據傳輸。

局域網環境下數據傳輸快，延遲低，且有效解決了有線數據傳輸的布線復雜和成本問題。所搭建好的實驗平臺如圖1所示，相關平臺原理圖如圖2所示，Linux是一種開源的操作系統，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結在一起，利用Python的相關編程設計，實現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架構處理器和 Linux 操作系統，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，與傳統的嵌入式開發平臺相比，在速度、集成度、價格和效率上有著明顯的優勢，因而上市以來在嵌入式開發領域發展迅速。本文將以樹莓派Raspberry Pi 3B型機作為開發機，它搭載了1.2 GHz的64位4核處理器，內裝802.11 b/g/n無線網卡和藍牙4.1適配器，最大驅動電流增為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規范接口；MicroSD卡槽；17個GPIO及HAT 規格鋪設[4]。

圖3　實驗所用的樹莓派

2.2　DHT11簡介

DHT11是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器[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 ℃。它應用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保產品具有極高的可靠性和卓越的長期穩定性。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。因此該產品具有品質卓越、響應快、抗干擾能力強、性價比極高等優點。每個DHT11傳感器都在極為精確的濕度校驗室中進行校準。校準系數以程序的形式存在OTP內存中，傳感器內部在檢測信號的處理過程中要調用這些校準系數。單線制串行接口使系統集成變得簡易快捷。超小的體積、極低的功耗，使其成為該類應用中在苛刻應用場合的最佳選擇。產品為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 小板開關數字量輸出接口，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地面無線數字電視信號和DAB FM等無線信號。在視頻監控方面，使用樹莓派的CSI接口攝像頭。

3　程序設計及相關功能實現

3.1　影像監視及視頻流傳輸

用樹莓派板子上的內置Camera接口來獲取影像，通過網絡Streaming Protocol的方法將攝像機的影像傳到網絡上，用VLC軟件來實現遠程監控[6]。其命令如下：

$sudo apt-get update

$sudo apt-get upgrade #更新系統的安裝程序apt-get

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

$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 #執行streaming，制作視頻流(參數介紹：w視頻寬度，h視頻高度，fps每秒傳輸幀數，dst網絡的端口，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),就能監視樹莓派的實時影像，所監視的飛機模型如圖7所示。

圖6　樹莓派Teminal終端顯示

圖7　遠程監視的畫面

3.2　溫濕度氣象數據的采集及傳輸

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結在一起[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Unix/Linux、Mac、Windows都可以直接在命令模式下直接運行Python交互環境。直接下達操作指令即可實現交互操作。樹莓派Raspberry Pi的操作系統是Linux系統，因此選用Python語言通過相應的編程來調用DHT11模塊功能，獲取溫濕度數據。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，兩者的區別大致是bcm的pin的序號為0，1，3，...是與每一個GPIO引腳對應的，不包含GND和電源之類的在內，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，應在setmode函數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模塊有兩個關鍵的時序信號：開始握手階段和數據發送階段。開始握手階段：主機端GPIO發送開始信號首先拉低至少18 ms，然后拉高20～40 μs，模式變為IN等待信號輸入，DHT11等待主機端開始信號(低電平)結束后，發送80 μs低電平響應開始信號，然后DHT11拉高電平80 μs。握手完畢，如圖8所示。

數據發送階段：一次的濕度和溫度數據，DHT11需要發送40位(0、1)數據，每一位數據之前都以50 μs低電平開始，隨后的高電平時序信號，持續26～28 μs表示這一位是0，持續70μs表示這一位是1，然后繼續50 μs低電平，緊接著下一位的高電平開始，如圖9所示。40位數據的組成=8位濕度整數部分+8位濕度小數部分(暫時沒用)+8位溫度整數部分+8位溫度小數部分(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位轉換成整型數字。

圖8　開始握手階段

圖9　數據發送階段

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位轉換成一個十進制數字，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，當前所測溫度為19 ℃，濕度為36%。為了檢驗所測數據的準確性，把手指放在DHT11傳感器上，顯示結果會明顯發生變化，溫濕度值均會升高。

3.3　航班監視實現

所需要的軟件都是在網上的，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，網址位于：http://github.com/pinkavaj/rtl-sdr.git，它是一個RTL28320芯片的控制軟件，負責控制電視棒頻率，類似破解驅動。另一個是“dump1090”軟件，網址位于：https://github.com/antirez/dump1090。它是一個把無線電中的數字信號提取出來并解碼的軟件[8]，就是解碼S模式應答機的內容，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　錯誤數據的校驗

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據信息，如圖12所示，既能收到中國民航飛行學院廣漢分院訓練用的小型機，又能收到在空中飛過的大型民航運輸客機的信息，界面的相關參數為：Hex16進制數據、Flight航班號、Altitude飛行高度、Speed飛行速度、Lat/Long經緯度地理坐標。用遠程控制的筆記本電腦進一步訪問http://192.168.0.103:8080，便可獲取結合Google地圖的詳細飛機軌跡等相關信息[10]，如圖13所示。對于民航客機，還可訪問FlightAware、FlightStats等相關網站，獲取和此航班有關的更多信息，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　結合Google地圖的顯示畫面

圖14　訪問FlightAware獲取航班信息

結　語

本文介紹了遠程塔臺的主要實現和工作原理，并羅列了主要的程序設計過程。程序設計主要通過Linux系統和Python語言完成，實現了對遠程終端(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，溫濕度氣象數據的獲取，ADS-B信號接收的功能。本次模型建設基本實現遠程塔臺技術的幾個基本功能，但在功

能的實現中，還存在一些不足之處：影像視頻傳輸存在2～3 s的延遲，氣象數據只采集了溫濕度，還可添加更多的傳感器模塊,實現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確地識別時序信號，而且在樹莓派執行多任務時，很可能錯得很離譜。