北斗短報(bào)文與固定電話語音通訊服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

傅 軍，常 揚(yáng)，寧治文，呂宇鵬

(海軍工程大學(xué) 電氣工程學(xué)院，武漢 430033)

0 引言

我國(guó)21世紀(jì)初建立北斗試驗(yàn)系統(tǒng)，是繼美國(guó)、俄羅斯兩大國(guó)之后，擁有獨(dú)立衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國(guó)家[1-3]。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可用來定位地面目標(biāo)，全范圍覆蓋并提供相關(guān)數(shù)據(jù)[4]，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)著眼于國(guó)家安全和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要，可以為我國(guó)乃至全球其它用戶提供全天候、全天時(shí)、高精度、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)[5-7]，還可以進(jìn)行其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)不具備的短報(bào)文服務(wù)[8]。

北斗系統(tǒng)的短報(bào)文功能，使用方便、成本低、覆蓋范圍廣，具有GPS (global positioning system,GPS)所不具有的通信功能，既能通信又能定位[9-10]，它的信息傳輸不受天氣影響，可以24小時(shí)工作，種種優(yōu)點(diǎn)促使了國(guó)內(nèi)相關(guān)高校和科研機(jī)構(gòu)深入發(fā)掘和研制。北斗系統(tǒng)的短報(bào)文功能在國(guó)防領(lǐng)域有很強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值，采用北斗短報(bào)文通信，可以有效傳遞信息[11]，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)具備短報(bào)文通信功能，實(shí)現(xiàn)無地域限制的兩地通信，極大方便了用戶。在移動(dòng)通信基站受災(zāi)或受敵破壞，電力中斷，通訊受限的情況下可以使用具有短報(bào)文通信功能的北斗終端進(jìn)行短消息通信。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的這一功能廣泛應(yīng)用于應(yīng)急救援、野外活動(dòng)、海上作業(yè)等場(chǎng)合，如2008年汶川地震時(shí)，災(zāi)區(qū)受災(zāi)嚴(yán)重，地面通信基站、電力系統(tǒng)等遭到嚴(yán)重破壞，傳統(tǒng)通信方式受到限制，第一批進(jìn)入災(zāi)區(qū)的救援部隊(duì)就利用北斗短報(bào)文突破了通信盲點(diǎn)，與外界取得了聯(lián)系，報(bào)告了災(zāi)區(qū)的受災(zāi)情況，方便指揮部下達(dá)救援指令，進(jìn)一步部署救災(zāi)工作。此外，在大洋、沙漠、森林等沒有通信網(wǎng)絡(luò)的地方，利用具備北斗短報(bào)文功能的終端即可定位自己的位置且向外界發(fā)布文字信息，提供了“無人區(qū)”工作的安全保障。

短報(bào)文通信中依然存在諸多問題，首先，現(xiàn)有的北斗用戶終端體積較大，每人手持一部北斗用戶終端進(jìn)行通信并不便捷，其次北斗短報(bào)文通信相對(duì)封閉，不能與智能移動(dòng)終端或者固話座機(jī)進(jìn)行有效連接，導(dǎo)致使用范圍受限，人機(jī)交互不方便，此外，在公安、部隊(duì)等對(duì)保密性、可靠性、真實(shí)性、權(quán)威性要求很嚴(yán)的應(yīng)用場(chǎng)景下，或在信號(hào)屏蔽或者惡劣環(huán)境下，通信也會(huì)受到阻礙或干擾。因此，有必要設(shè)計(jì)一種用于解決基于北斗短報(bào)文通信安全性、可靠性、局限性問題的北斗短報(bào)文與固定電話通訊服務(wù)系統(tǒng)。

綜上，本文設(shè)計(jì)了一款北斗短報(bào)文與固定電話語音通訊服務(wù)系統(tǒng)，利用北斗電話網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)北斗用戶終端與固話座機(jī)或移動(dòng)電話的互聯(lián)互通，解決了現(xiàn)有北斗用戶終端相對(duì)封閉，導(dǎo)致使用范圍受限的問題，例如高原、沙漠、森林和海洋等特殊區(qū)域與外界通信困難，擴(kuò)展了北斗短報(bào)文的通信應(yīng)用范圍，提高了特殊區(qū)域通信效率，實(shí)現(xiàn)了信息的高效傳輸，為特殊區(qū)域各項(xiàng)任務(wù)的順利執(zhí)行提供了通信及導(dǎo)航保障，對(duì)通導(dǎo)一體化建設(shè)具有重要意義，同時(shí)提高了北斗短報(bào)文的通信應(yīng)用安全。

1 通訊服務(wù)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用北斗一號(hào)用戶機(jī)數(shù)據(jù)接口2.1協(xié)議，以STM32系列單片機(jī)為數(shù)據(jù)處理單元,實(shí)現(xiàn)北斗短報(bào)文與固定電話座機(jī)的雙向通信功能，并提高用戶使用體驗(yàn)?；诒倍范虉?bào)文功能的固定電話語音通訊服務(wù)系統(tǒng)，只需一方具有正常電話網(wǎng)或移動(dòng)通信基站信號(hào)即可實(shí)現(xiàn)短報(bào)文通信。北斗電話網(wǎng)關(guān)是系統(tǒng)的核心單元，利用北斗短報(bào)文經(jīng)北斗電話網(wǎng)關(guān)息提取傳輸內(nèi)容并轉(zhuǎn)換成語音，可將語音信息播報(bào)至目標(biāo)固定電話座機(jī)或移動(dòng)電話，實(shí)現(xiàn)串口字符信息的語音播報(bào)，此外，固定電話座機(jī)或移動(dòng)電話撥打北斗網(wǎng)關(guān)，將語音信息轉(zhuǎn)換成文本信息，并發(fā)送到北斗用戶終端。圖1為系統(tǒng)基本圖。

圖1 系統(tǒng)基本功能圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

北斗短報(bào)文通訊系統(tǒng)各部分之間的相互聯(lián)系需要“開關(guān)”，北斗電話網(wǎng)關(guān)模塊起到重要節(jié)點(diǎn)的開關(guān)作用和各模塊連接作用，將北斗用戶終端、上位機(jī)軟件、GPRS (General Packet Radio Service,GPRS)模塊、和通過固定電話網(wǎng)連接的固定電話座機(jī)等連接到一起。根據(jù)系統(tǒng)功能需求，選用STM32微控制器為數(shù)據(jù)處理單元，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)發(fā)功能。上位機(jī)可以直接發(fā)送指令控制整個(gè)電話網(wǎng)關(guān)的操作流程，從而在屏幕上顯示出各種信號(hào)變化，如北斗短報(bào)文信息，其中包括接收時(shí)間、發(fā)送方北斗用戶終端、目標(biāo)話機(jī)號(hào)碼、傳輸內(nèi)容、原始報(bào)文格式存儲(chǔ)，提取碼，提取時(shí)間等。上位機(jī)完成下位機(jī)歷史信息及提取碼的存儲(chǔ)，同時(shí)可手動(dòng)進(jìn)行下位機(jī)語音撥號(hào)，能夠進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)置及系統(tǒng)實(shí)時(shí)狀態(tài)顯示等。選用GPRS模塊將傳感器模擬量數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換成數(shù)字量傳輸?shù)胶笈_(tái)軟件，可對(duì)前端串口數(shù)據(jù)與模擬量數(shù)據(jù)分析和監(jiān)控。微控制器的外部包含：SIM800C四頻GSM/GPRS模塊進(jìn)行手機(jī)短信收發(fā)GPRS電路的設(shè)計(jì)。為了使系統(tǒng)穩(wěn)定而高效傳輸，設(shè)計(jì)所選北斗電話網(wǎng)關(guān)的USB接口，為北斗用戶終端連接北斗電話網(wǎng)關(guān)的RS232接口、固定電話網(wǎng)連接所述RJ11接口、GPRS模塊連接所述北斗電話網(wǎng)關(guān)的RS232接口。圖2為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖：

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 通訊網(wǎng)關(guān)電路設(shè)計(jì)

北斗電話通訊網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)包含數(shù)據(jù)處理單元、存儲(chǔ)單元、語音處理單元、語音識(shí)別單元、電源轉(zhuǎn)換單元、數(shù)據(jù)收發(fā)單元。為滿足系統(tǒng)高性能、低成本、低功耗的要求，選用STM32微控制器為數(shù)據(jù)處理單元，根據(jù)系統(tǒng)功能需求，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)發(fā)功能，選用專有低壓差發(fā)射機(jī)輸出級(jí)的MAX3232芯片實(shí)現(xiàn)RS232串口的TTL電源轉(zhuǎn)換功能，在用戶模塊RS232收發(fā)器電路的設(shè)計(jì)中，MAX3232芯片可實(shí)現(xiàn)RS232串口的TTL電平轉(zhuǎn)換功能，同時(shí)，在FT232控制芯片進(jìn)行上位機(jī)USB接口電路的轉(zhuǎn)換。在語音識(shí)別/處理IC電路的設(shè)計(jì)中，選用非特定人的語音識(shí)別芯片LD3320芯片進(jìn)行語音識(shí)別，單片機(jī)通過讀寫寄存器把識(shí)別詞傳給LD3320，開始語音識(shí)別工作。選用雙音頻編解碼芯片MT8880對(duì)輸入雙音頻信號(hào)進(jìn)行解碼。在電源相關(guān)電路的設(shè)計(jì)中，選用LM2596芯片穩(wěn)壓，選用AMS1117芯片進(jìn)行后置穩(wěn)壓后以降低穩(wěn)壓器和電路超載造成的壓力，同時(shí)將FT232與LM2596芯片穩(wěn)壓用CPCI接口進(jìn)行連接。此外電路中的DB9、SMA天線、W25Q6和晶振等分別與各主要模塊進(jìn)行連接，構(gòu)成整個(gè)通訊網(wǎng)關(guān)電路。通訊網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 通訊網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)示意圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 語音通訊系統(tǒng)上行流程

北斗短報(bào)文與固定電話通訊服務(wù)的實(shí)現(xiàn)步驟，是以北斗用戶終端或者移動(dòng)電話用戶為起始點(diǎn)發(fā)送北斗短報(bào)文信息，移動(dòng)電話用戶信號(hào)盲區(qū)的通信通常采用衛(wèi)星電話或是無線電臺(tái)[12-14]，而北斗用戶也是如此，之后由北斗電話網(wǎng)關(guān)從北斗短報(bào)文信息提取傳輸內(nèi)容并轉(zhuǎn)換成語音，將語音信息播報(bào)至目標(biāo)座機(jī)，具體實(shí)現(xiàn)流程如圖4。

圖4 北斗短報(bào)文轉(zhuǎn)換成固定電話語音流程圖

北斗電話網(wǎng)關(guān)接收北斗用戶終端的北斗短報(bào)文信息，若接收不成功則重新接收，若接收成功則將接收的北斗短報(bào)文信息存儲(chǔ)到北斗電話網(wǎng)關(guān)存儲(chǔ)單元中，語音識(shí)別單元將北斗短報(bào)文信息中的傳輸內(nèi)容轉(zhuǎn)換成語音信息。北斗電話網(wǎng)關(guān)判斷北斗短報(bào)文信息的發(fā)送目標(biāo)是否為固定電話網(wǎng)，若是，則利用語音處理單元對(duì)固定電話網(wǎng)中的目標(biāo)話機(jī)撥號(hào)，若在預(yù)設(shè)撥號(hào)次數(shù)范圍內(nèi)撥號(hào)成功，則播放提示語音，若否，則進(jìn)入由GPRS模塊發(fā)送短消息至移動(dòng)終端，獲取用戶終端輸入的終端提取碼，北斗電話網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)處理單元將獲取的終端提取碼與上位機(jī)數(shù)據(jù)庫中的預(yù)存提取碼進(jìn)行比對(duì)，在預(yù)設(shè)輸入次數(shù)范圍內(nèi)，判斷終端提取碼與預(yù)存提取碼進(jìn)行是否相同，若是，則從北斗短報(bào)文信息中提取傳輸內(nèi)容，并將傳輸內(nèi)容利用語音處理單元播放，若否，則退出程序。最后，返回提取成功信息至發(fā)送方北斗用戶終端。

3.2 語音通訊系統(tǒng)下行流程

固話座機(jī)撥打北斗網(wǎng)關(guān)，將語音信息轉(zhuǎn)換成文本信息，并發(fā)送到北斗用戶終端或移動(dòng)電話的通信，具體實(shí)現(xiàn)流程如圖5。

圖5 固定電話語音轉(zhuǎn)換成北斗用戶信息流程圖

北斗電話網(wǎng)關(guān)接收固話用戶端發(fā)送過來的語音信息，北斗電話網(wǎng)關(guān)的語音識(shí)別單元將獲取到的語音信息轉(zhuǎn)換成文本信息，并按照北斗短報(bào)文通信協(xié)議，利用數(shù)據(jù)處理單元將文本信息轉(zhuǎn)換成北斗短報(bào)文信息，由北斗電話網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)收發(fā)單元向北斗用戶終端發(fā)送北斗短報(bào)文信息，或利用北斗電話網(wǎng)關(guān)的GPRS模塊將文本信息發(fā)送到移動(dòng)電話端。

3.3 語音通話服務(wù)系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)及機(jī)制

3.3.1 網(wǎng)關(guān)處理與轉(zhuǎn)換技術(shù)

北斗短報(bào)文可以與其它通信終端互通，可以處理回執(zhí)收到的信息，按照先進(jìn)后出的原則存儲(chǔ)與處理信息，包括時(shí)間、地址和內(nèi)容，對(duì)信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換。北斗短報(bào)文網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方式是由北斗短報(bào)文的特點(diǎn)決定的，北斗短報(bào)文與固定電話語音之間的轉(zhuǎn)換的方式有以下兩種：一種是在收到信息數(shù)據(jù)后，對(duì)信息進(jìn)行解析，不直接拆分，而是直接將數(shù)據(jù)封裝處理，轉(zhuǎn)換為語音的相應(yīng)格式；另一種是收到信息數(shù)據(jù)后，對(duì)信息進(jìn)行解析，并且拆分成有效數(shù)據(jù)和無效數(shù)據(jù)，將有效數(shù)據(jù)整合成固定電話語音的格式進(jìn)行傳輸，達(dá)到了轉(zhuǎn)換的目的。相比之下，第一種更加快捷有效，不足之處是會(huì)占有一定存儲(chǔ)空間，當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)較大時(shí)，造成了一定空間的浪費(fèi)，第二種方式較為節(jié)省空間，但是需要解析再封裝的步驟，這種轉(zhuǎn)換可以提高轉(zhuǎn)換的效率和可靠性[15-16]。

3.3.2 提取碼

提取碼是獲取資源時(shí)與收發(fā)雙方協(xié)定好的指定編碼，是接收方收到數(shù)據(jù)資源時(shí)所使用的密碼，一般數(shù)據(jù)不是對(duì)所有用戶公開的，所以只有接收數(shù)據(jù)的用戶才可以使用正確的提取碼提取數(shù)據(jù)。提取碼是為了保證了系統(tǒng)安全和通訊信息安全。提取碼通常是一串?dāng)?shù)字，用戶必須有正確的提取碼才能完成數(shù)據(jù)接收和顯示。而北斗短報(bào)文的發(fā)送端以一定方式將數(shù)據(jù)提取碼提前告知接收方，通過提取碼獲取數(shù)據(jù)信息，達(dá)到準(zhǔn)確、便捷通訊的目的。

3.3.3 歷史信息查詢機(jī)制

歷史信息查詢機(jī)制，是經(jīng)過人工輸入，對(duì)系統(tǒng)的操作進(jìn)行信息搜索，根據(jù)輸入內(nèi)容或輸入的時(shí)間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行查詢，也可對(duì)系統(tǒng)范圍內(nèi)關(guān)鍵詞所聯(lián)想的內(nèi)容進(jìn)行查詢的一種機(jī)制。本機(jī)制可根據(jù)輸入的內(nèi)容自動(dòng)執(zhí)行搜索，搜索結(jié)果隨著輸入內(nèi)容的變化而變化。歷史信息查詢機(jī)制方便使用人員對(duì)歷史記錄回看，自動(dòng)記錄通訊內(nèi)容等。系統(tǒng)緩存永久保存搜索歷史數(shù)據(jù)，由于長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，對(duì)于人為因素造成的數(shù)據(jù)遺失，可及時(shí)找回并查看。該機(jī)制保證了需要使用歷史數(shù)據(jù)的時(shí)候可隨時(shí)查看，可通過軟件程序靈活設(shè)計(jì)并應(yīng)用。

3.3.4 實(shí)時(shí)狀態(tài)顯示機(jī)制

系統(tǒng)的實(shí)時(shí)顯示狀態(tài)有兩種，包括系統(tǒng)硬件狀態(tài)和內(nèi)部存儲(chǔ)、處理、轉(zhuǎn)換信息過程的進(jìn)度。在系統(tǒng)中實(shí)時(shí)顯示硬件狀態(tài)的工具，稱為“OSD監(jiān)測(cè)工具”，OSD全稱為On Screen Display，顯示器調(diào)出的菜單也是OSD的一種，OSD監(jiān)測(cè)能夠讀取硬件狀態(tài)信息，并且能夠在顯示器頁面中或系統(tǒng)全局中顯示出來。可通過此顯示功能，及時(shí)可了解整個(gè)系統(tǒng)狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障。系統(tǒng)內(nèi)部存儲(chǔ)、處理、轉(zhuǎn)換信息的進(jìn)度狀態(tài)，包括相關(guān)參數(shù)的測(cè)量與顯示，例如本設(shè)計(jì)中，顯示器中可以清晰明了的觀察通訊流程，也可以顯示信息內(nèi)容等。

4 系統(tǒng)驗(yàn)證

通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，北斗電話網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)收發(fā)單元可發(fā)送北斗短報(bào)文信息，將接收到的北斗短報(bào)文信息存儲(chǔ)到北斗電話網(wǎng)關(guān)的存儲(chǔ)單元中，語音識(shí)別單元成功把北斗短報(bào)文信息中的傳輸內(nèi)容轉(zhuǎn)換成語音信息。串口與用戶模塊控制設(shè)備發(fā)送信息，包括串口波特率、數(shù)據(jù)位、起始位、停止位，將串口傳輸數(shù)據(jù)設(shè)置為073165462201*你好！并將接收到的串口信息存入數(shù)據(jù)庫，按接收時(shí)間、發(fā)送方、目的電話號(hào)碼、傳輸內(nèi)容、原始報(bào)文格式存儲(chǔ)，提取碼，提取時(shí)間依次保存。北斗電話網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)處理單元判斷北斗短報(bào)文信息的發(fā)送目標(biāo)為固定電話網(wǎng)后，利用語音處理單元對(duì)固定電話網(wǎng)中的目標(biāo)話機(jī)撥號(hào)，結(jié)果撥號(hào)成功，播放了提示語音。成功獲取用戶終端輸入的終端提取碼后，在北斗短報(bào)文信息中提取了傳輸內(nèi)容，利用語音處理單元完成播放。北斗電話網(wǎng)關(guān)的語音識(shí)別單元將獲取到的語音信息轉(zhuǎn)換成文本信息，并按照北斗短報(bào)文通信協(xié)議，利用數(shù)據(jù)處理單元將文本信息轉(zhuǎn)換成北斗短報(bào)文信息，然后由北斗電話網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)收發(fā)單元向北斗用戶終端成功發(fā)送了北斗短報(bào)文信息。

5 結(jié)束語

針對(duì)在信號(hào)屏蔽或惡劣環(huán)境下，通信會(huì)受到阻礙或干擾的問題，基于北斗短報(bào)文通信技術(shù)，設(shè)計(jì)了一款北斗短報(bào)文與固定電話語音通訊服務(wù)系統(tǒng)，只需一方具有正常電話網(wǎng)或移動(dòng)通信基站信號(hào)即可實(shí)現(xiàn)短報(bào)文通信。該系統(tǒng)利用北斗電話網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)北斗短報(bào)文與固話座機(jī)或移動(dòng)電話的互聯(lián)互通，本設(shè)計(jì)解決了現(xiàn)有北斗用戶終端相對(duì)封閉，導(dǎo)致使用范圍受限的問題，從而擴(kuò)展了北斗短報(bào)文的通信應(yīng)用范圍。北斗短報(bào)文與固定電話語音通訊方法抗干擾能力較強(qiáng)，并且保密性和可靠性高，適用于對(duì)保密性和可靠性要求高的特殊場(chǎng)合，提高了北斗短報(bào)文的通信應(yīng)用安全。