一種基于串口終端+超短波電臺的通聯模型設計

李沖霄 王璇

摘要：為了滿足運輸車、加油車、急救車等配發數量較大且單裝價值較低的保障平臺北斗導航終端一機多用使用需求，在傳統“網口終端+超短波電臺”通聯模型的基礎上，提出了一種基于“串口終端+超短波電臺”的通聯模型，并進一步設計了相應的串口NAT協議。在不改變上層指控應用使用習慣的條件下，有效解決了串口終端網絡路由尋址和指控名錄尋址難的問題。

關鍵詞：串口終端；超短波電臺；NAT

中圖分類號：TN73文獻標志碼：A文章編號：1008-1739（2022）24-55-5

0引言

在工程、修理、衛生和運輸等一些保障類平臺上，通常不上裝交換設備，而是直接上裝信息終端、超短波電臺和北斗導航終端等設備，基于信息終端部署指控軟件和保障業務軟件，基于超短波電臺內部協議進行網絡通聯，基于北斗導航終端進行定位導航。更有甚者，受平臺集成空間緊張、保障人力缺少和建設經費不足等原因影響，運輸車、加油車、急救車等配發數量較大且單裝價值較低的保障平臺。為了進一步壓縮上裝信息化設備數量，通常將信息終端和北斗導航終端合并使用，直接在北斗導航終端上部署指控軟件和保障業務軟件，進行一機多用。但北斗導航終端一機多用方式會帶來網絡路由和指控名錄尋址難等問題，嚴重影響通聯使用，亟待解決[1-3]。

1傳統通聯模型

工程、修理、衛生和運輸等一些保障類平臺，通常上裝信息終端、超短波電臺和北斗導航等終端。其中，信息終端部署指控軟件和保障業務軟件，且通過以太網口連接超短波電臺。保障平臺之間通聯手段有2種：一是基于超短波電臺無線信道，進行保障分隊內部近距離通聯；二是基于北斗短消息進行互通，實現遠距離通聯。2種通聯手段互為冗余備份，有效保證了保障分隊的通聯需求。保障業務軟件通常單裝使用，而指控軟件通常需跨平臺互通。因此，指控軟件既可以通過北斗短消息進行平臺間互通，也可以基于超短波電臺信道進行跨平臺通聯。指控軟件通過北斗短消息進行平臺間互通，不在本文研究范疇。指控軟件基于超短波電臺信道跨平臺通聯，模型主要包括網絡接口層、網絡層和應用層，如圖1所示。

（1）網絡接口層

平臺內部，信息終端與超短波電臺通過網口連接，基于以太網協議進行互通。平臺之間，通過超短波電臺無線信道互通。

（2）網絡層

平臺內部，信息終端配置IP地址，默認網關設置為超短波電臺IP地址。信息終端和超短波電臺之間基于IP協議進行網絡層尋址。平臺之間，通過超短波電臺Ad hoc路由協議進行網絡層尋址。

（3）應用層

發送端指控軟件名錄地址設置為發送端信息終端IP地址，接收端設置為接收端信息終端IP地址。指控名錄基于本地信息終端IP地址尋址。

2存在的問題

傳統基于網口終端+超短波電臺的通聯模型，結構簡單，層次清晰。指控軟件部署在信息終端上，信息終端通過以太網口連接超短波電臺，超短波電臺之間基于無線信道進行組網互聯，屬于典型的“終端+路由器”組網使用模式，能夠支持平臺間IP報文路由尋址以及上層指控應用間名錄尋址[4-6]。

受平臺集成空間緊張、保障人力缺少和建設經費不足等原因影響，運輸車、加油車、急救車等單裝價值較低且配發數量較大的保障平臺，為進一步壓縮上裝信息化設備數量，通常將信息終端和北斗導航終端合并使用，直接在北斗導航終端上部署指控軟件，進行一機多用。由于北斗導航終端通常基于“手機”原型進行研發，對外接口通常僅有一個Type-C接口，支持充電和串口數據傳輸等功能，但不支持以太網口。因此，北斗導航終端和超短波電臺之間無法進行網絡互聯，進一步導致IP報文路由尋址在北斗導航終端和超短波電臺之間中斷。北斗導航終端串口不支持IP地址配置，進一步導致上層指控應用間名錄基于本地IP地址尋址無法進行。需針對運輸車、加油車、急救車等保障平臺通聯需求，設計一種基于串口終端+超短波電臺的通聯模型，用于解決北斗導航終端一機多用的裝車模式通聯問題。

3串口通聯模型

串口終端+超短波電臺的通聯模型面臨的通聯難點主要在于，基于保障平臺內部北斗導航終端與超短波電臺通過串口互聯的實際情況，解決網絡層路由尋址和指控名錄尋址的問題。

3.1串口通聯模型設計

北斗導航終端一機多用的裝車模式，平臺上裝北斗導航終端和超短波電臺[7]。其中，北斗導航終端部署指控軟件和保障業務軟件，并通過串口連接超短波電臺。保障平臺之間通聯的手段有2種，既可以基于超短波電臺無線信道進行互聯，也可以基于北斗短消息進行互通，2種手段互為備份。保障業務軟件通常單裝使用，指控軟件通常需跨平臺互通。指控軟件既可以通過北斗短消息進行平臺間互通，也可以基于超短波電臺信道進行跨平臺通聯[8]。本文重點研究解決指控軟件通過超短波電臺信道進行跨平臺問題。

根據上述使用需求，在傳統網口終端+超短波電臺的通聯方式基礎上，設計一機多用的裝車模式下，指控軟件基于串口終端+超短波電臺進行互通，模型如圖2所示[9]。

（1）網絡接口層

平臺內部，北斗導航終端與超短波電臺通過串口連接，基于SLIP協議進行點對點通信，而不是基于以太網協議進行互通。平臺之間，通過超短波電臺無線信道互通。

（2）網絡層

平臺內部，由于北斗導航終端與超短波電臺通過串口連接，導致北斗導航終端與超短波電臺之間傳統意義上的IP網絡處于割裂狀態，導致IP報文路由尋址在北斗導航終端和超短波電臺之間中斷，因此指控軟件無法基于IP網絡獲取接收端路由，更無法直接通過網絡向接收端發送指控報文。

考慮到兩端超短波電臺之間通過Ad hoc協議進行互通，具備平臺間基礎網絡通聯環境。因此北斗導航終端可以基于SLIP協議封裝IP報文后，通過串口鏈路，采取握手轉發方式，將其傳輸至發送端超短波電臺。發送端超短波電臺通過Ad hoc網絡協議進行尋址，獲取接收端路由后，發送至接收端超短波電臺。接收端超短波電臺收到IP報文后，基于SLIP協議封裝IP報文，通過串口鏈路，采取握手轉發方式，再將其傳輸至接收端北斗導航終端，完成網絡層尋址轉發。

（3）應用層

由于北斗導航終端與超短波電臺之間采取握手轉發方式進行數據傳輸，指控軟件名錄無法基于串口終端（北斗導航終端）IP地址進行尋址。因此，北斗導航終端部署指控軟件名錄地址不能設置為北斗導航終端IP地址。

考慮到與北斗導航終端直連的超短波電臺IP地址可以進行尋址轉發，指控軟件名錄地址對應IP地址可以設置為本端超短波電臺IP地址，對端名錄地址對應IP地址可以設置為對端超短波電臺IP地址，指控軟件之間即可基于指控名錄進行報文轉發。

綜上所述，應用層指控軟件之間基于指控名錄進行指控報文收發；網絡層兩端超短波電臺之間通過Ad hoc進行路由尋址和IP報文轉發；網絡接口層北斗導航終端通過串口鏈路，采用握手轉發方式，將報文傳輸至超短波電臺，超短波電臺之間基于無線信道實現報文透明傳輸。

3.2串口NAT協議

串口終端+超短波電臺通聯的核心在于[10]，在不改變上層指控應用使用習慣的條件下，解決串口終端網絡路由尋址和指控名錄尋址問題。通過在北斗導航終端（串口終端）與超短波電臺之間，構建串口NAT協議，實現北斗導航終端與超短波電臺之間基于串口鏈路，采用握手轉發方式進行報文傳輸。同時，超短波電臺預留部分指控報文專用端口資源，并設置NAT Binding轉換，如圖3所示，對報文進行協議轉換，以便于報文在平臺間基于超短波信道進行透明傳輸。

串口NAT協議設計，可基于TCP/IP NAT思想，在超短波電臺設置NAT Binding轉換，建立指控軟件業務端口與超短波電臺預留指控報文端口映射關系，并對IP報文進行IP地址和端口替換，如圖4所示。

串口NAT協議流程如下：

（1）北斗導航終端與超短波電臺通過串口SLIP協議，握手識別相互設備狀態和基本信息；

（2）發送端指控軟件查找接收端名錄地址（對應IP地址為接收端超短波電臺IP地址），生成指控報文并封裝為IP報文，源IP地址和源端口分別為發送端北斗導航終端IP地址（無實際意義，僅作為標識）和發送端北斗導航終端指控軟件所使用端口，目的IP地址和目的端口分別為接收端超短波電臺IP地址和接收端北斗導航終端指控軟件所使用端口；

（3）指控軟件調用系統資源發送指控報文后，北斗導航終端操作系統截獲報文，直接調用串口SLIP協議，采取握手轉發方式，將IP報文傳輸至發送端超短波電臺；

（4）發送端超短波電臺收到報文后，查看目的端口為指定指控報文業務端口后，依據NAT Binding轉換，對報文進行IP地址和端口替換，源IP地址和源端口分別替換為發送端電臺IP地址和電臺預留指控報文端口，目的IP地址保持不變，目的端口替換為電臺預留指控報文端口；

（5）發送端超短波電臺將IP報文轉換后，通過Ad hoc協議查找接收端超短波電臺地址，通過無線信道，將報文發送至接收端超短波電臺；

（6）接收端超短波電臺收到報文后，解封裝出IP報文；

（7）查看IP報文目的端口為電臺指控報文預留端口后，依據NAT Binding轉換，對報文進行IP地址和端口替換，源IP地址和源端口分別替換為發送端電臺IP地址和電臺指控報文預留端口，目的IP地址保持不變，目的端口替換為電臺指控報文預留端口；

（8）接收端超短波電臺調用串口SLIP協議，將IP報文傳輸至接收端北斗導航終端；

（9）接收端北斗導航終端將報文交付指控軟件，指控軟件查找名錄，確認為發送端名錄地址（對應IP地址為發送端超短波電臺IP地址）。

3.3效能提升

相對于傳統基于網口終端+超短波電臺的通聯模型，串口終端+超短波電臺的通聯模型有如下優點：

一是可以有效解決保障平臺互通難題。運輸車、加油車、急救車等單裝價值較低且配備數量較大的保障平臺，將信息終端和北斗導航終端合并使用，直接在北斗導航終端上部署指控軟件。在降低保障經費，提高集成化程度的同時，也帶來了網絡路由和指控名錄尋址難的問題。串口終端+超短波電臺的通聯模型，可以基于串口NAT協議，解決保障平臺互通問題。

二是對上層應用透明。串口終端+超短波電臺的通聯模型，可以在不改變上層指控應用使用習慣的條件下，有效解決串口終端網絡路由尋址和指控名錄尋址難的問題。

三是基于NAT思想，創新性地設計了串口NAT協議。由于北斗導航終端，通常基于“手機”模型研發，對外接口通常僅有一個Type-C接口，支持充電和串口數據傳輸等功能，不支持以太網口。因此，傳統基于網口終端+超短波電臺的通聯方式，將不再適用。針對運輸車、加油車、急救車等保障平臺通聯需求，基于串口終端和超短波電臺，在超短波電臺設置NAT Binding轉換，建立指控軟件業務端口與超短波電臺預留指控報文端口映射關系，并對IP報文進行IP地址和端口替換，解決了保障平臺一機多用的裝車模式通聯問題。

4結束語

工程、修理、衛生、運輸等一些保障類平臺，受平臺集成空間緊張、保障人力缺少和建設經費不足等原因，為了減少上裝設備數量、提高平臺集成化程度，將信息終端和北斗導航終端合并使用，直接在北斗導航終端上部署指控軟件，進行一機多用。針對上述使用需求，本文分析了當前“網口終端+超短波電臺”通聯模型特點和存在問題，在此基礎上提出了一種基于串口終端+超短波電臺的通聯模型，并創新性地設計了相應串口NAT協議，可以在不改變上層指控應用使用習慣的條件下，有效解決串口終端基于超短波電臺信道進行通聯的問題。

參考文獻

[1]王一帆.基于MSP430串口通訊的智能閥門終端顯示系統[J].計算機產品與流通，2019（5）：94.

[2]陳文敏.基于U盤讀取文件機制打開超級終端串口的研究.[J].機電信息，2019（8）：22-23.

[3]郭勇，何軍. STM32單片機多串口通信仿真測試技術研究[J].無線電工程，2015，45（8）：6-9.

[4]劉杰，臧煒，梁曉鵬，等.一種新型的FPGA實現RS422串口通信方法[J].計算機測量與控制，2017，25（3）：191-194.

[5]李楊，龐觀士.一種串口重定向終端軟件[J].工業控制計算機，2017，30（8）：37.

[6]張雍忠，郭偉，黃莉，等.單串口全雙工一對多實時通訊遠動設備關鍵技術研究[J].自動化與儀器儀表，2017（3）：38-40.

[7]龍柄全，王軍民.串口觸摸屏在電法測井數值模擬中的應用[J].液晶與顯示，2017，32（10）：809-814.

[8]王春媚.多串口并行通信數據傳輸系統設計[J].現代電子技術，2017，40（4）：86-90.

[9]張磊，盧華平，王方超.基于STM32的超短波電臺模擬訓練系統設計[J].微型機與應用，2017，36（10）：99-101.

[10]李亞軍，蓋世豪，王棟.一種基于PXI的多串口數據管理設備設計[J].無線電工程，2015，45（5）：8-11.