海面無線局域傳感網絡的數據通信協議研究

史 博，蘆雪松，陳 琳，戴憲邦，宋泓儒

(1.哈爾濱工程大學 水聲工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001；2.上海船舶設備研究所，上海 200031；3.上海船舶工藝研究所，上海 200032；4.哈爾濱工程大學 物理與光電工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引言

現代海洋監測技術逐步向著高集成度、高時效、多平臺、智能化和網絡化方向發展，海洋多傳感信息融合技術也應運而生[1]，其中基于無線傳感網絡的數據匯聚系統應用最為廣泛。無線傳感網絡的靈活性、便利性與實時性在自組海面觀測網絡搭建的過程中起到重要作用[2]。但是，無線傳感器網絡在海面獨立工作時，也會隨時受到系統資源、內部負反饋等因素影響導致計算能力下降、傳輸距離減小、數據存儲功能減弱、實時監測精度不高等[3–4]。

因此設計一套無線數據傳輸協議與智能無線傳感器相互搭配組合，既能在智慧海洋無線傳感網絡組建中充分發揮作用，又能夠實現海面無線數據傳輸的可靠性與魯棒性，從而實現海洋數據分布采集、異步處理、實時監控、云端人機交互與控制的效果。

1 海面無線傳感網絡通信需求

現如今，無線傳感網絡正在快速興起與發展，它是多學科交叉、多專業互融的一個重要領域，其中組網通信技術、衛星定位技術、嵌入式信號處理陣列技術以及分布式多節點通信技術都伴隨著無線傳感網絡逐漸應用到生產生活中[5]。如果說互聯網改變了人與人之間的溝通，那么無線傳感器技術真正意義上做到了人機交互、萬物互聯的功能[6]。利用無線傳感網絡，人類對世界的認知能力變得更加廣泛、更加細致，因此無線傳感網絡技術在未來人類生產生活的進程中將會起到舉足輕重的作用[7]。

海面無線傳感網絡通信技術也是伴隨著物聯網技術的發展逐漸產生，現如今已經運用到許多軍用、民用等領域[8]。其中最為常見的是長基線海洋通信技術，又可以被稱為“海洋上的衛星”，它的系統組成主要有三部分：一是水下合作或非合作目標；二是海洋中繼數據處理與無線收發系統；三是母船數據匯聚與解算顯控系統[9]。無線數據收發系統與數據匯聚解算系統的主要功能是將水下目標發射的聲時延信息與中繼單元的自身位置坐標信息轉達給母船解算顯控單元，它需要利用無線傳感網絡技術搭建長距離的數據鏈路傳輸，使得基線長度可高達十幾千米甚至上百千米，所以更長的傳輸距離與更精準的數據精度與可信度成為海面無線數據傳感網絡的迫切需求[10]。還有一種是海洋觀測浮標系統，它利用浮標系統自身搭載的多種傳感器單元來實時獲取海洋觀測數據[10]；所搭載的高精度溫濕度傳感系統可以實時監測海面的溫度與濕度，并利用無線數據傳輸系統將所檢測的數據實時回傳[11]，這對于人們實時觀測海洋氣候變化、水文環境變化起到重要作用。

因此，在系統搭建的過程中，海洋無線數據傳感網絡實現數據傳輸系統與通信協議的協調搭配關乎到每一個項目的實際需求與應用。設計一套具備工程完備性與項目實用性的數據協議應用于多通道海面無線數據收發系統內，將對數據鏈路搭建與信息傳輸提供有力保障。

2 海面數據通信協議研究

2.1 異步收發通信協議設計

多通道海面無線收發系統主要是利用無線傳感器網絡中的數據傳輸單元進行長距離、長航程、長航時的數據傳輸。傳輸內容主要包括下行數據協議和上行數據協議兩大類，下行數據主要指母船匯聚單元下發控制指令及系統主控平臺對合作目標的控制指令；上行數據主要指自檢響應指令、合作目標與外感數據指令。當各基元系統完成布放后，船載測控平臺需針對各個單元進行指令控制的下達，當各個單元接收指令信號后進行自檢響應，并及時上傳船載測量船單元的數據信號，達到數據鏈路的有效傳輸。在工程實踐應用中，傳輸的方式采用異步串口形式發送，避免了字符數據間不同步的影響。異步串口可以解決時鐘差別不大情況下一個字符中比特位長度的有限傳輸效果。表1 為船載測控平臺下行海面基元數據協議，數據總長度為12 Byte。協議內容主要包括表2 的海面單元自檢數據協議，數據總長度為7 Byte。

表1 下行海面系統協議表Tab.1 Downlink sea surface system protocol table

表2 海面單元自檢協議表Tab.2 Sea surface unit self-inspection agreement table

可以看出，無線數據傳輸協議在數據下行的過程中，需要文頭與標識為對整體數據進行校驗與判定，利用上述方法也有利于數據系統內部邏輯單元進行數據檢測，指令內容主要為對于多路數據的控制命令，利用上述指令的前提是需要提前將內部控制單元（FPGA 核心處理板）的程序固化，這樣更方便與系統的調試與監控。

海面無線數據收發系統自檢協議的設計主要是針對母船解算顯控系統的數據反饋。其中節點單元標號目的是用來區分多路數據匯聚信息過程中可能會產生的數據串擾，節點指令內容是當系統出現故障或者由于環境因素造成的系統不工作后將數據置0，給顯控端以警示，需立即采取措施進行維修與補救；反饋數據置1 則說明海面單元將啟動開始工作。

當海面基元工作開始之后，系統內部信標信號接收器接收到的信標信號經過放大電路和帶通濾波器后輸入至AD 采集器，由FPGA 控制實現接收信號的采集，同時通過濾波處理濾出檢測脈沖與測試脈沖信號，VCA 電路實現對放大電路增益的實時調控，系統的DSP 單元將進行接收數據的信息解算，利用自適應Notch 濾波、匹配濾波器、拷貝相關等技術完成對水下合作或非合作目標的實時解算并將結果數據轉至SD 卡中完成數據解算與信息保存。表3 為最終得到水下合作目標的聲時延數據。

表3 聲吶時延數據協議表Tab.3 Sonar time delay data protocol table

根據前文所述，表4 為數傳電臺上行數據協議。系統接收合作目標的時延數據經過DSP 解算后，接收機利用FPGA 進行數據重組和打包，針對檢測到的GPS 數據與高精度溫濕度傳感器模塊進行數據提取，在保證系統干端無線電臺傳輸速率的同時，完成顯控單元所需解算數據的上傳，這樣既保證數據運算處理迅速，又可以使系統定位精度提高。

表4 電臺上行數據協議表Tab.4 Radio uplink data protocol table

根據上述協議表可以計算出無線數據傳輸電臺每秒發送的字節數41 Byte，每秒傳輸的總比特數H為41×10=410 bit。選定無線數據傳輸電臺標定的串口速率為19 200 bps，可以實現系統數據收發功能，還能夠使得海面無線數據傳輸系統的能耗有所降低。

2.2 數據協議的可信度定義

異步串口在進行數據收發與控制時，伴隨著傳輸時間的增加、傳輸距離的增大與海面環境因素的變化，傳輸信息會出現誤碼、丟包、數據擁塞、數據串擾等一系列數據可信度不高等問題。在無線傳感網絡中，上述造成數據可信度不高的問題極為普遍，所以需要根據節點匯聚的不同數據信息進一步推斷與擬合原始數據，并對所推斷的數據與原始數據的相似性與真實性進行比對，相似性較大的被系統稱之為可信數據，相似性一般的被稱之為一般數據，相似性差別很大的被稱之為可丟棄數據或無效數據，其中相似性較大的數據會與原始數據產生一個很大的數據交集，并且相鄰的數據向量感知相似度極強。針對無線傳感網絡中多節點數據可信度感知無線信道收發數據信息的相似程度，給出所設計系統的數據可信度價值定義。

其中，p與q分別為海面傳輸系統中的2 個獨立節點，代表在t時刻內兩獨立節點的信息量。

根據無線數據傳輸協議的數據內容進行節點之間的相似度分析。首先需要設定一個界限范圍值 ?，當經過無線信道收發后的傳輸數據與原始數據比對沒有超過界限范圍值時，可以說這段數據是有效的，進而證明本段數據傳輸有效。依此類推，多節點數據H={a,b,m,n···}利用上述判斷所有節點的數據信息并逐一表示。

歐拉距離可以衡量無線數據協議相似度，并作為相似度大小的標準。以上文的海面兩獨立節點p與q為例，的歐氏長度為：

根據式(3)可知，歐式長度間距越大，系統數據傳輸相似度越低，信道干擾越強烈，數據價值可信度越低。設數據價值可信度為 β，當時，可以驗證各個節點單元的數據價值可信度高，無線數據傳輸性能優良。

各個節點數據價值W定義為所傳輸的數據協議中的元素，即M=|Hi|。由此可見，W越大，節點數據價值越大，此時無線數據傳輸信道的性能更高。

2.3 數據協議收發流程設計

當無線數傳系統開始工作時，電臺的功能模塊由待機狀態改變為待發送模式，電臺邏輯控制單元將自動刪除前一次存儲在寄存器內部的信息并啟動異步串口收發數據使能模塊上電。完成上述步驟后，電臺模塊發射單元已經處于發送狀態，下一步將進行數據發射。電臺通過檢測串口輸入的起始位編碼啟動串口發射使能并產生發送碼，開始通過異步串口單元發送數據。

本系統在進行數據收發的過程中，將會自動配對并給予信號發射器命名為“主”，給予數據接收器命名為“從”。當“主”電臺完成一次數據發送后，會給“從”電臺發送特殊編碼信號，即完成一次成功的發送。圖1 為無線數據發送系統工作流程，對于外部輸入串口數據單元來說，系統檢測到外部輸出使能后要根據需求產生自身的信息編碼，從而達到信息加密的特點。

圖1 無線數據發送系統工作流程Fig.1 Work flow of wireless data transmission system

在研究過程中，系統隨環境因素影響較大，因此，當進行異步數據串口發送完成后，“主”電臺沒有立刻收到“從”電臺返回的“握手”協議，此時表明雖然“主”電臺已經完成發送但“從”電臺并未接收，單邊信息隔斷將會造成數據丟失，不利于后續數據匯聚分析與解算。此時“主”電臺的數據重發功能在上述不可抗拒的因素中將被充分發揮作用。用戶可以根據自身需求，設定重發功能次數以便合理地解決數據幀丟失的問題。

圖2 為無線數據接收系統工作流程框圖，當信號發射機啟動并開始利用異步串口發送數據時，信號接收機（“從”電臺）在上電瞬間收到“主”電臺的信號標識，二者產生配對效應并開始工作。當處于待機狀態時，“從”電臺的接收使能置0 直到系統檢測到發射機的發射頻率后啟動異步串口數據接收功能。

圖2 無線數據接收系統工作流程Fig.2 Work flow of wireless data receiving system

在進行數據接收的過程中，“從”電臺與“主”電臺的工作模式相同，只有檢測到起始位特殊編碼后將起始位信號置1 才能進行異步串口數據的接收。本系統在進行接收數據時，采用的編碼技術也是內部自身的聯合調頻編碼技術，大大增加系統接收性能。當系統完成一次數據接收后，“從”電臺會立刻發送特殊編碼信號給“主”電臺接收成功，進行下一次異步串口數據的收發。

表5 為無線電臺的收發頻率表，多節點海面數據收發單元共有6 套傳輸電臺，頻率與波長的關系式為：

表5 無線電臺收發頻率表Tab.5 Radio transceiver frequency table

由于天線布放過程中需要考慮自身波長間距，因此根據上述公式逐一計算出各個頻率對應的波長，以便后續母船通信具備優良的匯聚效果。

3 無線電臺數據通信協議測試

基于定位測距設備海面定位通信項目研發階段性進展，需進行外場水面測試試驗。

3.1 單節點拉距實測

如圖3 所示，本次試驗主要目的是測量無線數據傳輸電臺的實際通信距離。采用單節點系統內部的高精度GPS 定位接收機與上方無線電臺直連的方式實時定位和校準自身的位置，母船的無線電臺直連1 臺高精度GPS 定位接收機實時獲取母船自身的GPS 位置，利用相關解算軟件實時監測湖面單節點系統與母船之間的距離。

圖3 湖面拉距測試圖Fig.3 Lake surface drawing distance test chart

在通信母船行進的過程中，通信電臺與天線要實時保持高度不變，間隔相同時間進行一次數據校準。如果數據校準正確，則判斷本次拉距測試試驗成功，兩點距離在系統無線傳輸距離范圍之內。以此類推，母船繼續沿著背向發射電臺的方向行進并不斷校準測試。隨著距離不斷增加，無線傳輸系統受到周圍環境的影響會逐漸產生信號衰減、數據丟失或終止通信，此時需要停止母船的行駛并記錄自身的GPS 位置坐標，通過解算軟件實時匯聚并計算的通信距離為無線數據傳輸電臺的最大作用距離。根據上述方法測試1 套電臺結束后，按照同樣的流程與安裝、拉距步驟將其余5 套數據傳輸電臺進行測試并做好實驗數據記錄方便后續整理與分析。

經過大量的數據對比與長時間的拉距測試試驗（見圖4），當無線收發數據的長度控制在100 Byte以內時，所有電臺的通信距離均在10 km 以上，解決了無線數據匯聚聚合的長距離傳輸問題。隨著數據長度的逐漸增加，無線傳輸系統的傳輸效率會隨之下降，當數據每秒鐘的吞吐量達到500 Byte 以上時，通信電臺的距離指標高于6 km，但更高的傳輸精度是實現海面長基線定位應用的必要條件。

圖4 不同頻率單節點數據量與傳輸距離仿真測試圖Fig.4 Simulation test chart of data volume and transmission distance of a single node at different frequencies

3.2 多節點拉距研究

為了進一步對系統通信能力以及多路無線收發系統同時工作的數據匯聚功能將進行檢驗，在湖面進行多通道無線電通信拉距試驗。通信模塊的發射功率為2 W；發射端天線與母船接收端天線均采用全向天線，增益為5 dBi。在天線安裝的過程中，接收端的6 部天線固定在以正六邊形為載體的抱桿上部，周圍無遮攔，通信強度與信號質量良好。兩兩天線之間的距離不低于一個波長。根據前文計算可得天線之間的距離不低于0.8 m。

將外接設備連接完畢后，進行內部無線數據傳輸電臺與總控平臺的數據鏈路搭建。無線電臺以網口形式輸出信息，考慮到六路信息匯聚會造成數據擁塞，此時FPGA 核心處理版將會根據六路數據的具體形式進行實時拆包、拼包與上傳。顯控單元將數據顯示并進行距離信息結算，內部的存儲系統也將六路信息匯聚在內部存儲卡以便后續的分析與應用。

試驗的主要目的是為了驗證6 通道數據匯聚與接收以及船載接收端實時顯控的能力。驗證方法與上一節基本相似，但在布放過程中，數據發射端受到浪、涌的眾多因素干擾，導致天線狀態不穩定影響數據傳輸的效率。設定接收端天線高度為10 m，發射端天線距離浪高2 m 進行數據測試，6 通道數據均已回傳并將GPS 數據中的GNGGA數據進行提取并顯示出來，GPS 下發的所有數據也均已存入系統內部便于后續的接收和解算。

3.3 通信數據誤包率仿真

根據大量的試驗數據與分析結果可以得出，隨著測試時間變長、拉距距離逐漸增大，無線數據傳輸系統所收發的相關環境因素干擾也隨之加大，如果在平穩的湖面或海面進行試驗，傳輸效果將會有明顯提高。圖5 為系統誤碼率隨時間的變化圖。

圖5 不同頻率下誤碼率隨時間變化仿真圖Fig.5 Simulation diagram of bit error rate with time under different frequencies

可以看出，無線數據傳輸系統的誤包率隨頻率變化影響不大，在不間斷測量420 min 后，所有數傳電臺的誤包率均穩定在5.5%左右，可以達到湖面無線數據傳輸與聚合主要指標，為后續海面拉距實測也提供必要功能保障。

3.4 數據可信度仿真分析

綜合上述系統拉距功能測試與數據誤包率仿真分析，結合海面濕度傳感器回傳協議數據，根據露點溫度與氣溫計算湖面的絕對濕度，通過絕對濕度與飽和狀態下的濕度比值計算出湖面的相對濕度。圖6 為不同頻率下數據可信度隨湖面相對濕度仿真測試圖。

圖6 不同頻率下數據可信度仿真測試圖Fig.6 Data reliability test chart at different frequencies

在保證傳輸距離為8.95 km 的情況下，測試100 min數據，得出當湖面相對濕度較大或者陰雨天時，數據可信度較低并變換較為明顯。當濕度較低時，數據可信度較高，此時信號傳輸性能較好。當無線數據傳輸可信度相對值達到86%以下時，需要終止無線數據傳輸。這與無線電磁波在介質中傳播受到環境干擾因素相吻合。

4 結語

基于海面無線傳感網絡的理論研究了無線通信系統與多傳感器模組之間的數據協議架構與具體內容，得到以下結論：1）利用無線數據傳輸電臺的系統收發功能完成了異步串口數據的匯聚與分發，解決了多路數據并行處理的串擾與擁塞。2）測量單節點與多節點數據協議傳輸性能。單節點采用的是逐一頻率長距離拉距試驗測試，利用顯控解算界面的統計計算功能實時計算通信母船與單節點的距離，最終測得二者相距10.9 km 時數據出現誤碼并停止通信，大于指標6 km的需求，此項技術滿足要求。3）針對多節點多頻段無線匯聚系統的搭建、布放與數據協議誤碼率測量，驗證了在保證發射天線高度不變的情況下，接收天線越高系統的數據協議誤碼率越小并在系統指標需求以內。相比于其他頻段，433 MHz 受到外界影響因素較大，因此它在傳輸時間逐漸增長時，系統的數據協議誤碼率逐漸增大并高于其他5 個頻段。