基于嵌入式技術(shù)的水聲傳感網(wǎng)和VHF通信網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)網(wǎng)關(guān)設(shè)計*

羊秋玲，解冰珊，金志剛，蘇毅珊，黃向黨

(1.海南大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，海南 ?？?570228;

1 引言

水聲傳感網(wǎng)UASNs(Underwater Acoustic Sensor Networks)是將能耗低、具有通信與計算能力的傳感器節(jié)點部署到監(jiān)測水域，以自組織方式構(gòu)成的水下監(jiān)測網(wǎng)，采集的數(shù)據(jù)通過聲學(xué)通信等方式傳遞給水面基站或船舶并最終到達用戶。目前水聲傳感網(wǎng)主要利用水聲通信實現(xiàn)通信和組網(wǎng)[1,2]。傳感節(jié)點監(jiān)測并采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的信息，進行信息處理后經(jīng)由具有遠距離傳輸能力的節(jié)點發(fā)送至水面基站，最后通過衛(wèi)星或近岸基站發(fā)送給用戶。水聲傳感網(wǎng)在海洋的科學(xué)探測、商業(yè)開發(fā)和災(zāi)害探測等方面都有十分重要的意義[3]。

甚高頻VHF(Very High Frequency)通信是移動無線電通信的一個重要通信手段，廣泛應(yīng)用于航空及海上近距離通信。VHF電波主要依靠空間波傳播，水上甚高頻通信工作頻段為156～174 MHz，具有干擾較低、保密性好、覆蓋范圍大和穩(wěn)定性高等優(yōu)點。VHF無線電通信在海事管理、船舶避讓、遇險搜救、安全信息播發(fā)、港口生產(chǎn)調(diào)度上發(fā)揮著重要作用[4,5]。至2005年底，甚高頻設(shè)備已成為海上普及率最高的通信設(shè)備[5]。

大部分水聲傳感網(wǎng)絡(luò)通過衛(wèi)星通信將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳至管理中心，然而衛(wèi)星通信延時較大，與之相比，VHF通信的收發(fā)距離短，延時小，且VHF設(shè)備是水上船舶中普及率極高的通信設(shè)備，因此，可以通過VHF通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)水聲傳感網(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù)在水上船舶用戶間的高效傳輸。

現(xiàn)有的網(wǎng)關(guān)中，已有ZigBee傳感網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)/WiFi的無線網(wǎng)關(guān)[6]，對ZigBee匯接點發(fā)送來的數(shù)據(jù)包進行解析和協(xié)議轉(zhuǎn)換，重新封裝成TCP/IP數(shù)據(jù)包或WiFi數(shù)據(jù)幀，經(jīng)過以太網(wǎng)/WiFi傳輸至服務(wù)器，反之亦然，實現(xiàn)數(shù)據(jù)在三個協(xié)議之間的雙向傳遞，并通過逆向運算法自動執(zhí)行如檢測溫度自動開啟空調(diào)等動作，實現(xiàn)了現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施對傳感器網(wǎng)絡(luò)的遠程管理。已有ZigBee傳感網(wǎng)絡(luò)和WiFi的雙模無線網(wǎng)關(guān)設(shè)計[7]中，ZigBee數(shù)據(jù)包解析由Linux操作系統(tǒng)完成后，將數(shù)據(jù)存入指定內(nèi)存共享，在外部請求時由無線網(wǎng)卡以WiFi方式發(fā)送給用戶，使得ZigBee傳感網(wǎng)可用WiFi控制，代替控制中心PC。已有基于WiFi和RF(Radio Frequency)的智能家居無線網(wǎng)關(guān)[8]，通過WiFi接收平板電腦等移動終端下發(fā)控制命令，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理和協(xié)議轉(zhuǎn)換，通過RF發(fā)送給由RF模塊組聯(lián)的家電網(wǎng)絡(luò)，若某家電狀態(tài)有變化，也會經(jīng)過網(wǎng)關(guān)反饋給平板電腦等移動終端進行顯示，解決了家電遠程實時監(jiān)控問題。

目前還沒有面向水聲傳感網(wǎng)和VHF通信網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)研究，針對衛(wèi)星通信的長延時和高費用問題，本文結(jié)合嵌入式技術(shù)，提出水聲傳感網(wǎng)和VHF通信網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計方案以及協(xié)議棧轉(zhuǎn)換方法，實現(xiàn)水聲調(diào)制解調(diào)器向VHF上傳數(shù)據(jù)和反方向下載任務(wù)，同時對網(wǎng)關(guān)的功能進行擴展，使其具有人機交互、GPS定位等功能。本文提出的網(wǎng)關(guān)設(shè)計基于Linux操作系統(tǒng)，可通過制定高性能的模塊化硬件和高效靈活的軟件，直接完成一系列測試、數(shù)據(jù)處理和自動化的應(yīng)用，可作為海洋觀測的虛擬儀器應(yīng)用于海洋監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。

2 無線網(wǎng)關(guān)總體設(shè)計和工作機理

2.1 總體設(shè)計

網(wǎng)關(guān)整體由系統(tǒng)核心模塊、水聲調(diào)制解調(diào)器(Modem)模塊、VHF模塊、人機交互模塊、SD卡存儲模塊、GPS定位模塊組成。系統(tǒng)核心模塊由處理器和內(nèi)存構(gòu)成，擴展板由人機交互模塊、VHF模塊、水聲調(diào)制解調(diào)器模塊(匯聚節(jié)點)、SD卡存儲模塊、GPS定位模塊組成。系統(tǒng)核心模塊單獨實現(xiàn)為一塊核心板，與擴展板通過板對板連接器互聯(lián)，方便升級和維護。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。處理器是整個網(wǎng)關(guān)的核心器件，為ARM芯片，運行Linux操作系統(tǒng)，完成數(shù)據(jù)包的解析、協(xié)議棧轉(zhuǎn)換和信息處理等功能。

Figure 1 Overall structure of gateway圖1 網(wǎng)關(guān)總體結(jié)構(gòu)

所使用的處理器具有低功耗的特點，支持DDR2、CAN、EMAC和USB OTG PHY等多種外設(shè)，接口簡單。VHF模塊傳輸距離可達20 km，充分滿足通信距離需求，無數(shù)據(jù)傳輸時可以配置進入低功耗模式。

2.2 工作機理

網(wǎng)關(guān)可實現(xiàn)水聲調(diào)制解調(diào)器向VHF上傳數(shù)據(jù)和反方向下載任務(wù)兩個功能。

水聲Modem向VHF上傳數(shù)據(jù)的流程圖如圖2a所示。水聲傳感器網(wǎng)的傳感節(jié)點負責(zé)采集信息，數(shù)據(jù)處理后發(fā)送至匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點將數(shù)據(jù)發(fā)至處理器，處理器完成協(xié)議轉(zhuǎn)換后經(jīng)由VHF模塊傳送至用戶。數(shù)據(jù)也可通過網(wǎng)關(guān)擴展板上的觸摸液晶顯示屏直接觀測。

由VHF向水聲傳感網(wǎng)下載任務(wù)的流程圖如圖2b所示。用戶使用鄰近的VHF收發(fā)機向網(wǎng)關(guān)下發(fā)對應(yīng)功能的編碼，經(jīng)由VHF傳輸至網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)的VHF模塊接收后，由處理器經(jīng)過協(xié)議轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理，將相應(yīng)的信標信息傳至水聲傳感網(wǎng)的匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點廣播至每一個傳感節(jié)點，進行相應(yīng)的操作。下載任務(wù)也可由網(wǎng)關(guān)擴展板上的觸摸液晶屏實現(xiàn)。

Figure 2 Flowchart of upload data and download task圖2 上傳數(shù)據(jù)和下載任務(wù)流程圖

3 無線網(wǎng)關(guān)硬件平臺設(shè)計

無線網(wǎng)關(guān)所涉及到的硬件部分主要包括核心模塊、水聲Modem模塊、VHF模塊、人機交互模塊、SD卡存儲模塊、GPS定位模塊等，下面對主要模塊的硬件組成以及通信機制進行介紹。

3.1 系統(tǒng)核心板與擴展版

系統(tǒng)核心板為系統(tǒng)核心模塊，由處理器、內(nèi)存芯片和FLASH存儲器組成。處理器采用TI的AM3505-Sitara，是一顆片上系統(tǒng)芯片，支持Linux等，擁有4個通用異步收發(fā)傳輸器(UART)、3個內(nèi)部集成電路總線(I2C)控制器、3個USB接口、4個SPI接口、3個MMC/SD/SDIO接口等。

內(nèi)存芯片選用mt47h128m8，大小為128 MB，工作電壓為1.8 V，與處理器內(nèi)存接口相連，運行應(yīng)用程序和操作系統(tǒng)。FLASH芯片選用K9F2G08B0B，工作電壓為2.7 V，與處理器的通用內(nèi)存接口(GPMC)控制器相連，存儲定制的Linux、bootloader和應(yīng)用程序。

系統(tǒng)擴展板由人機交互模塊、VHF模塊、水聲Modem模塊(匯聚節(jié)點)、SD卡存儲模塊、GPS定位模塊組成。其中，人機交互模塊為一塊觸摸液晶屏，型號為TJC4024T032_011R，3.2寸串口屏，與處理器之間通過UART連接。SD卡存儲模塊采用2 GB(SANDISK)標準SD卡，通過SDIO接口與處理器相連，用于更新程序。GPS定位模塊選用北斗2模塊UM220，與處理器之間使用UART接口相連。在擴展板上設(shè)置CAN總線接口與SPI接口以便于與其他設(shè)備進行互聯(lián)，提高可擴展性，用同樣方法設(shè)置。系統(tǒng)核心板通過2個64針板對板連接器將處理器上的接口接出，供擴展板外接使用，如圖3所示。

Figure 3 System core board圖3 系統(tǒng)核心板

3.2 水聲Modem模塊

水聲Modem模塊使用AquaSeNT AMN-OFDM-13A OFDM 調(diào)制解調(diào)器，通過異步串行接口(RS232)轉(zhuǎn)USB轉(zhuǎn)化器與處理器相連。AquaSeNT AMN-OFDM-13A OFDM 調(diào)制解調(diào)器集通信、組網(wǎng)、測距、定位于一體，其通信距離最大達5 km，通信速率為1.5～9 kbps，頻率為21～27 kHz，接口為RS232。在網(wǎng)關(guān)中作為匯聚節(jié)點，進行水下無線數(shù)據(jù)通信，包括點對點通信、組網(wǎng)通信等，負責(zé)水下傳感器的數(shù)據(jù)信號上傳和控制臺的指令下達。

3.3 VFH模塊

VHF 模塊采用KYL-668無線數(shù)傳電臺，內(nèi)置高性能射頻收發(fā)芯片、微控制器以及射頻功放。處理器通過RS232轉(zhuǎn)USB轉(zhuǎn)換器連接VHF模塊，設(shè)置模塊工作參數(shù)并控制整個模塊的收發(fā)。工作頻段為150/230/450 MHz 等載頻，信道間隔25 kHz，可設(shè)置400多個頻道。天線接口為 L16 插座配 50 Ω屏蔽電纜。RF 輸出功率為5～25 W可調(diào)，通訊距離在開闊地最遠可達20 km。

4 無線網(wǎng)關(guān)軟件平臺設(shè)計

4.1 協(xié)議棧轉(zhuǎn)換

無線網(wǎng)關(guān)軟件采用模塊化設(shè)計，如圖4所示，由硬件驅(qū)動層、操作系統(tǒng)層、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層和應(yīng)用程序?qū)咏M成。硬件驅(qū)動層主要描述網(wǎng)關(guān)中水聲Modem模塊、VHF模塊以及其他外設(shè)的驅(qū)動；操作系統(tǒng)層移植ARM Linux，完成網(wǎng)關(guān)的控制操作；網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層主要包括水下通信協(xié)議棧Sealinx和VHF通信協(xié)議棧VDL(VHF Data Link)。應(yīng)用層完成數(shù)據(jù)打包或數(shù)據(jù)重組。

Figure 4 Gateway structure and communication protocol model圖4 網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)和通信協(xié)議模型

水聲通信協(xié)議棧：水聲通信協(xié)議棧由Sealinx協(xié)議棧[9]修改得來。Sealinx協(xié)議棧是專為水下通信設(shè)計的分層協(xié)議棧，包括介質(zhì)訪問控制MAC(Media Access Control)層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層。本文提出的網(wǎng)關(guān)在其應(yīng)用層和傳輸層之間加入一數(shù)據(jù)處理層，用于對采集的數(shù)據(jù)進行篩選和處理。每一層都可包含多個協(xié)議以提供不同的服務(wù)，如在MAC層可執(zhí)行UW ALOHA和Slotted FAMA協(xié)議。Sealinx協(xié)議棧通過核心模塊實現(xiàn)協(xié)議的跨層傳遞，核心模塊負責(zé)接收和發(fā)送信息。

VHF通信協(xié)議棧：VHF通信協(xié)議棧數(shù)據(jù)鏈路層使用的是甚高頻數(shù)據(jù)鏈通信協(xié)議VDL，數(shù)據(jù)鏈路層由MAC子層、數(shù)據(jù)鏈路服務(wù)DLS(Data Link Service)子層和甚高頻管理實體VME(VHF Management Entity)子層組成。

VME子層負責(zé)為通信雙方的收發(fā)信機建立和保持連接，為每個保持的連接創(chuàng)建一個鏈路管理實體LME(Link Management Entity)，通信雙方的對等LME相互通信，以此來建立連接和修正連接參數(shù)。其它子層發(fā)生阻塞時，VME控制LME開始移交程序。DLS子層提供鏈路間傳送數(shù)據(jù)包的方法。每一個連接都會創(chuàng)建一個數(shù)據(jù)鏈路實體DLE(Data Link Entity)，對等的DLE之間相互通信。通信雙方的一對DLE管理收發(fā)信機間的所有業(yè)務(wù)，包括控制信息和數(shù)據(jù)信息。DLE也負責(zé)將丟包情況通知VME。DLS管理一個優(yōu)先級隊列，包含相應(yīng)的DLE負責(zé)傳送的所有數(shù)據(jù)包，其中管理和控制幀具有比信息幀更高的優(yōu)先級。MAC子層決定數(shù)據(jù)包何時傳輸，無差錯控制能力，包將交給DLS進行驗證。此外，MAC子層也不具備排隊功能，需通知DLS將隊列中的包傳遞給它[10,11]。

本文在此基礎(chǔ)上使用以太網(wǎng)的TCP/IP協(xié)議，可以進一步提高效率。

4.2 VHF模塊串口通信協(xié)議介紹

KYL-668無線數(shù)傳電臺自帶串口通信協(xié)議，可實現(xiàn)處理器對電臺的控制和配置。命令幀格式定義如表1所示。

Table 1 Truth table of triple-value match line表1 三值匹配線真值表

幀頭固定為55 AA；幀長度為所有命令數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)加1，最大幀長度為255字節(jié)；命令數(shù)據(jù)域存放命令的內(nèi)容，詳細定義如表1所示；CHK檢驗和域存放的內(nèi)容為幀長度與所有命令數(shù)據(jù)的和，兩字節(jié)，高字節(jié)在前，低字節(jié)在后。

VHF模塊設(shè)置命令如表2所示。

Table 2 Command setting of VHF module表2 VHF模塊設(shè)置命令

4.3 水聲Modem模塊串口通信協(xié)議設(shè)計

根據(jù)已有的串口傳輸協(xié)議[7]，水聲Modem模塊串口傳輸協(xié)議自定義幀格式由幀頭、功能號、有效數(shù)據(jù)長度、有效數(shù)據(jù)和FCS校驗5部分組成，如圖5所示。

Figure 5 Customized frame format of serial transmission protocol in underwater acoustic modem module圖5 水聲Modem模塊串口傳輸協(xié)議自定義幀格式

幀頭定義為0x01；功能號由所需功能確定，詳細定義如表3所示；有效數(shù)據(jù)長度表明有效數(shù)據(jù)域的長度，最大值為255；有效數(shù)據(jù)存放水聲通信協(xié)議幀；CRC校驗碼用于校驗有效數(shù)據(jù)是否正確傳輸。

Table 3 Function number definition表3 功能號定義

5 仿真與分析

操作系統(tǒng)移植μC/OS-II嵌入式實時操作系統(tǒng)，對于TCP/IP協(xié)議棧，采用廣泛使用的輕量級網(wǎng)絡(luò)協(xié)議協(xié)議棧LwIP(Light-weight Internet Protocol)，它具有開源、代碼尺寸小、存儲器利用量少的特點，適用于嵌入式操作系統(tǒng)。以下介紹網(wǎng)關(guān)的實現(xiàn)。

5.1 硬件系統(tǒng)實現(xiàn)

硬件系統(tǒng)分為水聲通信模塊和VHF模塊。

水聲通信模塊：Sealinx協(xié)議棧的開源代碼和運行已有詳盡的資料[12]，在此不作詳細討論。但是，需在Sealinx協(xié)議棧的應(yīng)用層加入水聲遙控ARC(Acoustic Remote Control)。ARC是實現(xiàn)用聲音控制水下節(jié)點的一組協(xié)議，不包含在Sealinx協(xié)議棧內(nèi)。ARC由命令解釋模塊、命令篩選模塊和命令處理模塊組成。命令解釋模塊進行命令解釋，若無語法錯誤則將命令移交篩選模塊，篩選模塊檢查命令是否有效，然后移交對應(yīng)的處理程序執(zhí)行。ARC設(shè)置一默認的命令處理程序的shell腳本文件。發(fā)送端負責(zé)統(tǒng)一命令格式，移除命令中的冗余空格，減少網(wǎng)絡(luò)流量。發(fā)送端發(fā)出的命令由目標地址、命令本身和相關(guān)參數(shù)構(gòu)成，每條命令都有一個隨機選擇的序列號。發(fā)送端發(fā)送一條命令后，接收端返回一個ACK，如果一直沒有收到ACK，則同一條命令至多發(fā)送三次。如果接收端需返回其他信息，發(fā)送端不需對此信息確認。若發(fā)送端未收到此信息而需要接收端重發(fā)，則發(fā)送端發(fā)送特殊指令“??！”。

VHF模塊：關(guān)于μC/OS-II和lwIP移植的參考資料很多，本文不作詳細討論。以下簡述VHF通信的實現(xiàn)。μC/OS-II系統(tǒng)建立一個初始化網(wǎng)絡(luò)接口的任務(wù)，該任務(wù)完成下述操作：調(diào)用lwIP用到的隊列、信號量和堆棧等參數(shù)；將VHF模塊驅(qū)動中設(shè)定好的網(wǎng)絡(luò)地址、MAC地址、網(wǎng)關(guān)等TCP/IP協(xié)議需要用到的地址參數(shù)打包裝入lwIP協(xié)議中，管理這些地址數(shù)據(jù)；調(diào)用VHF模塊初始化程序進行VHF模塊初始化。然后利用μC/OS-II的多任務(wù)功能建立兩個任務(wù)，一個負責(zé)發(fā)送，一個負責(zé)接收，采用查詢方式執(zhí)行，將lwIP協(xié)議中處理各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的接收和發(fā)送程序與VHF模塊的接收和發(fā)送關(guān)聯(lián)起來。在lwIP的input程序和output程序中，調(diào)用VHF模塊驅(qū)動中的接收或發(fā)送程序，完成水下傳感網(wǎng)絡(luò)的無線網(wǎng)關(guān)和水上甚高頻通信網(wǎng)絡(luò)的通信連接。

5.2 主要流程

系統(tǒng)初始化：系統(tǒng)上電后，首先進行系統(tǒng)初始化。執(zhí)行ZMain文件夾中的ZMain.c中的ZSEGint main()函數(shù)進行硬件初始化，其中包括總中斷osal_int_disable(INTS_ALL)、初始化板上硬件設(shè)置HAL_BOARD_INIT()、初始化HAL 層驅(qū)動HalDriverInit()、初始化I/O口InitBoard(OB_COLD)、初始化非易失性存儲器sal_nv_init(NULL)、初始化MAC層ZMacInit( )、分配地址zmain_ext_addr( )、初始化操作系統(tǒng)osal_init_system( )等。初始化完成后，即可開始運行Sealinx內(nèi)核，調(diào)度任務(wù)。若任務(wù)列表中無就緒任務(wù)，則使處理器進入低功耗睡眠狀態(tài)。

網(wǎng)關(guān)主程序：網(wǎng)關(guān)主程序在硬件上電啟動，應(yīng)用程序初始化后，網(wǎng)關(guān)開始監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)，有數(shù)據(jù)到來則進入終端。首先判斷是否是水下數(shù)據(jù)，如果是，則按照Sealinx協(xié)議棧處理數(shù)據(jù)然后重新封裝發(fā)送至VHF模塊，網(wǎng)關(guān)返回監(jiān)聽狀態(tài)；如果不是水下數(shù)據(jù)，判斷是否是VHF數(shù)據(jù)，若果是則以VHF協(xié)議處理數(shù)據(jù)，重新封裝成水下數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給水聲Modem模塊，返回監(jiān)聽狀態(tài)；如果是未知數(shù)據(jù)，則網(wǎng)關(guān)丟棄該數(shù)據(jù)包。其流程圖如圖6所示。

Figure 6 Main program flowchart of the gateway圖6 網(wǎng)關(guān)主程序流程圖

5.3 測試結(jié)果

網(wǎng)關(guān)原型如圖7所示。網(wǎng)關(guān)的測試包括上傳數(shù)據(jù)的上行鏈路測試和下載任務(wù)的下行鏈路測試，結(jié)果如圖8和圖9所示。

Figure 7 Prototype圖7 網(wǎng)關(guān)原型

Figure 8 Uplink圖8 上行鏈路

Figure 9 Downlink圖9 下行鏈路

由測試結(jié)果可以看出，嵌入式網(wǎng)關(guān)完成了水聲通信協(xié)議和VHF通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)了水下傳感網(wǎng)絡(luò)和水上VHF通信網(wǎng)絡(luò)的互通，網(wǎng)關(guān)的基本功能已經(jīng)實現(xiàn)。本文提出的網(wǎng)關(guān)設(shè)計方案用嵌入式網(wǎng)關(guān)代替水聲通信使用的PC機，體積小，去掉了冗余功能，且所選用的器件具有低功耗的特性，極大地降低了功耗，更加節(jié)能。

6 結(jié)束語

本文提出了一種基于嵌入式技術(shù)的水下水聲傳感網(wǎng)和水上VHF通信網(wǎng)絡(luò)的無線網(wǎng)關(guān)設(shè)計方案，該網(wǎng)關(guān)采用低功耗的AM3505-Sitara為核心，通過低功耗的水聲調(diào)制解調(diào)器匯聚節(jié)點實現(xiàn)數(shù)據(jù)收集，并對網(wǎng)絡(luò)進行控制；通過VHF模塊上傳信息和下載任務(wù)。同時，本文提出的網(wǎng)關(guān)在功能上進行了擴展，可用觸摸液晶屏實時監(jiān)測和控制水聲傳感網(wǎng)狀態(tài)，可用GPS對網(wǎng)關(guān)實時定位，網(wǎng)關(guān)還可直接完成一系列測試、數(shù)據(jù)處理和自動化的應(yīng)用，性能高、擴展性強、集成度高，可作為全球海洋觀測的虛擬儀器應(yīng)用于海洋監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。

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