基于GPRS的野外高光譜對地輻射儀通信系統設計

陳媛 李新 周安萌 張艷娜 鄭小兵

關鍵詞： GPRS; 野外高光譜對地輻射儀; 遠程通信; 上位機軟件; NAND FLASH; 通信丟包率

中圖分類號： TN92?34; TH741 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）05?0010?05

Design of GPRS?based communication system for field hyperspectral earth radiometer

CHEN Yuan1， 2， LI Xin1， ZHOU Anmeng1， 2， ZHANG Yanna2， ZHENG Xiaobing1

（1. Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics， Hefei Institutes of Physical Science， Chinese Academy of Sciences， Hefei 230031， China;

2. University of Science and Technology of China， Hefei 230031， China）

Abstract： A remote data communication system based on general packet radio service （GPRS） is designed to solve the problems of the long sequence data transmission， and real?time measurement and control of the field hyperspectral earth radiometer working at remote areas. The remote data transmission of the system is realized by means of main control circuit board and GPRS DTU （data transfer unit） terminal， and the upper computer software of remote center is used to receive and process the data. The data backup and retransmission functions based on NAND FLASH chip are designed to solve the conditions of poor field signal and GPRS communication packet loss. The communication system has been successfully applied to the field hyperspectral earth radiometer， and its repeatability and stability were tested in Hefei， whose communication packet loss rate is less than 2.7%. The site test was carried out for the field hyperspectral earth radiometer at Dunhuang radiometric calibration field. The remote communication system worked normally during the test， and the feasibility of the system design was verified.

Keywords： GPRS; field hyperspectral earth radiometer; remote communication; upper computer software; NAND FLASH; communication packet loss rate

0 ?引 ?言

隨著定量化遙感的快速發(fā)展，低頻度的人工跑場定標已經無法滿足高頻次定標的需求。近年來，國際上提出了自動化定標的思路，通過在定標場布設自動化無人值守的觀測設備，實時獲取場地參數，減少對實驗場地環(huán)境破壞并去除人為測量誤差，提高對遙感載荷高時效、高頻次的定標能力，進行在軌載荷衰變的及時校正。

2014年，國際對地觀測衛(wèi)星委員會（CEOS）定標與真實性檢驗工作組（WGCV）發(fā)起建立全球自主定標場網（RADCALNET），其核心是自動化（即場地數據觀測、數據處理的自動化）、無人值守（設備可長期置于野外觀測）、可追溯（觀測數據的質量可追溯至計量標準）。 目前包括中國內蒙古中科院光電院包頭場、美國Railroad Valley場、法國La Crau場以及非洲Gobabeb場四個示范場[1]。

中科院安徽光機所、國家衛(wèi)星氣象中心、中國資源衛(wèi)星應用中心等單位開展了自動化定標技術研究，中科院安徽光機所自2013年開始在敦煌輻射校正場布設自主研發(fā)的自動化觀測設備，包括場地輻射計、高精度太陽輻射計、光譜輻照度儀等，實現了地表反射率以及大氣參數的長期自動觀測。中科院安光所聯合國家衛(wèi)星氣象中心，利用敦煌輻射校正場長期觀測數據開展了國內外衛(wèi)星的在軌自動化定標[2]。

為了實現在可見至短波紅外波段地表反射率測量，中科院安徽光機所研制了野外高光譜對地輻射儀，自動測量定標場太陽反射波段高光譜反射率。定標場自動化儀器需要遠程實時傳輸觀測數據。目前，敦煌輻射校正場通道式輻射計采用北斗衛(wèi)星短報文功能實現觀測數據的遠程傳輸[3]，但其傳輸頻度為74 b/min，小數據量、低頻度不能滿足連續(xù)光譜儀器長序列數據的實時傳輸需求?，F在，比較成熟的無線通信技術有藍牙、WiFi等。文獻[4]利用藍牙技術實現遠程電力線通信;文獻[5]設計了基于Si4438射頻通信系統，將其應用在無線抄表系統;文獻[6]設計基于WiFi技術的礦下跟蹤通信系統。藍牙和WiFi傳輸的距離在100 m左右，不能滿足長距離傳輸需求。

射頻最高傳輸距離可達1 000 m，但其傳輸速率為19.2 Kb/s，傳輸速率慢，傳輸距離也受限制。根據野外超光譜輻照度儀通信數據量大、無線通信距離遠、實時傳輸的特點，選取GPRS作為遠程通信的方式，它能彌補北斗通信數據量小的缺點，傳輸速率為114 Kb/s。本文詳細論述了基于GPRS 進行野外高光譜對地輻射儀的通信系統設計。

1 ?儀器總體設計

野外高光譜對地輻射儀總體設計可分為兩層結構：第一層為采集地表光譜數據的下位機;第二層為遠程控制中心的上位機。

整個系統按功能細分為四塊：探測器模塊、自校準模塊、環(huán)境與電源管理模塊以及遠程通信模塊。探測器模塊負責采集可見到短紅外波段的光譜電壓值;自校準模塊負責自動切換工作模式以實現白板與地表輻亮度的測量;環(huán)境與電源管理模塊負責提供各個模塊所需電壓值以及實時監(jiān)測工作環(huán)境狀況;遠程通信模塊負責遠程中心與下位機中指令發(fā)送以及傳輸采集到的電壓信號值。

2 ?遠程通信模塊

根據野外高光譜對地輻射儀傳輸長序列數據的特點，本系統選用GPRS遠程傳輸。

2.1 ?GPRS遠程通信工作原理

野外高光譜對地輻射儀的通信系統是基于GPRS通信原理設計，如圖1所示。GPRS遠程通信由負責測量數據并將其傳輸的下位機，具有數據接收和處理、顯示、保存的自動化定標軟件，與傳輸數據的GPRS DTU模塊組成。

該系統的GPRS通信原理是GPRS DTU通過接口從主控板中獲取數據，處理后，GPRS分組數據發(fā)送到GSM基站。分組后的數據經SGSN封裝后，通過GPRS網與網關支持接點GGSN進行通信。GGSN對分組數據進行相應的處理，再發(fā)送到目的網絡。連接到該網絡的客戶上位機即可獲得數據。另外，針對偏遠野外移動通信不佳造成誤碼和數據丟失的問題，設計了歷史數據備份和重傳功能，利用FLASH進行數據的備份存儲，通過遠程自動化定標軟件即可實現自動重傳。

2.2 ?遠程通信硬件電路設計

通信系統的硬件部分主要包括GPRS通信模塊、NAND FLASH存儲模塊。GPRS通信模塊將對地輻射儀的測量數據按照GPRS通信協議進行傳輸，FLASH存儲模塊完成數據的備份和重傳。

2.2.1 ?GPRS模塊硬件設計

本系統選用WG?8020 GPRS DTU模塊，該模塊不僅可以實現GPRS無線遠程通信，還具有GPS定位以及GSM短信功能。在信號網絡范圍內，可以實時對野外輻射儀進行定位跟蹤，其具有定位效率高、數據傳輸快、實時性好等優(yōu)點。該模塊工作在1 800 MHz頻帶，電源供電5 V，支持TCP/IP協議和COMWAY協議，兼容桑榮達協議和榮電協議[7]。野外超光譜對地輻射儀與GPRS DTU模塊之間的通信采用RS 232標準串口，因此，只需要在外圍電路上加電平轉換芯片[8]MAX3232，將GPRS DTU的RXD和TXD引腳通過連接MAX3232的相應引腳，MAX3232再與野外高光譜對地輻射儀的單片機相應控制引腳P0.0與P0.1相連接，即通過單片機串口通信收發(fā)指令以及發(fā)送光譜數據。

2.2.2 ?存儲系統硬件設計

針對偏遠地區(qū)GPRS通信丟包和誤碼，為了提高野外的適應性以及可靠性，設計了備份回傳的功能。根據野外高光譜對地輻射儀需要存儲長序列光譜數據的特點，采用三星的NAND FLASH K9F8G08U0M進行數據備份存儲。K9F8G08U0M的存儲空間為1 GB×8 bit，該芯片由4 096塊組成，一塊由64頁組成，一頁有[9]4 Kb數據，保存的時間最高可達10年，擦寫次數多達10萬次，頁編程的時間一般為200 μs，快擦除的時間為1.5 ms。該芯片工作電壓為3.3 V，存儲芯片與單片機之間無需電平轉換，由于K9F8G08U0MDE命令/地址/數據復用I/O口，因此，用單片機的P7.0～P7.7的7個I/O口直接與K9F8G08U0M的7個I/O口相連，單片機的P2.2控制其片選。

2.3 ?系統遠程通信軟件設計

系統軟件設計主要包括GPRS模塊軟件設計、基于FLASH的數據存儲回傳功能程序設計以及遠程中心自動化定標軟件設計。

2.3.1 ?GPRS模塊軟件設計

GPRS模塊軟件設計分為兩塊：GPRS DTU通信配置和GPRS串口通信程序設計。

GPRS DTU通信配置按以下四個步驟進行：

1） 選擇合適通信協議。該系統使用透傳協議，即標準的TCP/IP協議。

2） 設置端口號以及服務器地址端。端口號選擇設置9888，該系統選擇固定IP。

3） 選擇DTU工作模式。該系統選擇自動連接，即DTU發(fā)生掉線后會重新連接。

4） 設置DTU串口通信參數。這四個參數是波特率、數據位、停止位和校驗位，為正常通信，這些參數要與下位機一致。

對地輻射儀的單片機與GPRS串口通信程序設計流程圖如圖2所示。

2.3.2 ?存儲系統程序設計

存儲系統程序設計分為三步：NAND FLASH的基本操作設計;存儲程序設計;數據重傳程序設計。

K9F8G08U0M的特點是在沒有寫入任何東西前，存儲陣列表現為0xFF，進行寫的操作實際上就是將某些位從1置為0的過程，因此要求先擦除后寫入[10]。其基本操作包括頁編程、塊擦除、頁讀取以及狀態(tài)判斷等?；谶@些基本操作，設計出輻照度儀的存儲程序以及數據重傳程序。數據重傳程序主要依據重傳的時間，通過GPRS通信傳輸到上位機，其流程圖如圖3a）所示，數據存儲的程序流程如圖3b）所示。

2.3.3 ?遠程中心上位機軟件設計

野外高光譜對地輻射儀的遠程中心設計為一個MFC上位機通信軟件。該軟件的主要功能分為三個部分：

1） 基于TCP/IP協議實現GPRS的無線遠程傳輸通信;

2） 遠程PC機對野外高光譜對地輻射儀遠程基本功能控制，比如數據采集，功能模式設置;

3） 實現對采集數據進行處理、顯示以及存儲。

野外高光譜對地輻射儀和遠程中心的無線通信是上位機的核心部分，該程序是基于TCP/IP的Socket編程。具體過程是：服務器先調用Socket（），Bind（），Listen（）函數完成初始化，再調用Accept（）函數阻塞等待，處于監(jiān)聽端口狀態(tài)?？蛻舳讼日{用Socket（）函數完成初始化，再調用Connect（），同時阻塞等待服務器應答，當客戶端接收到服務器應答的SYN?ACK段后，應答一個ACK段，服務器再從Accept（）返回，隨即調用Read（），讀取Socket（）。當客戶端有請求時，調用Write（）發(fā)送給服務器，服務器再從Read（）中返回。當沒有更多的請求，客戶端和服務器都調用Close（）關閉連接。

遠程中心的上位機與對地輻射儀的通信主要是通過命令發(fā)送，命令的第一個字節(jié)為客戶端號，后面兩個為標志位，用于判別各條指令的用途，后面為數據位。整個上位機軟件通信的流程如圖4所示。

3 ?實驗結果及分析

2017年5—6月，將野外高光譜對地輻射儀放置在中科院安徽光機所進行實驗，驗證本系統的重復性以及丟包率。從本輪實驗中，選取10天GPRS傳輸數據進行分析，丟包率如表1所示。

這10天實驗的丟包率不超過2.7%。根據傳輸錯誤文件的時間，重傳相應的存儲數據，經實驗該數據重傳功能是可行的。圖5為實驗重傳以及數據采集成功界面。

2017年9月，野外高光譜對地輻射儀在敦煌場地進行自動觀測實驗。圖6為9月27日下午4：00采集的敦煌地表反射率曲線圖。實驗期間，野外高光譜對地輻射儀自動觀測功能及遠程數據傳輸功能正常，驗證了設計的合理性。

4 ?結 ?語

本文闡述了野外高光譜對地輻射儀通信系統的硬件設計以及基于GPRS傳輸軟件上位機設計。在合肥地區(qū)的系統重復性實驗中，通信丟包率保持在2.7%之內，同時驗證了數據重傳功能的可行性。在敦煌場地進行地表反射率的實驗表明，該儀器能夠實現野外基于GPRS無線傳輸功能，且GPRS通信系統功能穩(wěn)定。本系統為自動化定標設備的數據遠程實時傳輸提供了一種新的技術途徑。

注：本文通訊作者為李新。

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