基于安卓平臺(tái)的遠(yuǎn)控S頻段信標(biāo)機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

葉君好，周立新，蔣 勇，趙志軍，趙德艷

(中國人民解放軍63726部隊(duì)，寧夏 銀川750004)

0 引言

近年來，隨著我國國防科技水平的不斷發(fā)展，航天任務(wù)類型和數(shù)量呈較快增長趨勢(shì)，多類型飛行器性能、狀態(tài)出現(xiàn)較大變化，對(duì)航天測(cè)控系統(tǒng)提出了更高的要求[1-3]。為獲得飛行器全新飛行運(yùn)動(dòng)軌跡下關(guān)鍵段落更高精度的遙測(cè)、外測(cè)等數(shù)據(jù)，測(cè)控單位新列裝了多類型高精度測(cè)控設(shè)備，特別是大口徑S頻段設(shè)備[4-5]。

由于新設(shè)備口徑大、精度高，為有效地檢查和測(cè)試設(shè)備校相、校零和自跟蹤性能等功能，需要架設(shè)比原有測(cè)控設(shè)備更高更遠(yuǎn)的信標(biāo)機(jī)，同時(shí)需要對(duì)信標(biāo)機(jī)的頻點(diǎn)、衰減和載波調(diào)制等參數(shù)進(jìn)行頻繁切換，但目前信標(biāo)機(jī)控制多采用有線連接或無線電臺(tái)控制的方式：有線連接只適用固定測(cè)控陣地且距離有限；無線電臺(tái)控制方式受無線電信號(hào)作用距離的制約，遠(yuǎn)距離傳輸穩(wěn)定性能有待提升。在執(zhí)行機(jī)動(dòng)測(cè)量任務(wù)時(shí)，信標(biāo)機(jī)的架設(shè)更是費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，同時(shí)還需專人往返于設(shè)備場(chǎng)坪和信標(biāo)架設(shè)點(diǎn)，對(duì)信標(biāo)機(jī)電池進(jìn)行充電和安防狀態(tài)檢查，人員安全風(fēng)險(xiǎn)較大且不利于設(shè)備工作開展，因此需探索設(shè)計(jì)不間斷供電、遠(yuǎn)距離可靠控制和信號(hào)輸出穩(wěn)定的信標(biāo)機(jī)系統(tǒng)。本文利用目前覆蓋范圍廣的民用電信4G無線網(wǎng)絡(luò)和基于成熟的安卓平臺(tái)的移動(dòng)終端應(yīng)用開發(fā)手段，開發(fā)了一套基于安卓系統(tǒng)的遠(yuǎn)距離控制可靠的信標(biāo)機(jī)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)信標(biāo)機(jī)一次架設(shè)、信號(hào)穩(wěn)定和控制可靠，直至測(cè)量任務(wù)結(jié)束，有效提高了設(shè)備的工作效率。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

目前電信4G無線網(wǎng)絡(luò)已基本實(shí)現(xiàn)了全面覆蓋，基于安卓平臺(tái)的APP開發(fā)方法比較成熟。依托電信4G無線網(wǎng)絡(luò)，開發(fā)了基于安卓平臺(tái)的遠(yuǎn)控APP，通過在手機(jī)上部署APP，實(shí)現(xiàn)了對(duì)自研S頻段信標(biāo)機(jī)的遠(yuǎn)距離、高可靠的實(shí)時(shí)控制。

系統(tǒng)共有2個(gè)部分：一個(gè)是控制端，是1部安卓手機(jī)(含電話卡)；另一個(gè)是被控制端，包括安卓手機(jī)1部(含電話卡)、藍(lán)牙串口通信模塊1塊、USB轉(zhuǎn)串口通信模塊1塊、自研S頻段信標(biāo)機(jī)1臺(tái)及太陽能發(fā)電系統(tǒng)1套。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖Fig.1 System overall design block diagram

控制端安卓手機(jī)利用APP，通過4G網(wǎng)絡(luò)向被控制端安卓手機(jī)APP發(fā)送查詢控制命令，被控制端安卓手機(jī)通過藍(lán)牙經(jīng)過串口轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)對(duì)信標(biāo)機(jī)的查詢控制，太陽能發(fā)電系統(tǒng)向被控制端安卓手機(jī)、藍(lán)牙轉(zhuǎn)串口模塊和信標(biāo)機(jī)進(jìn)行不間斷供電。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)了3方面內(nèi)容：① 信標(biāo)機(jī)硬件系統(tǒng)的研制，包括射頻開關(guān)控制、信號(hào)頻率控制、信號(hào)衰減控制和狀態(tài)實(shí)時(shí)采集等功能；② 手機(jī)端控制APP的開發(fā)，包括服務(wù)器管理模塊、網(wǎng)絡(luò)即時(shí)通信模塊、藍(lán)牙串口通信模塊和工作模式快速切換等功能；③ 供電系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，包括太陽能板便捷接入、多口DC 12 V輸出和電源電量實(shí)時(shí)監(jiān)控等功能，系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)Fig.2 System functional structure

2.1 信標(biāo)機(jī)硬件設(shè)計(jì)

信標(biāo)機(jī)采用單環(huán)鎖相頻率合成技術(shù)，電路主要包括：集成鑒相器ADF4156、濾波器、壓控振蕩器VCO、匹配衰減電路、單片機(jī)電路、藍(lán)牙模塊和電源電路[6-8]，原理框圖如圖3所示。

圖3 信標(biāo)機(jī)原理框圖Fig.3 Block diagram of beacon principle

信標(biāo)機(jī)加電后，單片機(jī)MSP430F169通過藍(lán)牙模塊接收遠(yuǎn)端發(fā)來的控制信號(hào)[9-11]，對(duì)鑒相器ADF4156初始化。晶振參考信號(hào)和VCO反饋的比較信號(hào)輸入至鑒相器ADF4156中，單片機(jī)控制ADF4156內(nèi)的可編程參考分頻、分?jǐn)?shù)分頻器進(jìn)行分頻，2個(gè)信號(hào)分頻至鑒相頻率，再通過芯片內(nèi)集成的相位頻率檢測(cè)器PFD進(jìn)行鑒相，得到誤差電流后，經(jīng)過內(nèi)部的電荷泵后輸出。濾波器對(duì)此輸出的誤差信號(hào)進(jìn)行濾波，得到與參考、比較信號(hào)的頻率和相位誤差相關(guān)的控制信號(hào)，此控制電壓控制微波VCO進(jìn)行頻率和相位調(diào)整，直至頻率相同，僅存很小的穩(wěn)態(tài)相位誤差，環(huán)路鎖定。鎖定后，單片機(jī)對(duì)鎖定狀態(tài)信息通過藍(lán)牙發(fā)送給遠(yuǎn)端進(jìn)行顯示。VCO另一路輸出信號(hào)經(jīng)匹配后，輸出給信標(biāo)天線。+12 V通過電源電路二次穩(wěn)壓，變換成+5 V和+3 V電源，給各單元模塊供電。

2.2 手機(jī)控制安卓APP軟件實(shí)現(xiàn)

2.2.1 通信接口幀格式設(shè)計(jì)

通信總線：RS-232；通信方式：異步、全雙工和主從應(yīng)答式；字符格式：1位起始位、8位數(shù)據(jù)位、無校驗(yàn)位和1位停止位；傳輸速率：9 600 bps；幀格式：幀頭、數(shù)據(jù)區(qū)和幀尾。通信接口幀格式如表1所示。

表1 通信接口幀格式Tab.1 Communication interface frame format

2.2.2 藍(lán)牙通信功能模塊實(shí)現(xiàn)

啟動(dòng)藍(lán)牙查找其他設(shè)備流程如圖4所示。

圖4 啟動(dòng)藍(lán)牙查找其他設(shè)備流程Fig.4 Bluetooth find other device flow chart

從設(shè)置權(quán)限啟動(dòng)藍(lán)牙查找其他設(shè)備開始需要6個(gè)基本步驟[12-13]：

步驟1：設(shè)置權(quán)限(在AndroidManifest.xml中聲明使用藍(lán)牙的權(quán)限)；

步驟2：?jiǎn)?dòng)藍(lán)牙(查看本機(jī)是否支持藍(lán)牙，然后獲取BluetoothAdapter藍(lán)牙適配器對(duì)象)；

步驟3：發(fā)現(xiàn)藍(lán)牙設(shè)備(首先使本機(jī)處于可見狀態(tài)，便于其他設(shè)備發(fā)現(xiàn)本機(jī)藍(lán)牙，然后查找已經(jīng)配對(duì)的設(shè)備，最后通過mBluetoothAdapter.startDiscovery()方法來搜索設(shè)備)；

步驟4：建立連接(啟用一個(gè)服務(wù)器端的線程，死循環(huán)等待客戶端連接)；

步驟5：交換數(shù)據(jù)(搜索到藍(lán)牙設(shè)備后，獲取設(shè)備地址，通過地址獲取一個(gè)BluetoothDeviced對(duì)象，通過對(duì)象device.creatRfcommSocketToServiceRecord(MY_UU_ID))與服務(wù)器連接獲取另一個(gè)socket對(duì)象；

步驟6：建立數(shù)據(jù)通信線程(讀取通信數(shù)據(jù))。

2.2.3 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信模塊實(shí)現(xiàn)

基于環(huán)信SDK實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)即時(shí)通信功能的快速集成[14-15]。具體步驟如下：

步驟1：下載環(huán)信SDK(V3.1.0)開發(fā)包；

步驟2：注冊(cè)成為環(huán)信開發(fā)者；

步驟3：在環(huán)信平臺(tái)上創(chuàng)建應(yīng)用程序，獲取AppKey；

步驟4：創(chuàng)建AdroidStudio項(xiàng)目，導(dǎo)入開發(fā)包中的庫文件；

步驟5：添加權(quán)限；

步驟6：配置AppKey；

步驟7：聲明SDK所需的Service，BroadcastReceiver；

步驟8：SDK初始化。

下面是軟件關(guān)鍵代碼，軟件實(shí)現(xiàn)功能界面如圖5和圖6所示。

privatevoidinitConversation(){mConversation=EMClient.getInstance().chatManager().getConversation(mChatId,null,true);mConversation.markAllMessagesAsRead();

intcount=mConversation.getAllMessages().size();

if(count

//獲取已經(jīng)在列表中的最上邊的一條消息id

StringmsgId=mConversation.getAllMessages().get(0).getMsgId();

mConversation.loadMoreMsgFromDB(msgId,20-count);}

if(mConversation.getAllMessages().size()>0){EMMessagemessge=mConversation.getLastMessage();

EMTextMessageBodybody=(EMTextMessageBody)messge.getBody();}

newThread(){

@Override

publicvoidrun(){try{ ArrayListusernamelist=(ArrayList)EMClient.getInstance().contactManager().getAllContactsFromServer();

contactList=usernamelist;}

catch(HyphenateExceptione)

{e.printStackTrace();Log.d("zlx",e.getMessage().toString());}}}.start();}

圖5 軟件實(shí)現(xiàn)功能界面1Fig.5 Software interface 1

圖6 軟件實(shí)現(xiàn)功能界面2Fig.6 Software interface 2

2.3 供電系統(tǒng)

供電系統(tǒng)如圖7所示，采用1塊18 V 30 W單晶太陽能板和1塊12 V 20 AH硅能蓄電池的組合，其中太陽能板采用鋼化玻璃層壓，防護(hù)等級(jí)為IP65，硅能蓄電池可在-40～70 ℃范圍內(nèi)正常工作，滿足戶外使用要求。手機(jī)屏幕不亮?xí)r僅使用網(wǎng)絡(luò)和定位功能，功耗約為1.1 W，信標(biāo)機(jī)功耗為1.4 W，在正常日照條件下，蓄電池能夠滿足電源不間斷地供應(yīng)。

圖7 供電系統(tǒng)Fig.7 Power system

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

硬件電路與軟件設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)行了2次實(shí)際戶外場(chǎng)景測(cè)試，信標(biāo)機(jī)距控制端(設(shè)備)直線距離約15 km(無遮擋)，第一次持續(xù)了5天，第二次持續(xù)了10天，期間信標(biāo)機(jī)信號(hào)輸出穩(wěn)定、遠(yuǎn)程控制可靠和電源供電無間斷，滿足設(shè)備校相、自跟蹤性能和校零等需求，達(dá)到了預(yù)期目的。信標(biāo)機(jī)實(shí)物及輸出信號(hào)頻譜如圖8和圖9所示。

圖8 信標(biāo)機(jī)實(shí)物Fig.8 Beacon

圖9 輸出信號(hào)頻譜Fig.9 Typical spectrum

4 結(jié)束語

本文針對(duì)大口徑測(cè)控設(shè)備校相、自跟蹤性能和校零等功能檢查需求，設(shè)計(jì)研發(fā)了基于安卓系統(tǒng)的遠(yuǎn)控S頻段信標(biāo)機(jī)系統(tǒng)，該信標(biāo)機(jī)系統(tǒng)經(jīng)過多次測(cè)試應(yīng)用，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了預(yù)期，同時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠、幅度頻率調(diào)節(jié)可控且簡(jiǎn)單實(shí)用。在戶外長時(shí)間使用證明了該信標(biāo)機(jī)設(shè)計(jì)的高可靠性和便攜性，目前已成功地在大口徑測(cè)控設(shè)備上應(yīng)用。