北斗短報文與固定電話語音通訊服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計

傅 軍，常 揚，寧治文，呂宇鵬

(海軍工程大學(xué) 電氣工程學(xué)院，武漢 430033)

0 引言

我國21世紀初建立北斗試驗系統(tǒng)，是繼美國、俄羅斯兩大國之后，擁有獨立衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國家[1-3]。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可用來定位地面目標(biāo)，全范圍覆蓋并提供相關(guān)數(shù)據(jù)[4]，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)著眼于國家安全和經(jīng)濟社會發(fā)展需要，可以為我國乃至全球其它用戶提供全天候、全天時、高精度、導(dǎo)航和授時服務(wù)[5-7]，還可以進行其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)不具備的短報文服務(wù)[8]。

北斗系統(tǒng)的短報文功能，使用方便、成本低、覆蓋范圍廣，具有GPS (global positioning system,GPS)所不具有的通信功能，既能通信又能定位[9-10]，它的信息傳輸不受天氣影響，可以24小時工作，種種優(yōu)點促使了國內(nèi)相關(guān)高校和科研機構(gòu)深入發(fā)掘和研制。北斗系統(tǒng)的短報文功能在國防領(lǐng)域有很強的應(yīng)用價值，采用北斗短報文通信，可以有效傳遞信息[11]，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)具備短報文通信功能，實現(xiàn)無地域限制的兩地通信，極大方便了用戶。在移動通信基站受災(zāi)或受敵破壞，電力中斷，通訊受限的情況下可以使用具有短報文通信功能的北斗終端進行短消息通信。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的這一功能廣泛應(yīng)用于應(yīng)急救援、野外活動、海上作業(yè)等場合，如2008年汶川地震時，災(zāi)區(qū)受災(zāi)嚴重，地面通信基站、電力系統(tǒng)等遭到嚴重破壞，傳統(tǒng)通信方式受到限制，第一批進入災(zāi)區(qū)的救援部隊就利用北斗短報文突破了通信盲點，與外界取得了聯(lián)系，報告了災(zāi)區(qū)的受災(zāi)情況，方便指揮部下達救援指令，進一步部署救災(zāi)工作。此外，在大洋、沙漠、森林等沒有通信網(wǎng)絡(luò)的地方，利用具備北斗短報文功能的終端即可定位自己的位置且向外界發(fā)布文字信息，提供了“無人區(qū)”工作的安全保障。

短報文通信中依然存在諸多問題，首先，現(xiàn)有的北斗用戶終端體積較大，每人手持一部北斗用戶終端進行通信并不便捷，其次北斗短報文通信相對封閉，不能與智能移動終端或者固話座機進行有效連接，導(dǎo)致使用范圍受限，人機交互不方便，此外，在公安、部隊等對保密性、可靠性、真實性、權(quán)威性要求很嚴的應(yīng)用場景下，或在信號屏蔽或者惡劣環(huán)境下，通信也會受到阻礙或干擾。因此，有必要設(shè)計一種用于解決基于北斗短報文通信安全性、可靠性、局限性問題的北斗短報文與固定電話通訊服務(wù)系統(tǒng)。

綜上，本文設(shè)計了一款北斗短報文與固定電話語音通訊服務(wù)系統(tǒng)，利用北斗電話網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)北斗用戶終端與固話座機或移動電話的互聯(lián)互通，解決了現(xiàn)有北斗用戶終端相對封閉，導(dǎo)致使用范圍受限的問題，例如高原、沙漠、森林和海洋等特殊區(qū)域與外界通信困難，擴展了北斗短報文的通信應(yīng)用范圍，提高了特殊區(qū)域通信效率，實現(xiàn)了信息的高效傳輸，為特殊區(qū)域各項任務(wù)的順利執(zhí)行提供了通信及導(dǎo)航保障，對通導(dǎo)一體化建設(shè)具有重要意義，同時提高了北斗短報文的通信應(yīng)用安全。

1 通訊服務(wù)系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)采用北斗一號用戶機數(shù)據(jù)接口2.1協(xié)議，以STM32系列單片機為數(shù)據(jù)處理單元,實現(xiàn)北斗短報文與固定電話座機的雙向通信功能，并提高用戶使用體驗。基于北斗短報文功能的固定電話語音通訊服務(wù)系統(tǒng)，只需一方具有正常電話網(wǎng)或移動通信基站信號即可實現(xiàn)短報文通信。北斗電話網(wǎng)關(guān)是系統(tǒng)的核心單元，利用北斗短報文經(jīng)北斗電話網(wǎng)關(guān)息提取傳輸內(nèi)容并轉(zhuǎn)換成語音，可將語音信息播報至目標(biāo)固定電話座機或移動電話，實現(xiàn)串口字符信息的語音播報，此外，固定電話座機或移動電話撥打北斗網(wǎng)關(guān)，將語音信息轉(zhuǎn)換成文本信息，并發(fā)送到北斗用戶終端。圖1為系統(tǒng)基本圖。

圖1 系統(tǒng)基本功能圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)電路設(shè)計

北斗短報文通訊系統(tǒng)各部分之間的相互聯(lián)系需要“開關(guān)”，北斗電話網(wǎng)關(guān)模塊起到重要節(jié)點的開關(guān)作用和各模塊連接作用，將北斗用戶終端、上位機軟件、GPRS (General Packet Radio Service,GPRS)模塊、和通過固定電話網(wǎng)連接的固定電話座機等連接到一起。根據(jù)系統(tǒng)功能需求，選用STM32微控制器為數(shù)據(jù)處理單元，實現(xiàn)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)發(fā)功能。上位機可以直接發(fā)送指令控制整個電話網(wǎng)關(guān)的操作流程，從而在屏幕上顯示出各種信號變化，如北斗短報文信息，其中包括接收時間、發(fā)送方北斗用戶終端、目標(biāo)話機號碼、傳輸內(nèi)容、原始報文格式存儲，提取碼，提取時間等。上位機完成下位機歷史信息及提取碼的存儲，同時可手動進行下位機語音撥號，能夠進行系統(tǒng)設(shè)置及系統(tǒng)實時狀態(tài)顯示等。選用GPRS模塊將傳感器模擬量數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換成數(shù)字量傳輸?shù)胶笈_軟件，可對前端串口數(shù)據(jù)與模擬量數(shù)據(jù)分析和監(jiān)控。微控制器的外部包含：SIM800C四頻GSM/GPRS模塊進行手機短信收發(fā)GPRS電路的設(shè)計。為了使系統(tǒng)穩(wěn)定而高效傳輸，設(shè)計所選北斗電話網(wǎng)關(guān)的USB接口，為北斗用戶終端連接北斗電話網(wǎng)關(guān)的RS232接口、固定電話網(wǎng)連接所述RJ11接口、GPRS模塊連接所述北斗電話網(wǎng)關(guān)的RS232接口。圖2為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖：

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 通訊網(wǎng)關(guān)電路設(shè)計

北斗電話通訊網(wǎng)關(guān)設(shè)計包含數(shù)據(jù)處理單元、存儲單元、語音處理單元、語音識別單元、電源轉(zhuǎn)換單元、數(shù)據(jù)收發(fā)單元。為滿足系統(tǒng)高性能、低成本、低功耗的要求，選用STM32微控制器為數(shù)據(jù)處理單元，根據(jù)系統(tǒng)功能需求，實現(xiàn)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)發(fā)功能，選用專有低壓差發(fā)射機輸出級的MAX3232芯片實現(xiàn)RS232串口的TTL電源轉(zhuǎn)換功能，在用戶模塊RS232收發(fā)器電路的設(shè)計中，MAX3232芯片可實現(xiàn)RS232串口的TTL電平轉(zhuǎn)換功能，同時，在FT232控制芯片進行上位機USB接口電路的轉(zhuǎn)換。在語音識別/處理IC電路的設(shè)計中，選用非特定人的語音識別芯片LD3320芯片進行語音識別，單片機通過讀寫寄存器把識別詞傳給LD3320，開始語音識別工作。選用雙音頻編解碼芯片MT8880對輸入雙音頻信號進行解碼。在電源相關(guān)電路的設(shè)計中，選用LM2596芯片穩(wěn)壓，選用AMS1117芯片進行后置穩(wěn)壓后以降低穩(wěn)壓器和電路超載造成的壓力，同時將FT232與LM2596芯片穩(wěn)壓用CPCI接口進行連接。此外電路中的DB9、SMA天線、W25Q6和晶振等分別與各主要模塊進行連接，構(gòu)成整個通訊網(wǎng)關(guān)電路。通訊網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計如圖3所示。

圖3 通訊網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計示意圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 語音通訊系統(tǒng)上行流程

北斗短報文與固定電話通訊服務(wù)的實現(xiàn)步驟，是以北斗用戶終端或者移動電話用戶為起始點發(fā)送北斗短報文信息，移動電話用戶信號盲區(qū)的通信通常采用衛(wèi)星電話或是無線電臺[12-14]，而北斗用戶也是如此，之后由北斗電話網(wǎng)關(guān)從北斗短報文信息提取傳輸內(nèi)容并轉(zhuǎn)換成語音，將語音信息播報至目標(biāo)座機，具體實現(xiàn)流程如圖4。

圖4 北斗短報文轉(zhuǎn)換成固定電話語音流程圖

北斗電話網(wǎng)關(guān)接收北斗用戶終端的北斗短報文信息，若接收不成功則重新接收，若接收成功則將接收的北斗短報文信息存儲到北斗電話網(wǎng)關(guān)存儲單元中，語音識別單元將北斗短報文信息中的傳輸內(nèi)容轉(zhuǎn)換成語音信息。北斗電話網(wǎng)關(guān)判斷北斗短報文信息的發(fā)送目標(biāo)是否為固定電話網(wǎng)，若是，則利用語音處理單元對固定電話網(wǎng)中的目標(biāo)話機撥號，若在預(yù)設(shè)撥號次數(shù)范圍內(nèi)撥號成功，則播放提示語音，若否，則進入由GPRS模塊發(fā)送短消息至移動終端，獲取用戶終端輸入的終端提取碼，北斗電話網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)處理單元將獲取的終端提取碼與上位機數(shù)據(jù)庫中的預(yù)存提取碼進行比對，在預(yù)設(shè)輸入次數(shù)范圍內(nèi)，判斷終端提取碼與預(yù)存提取碼進行是否相同，若是，則從北斗短報文信息中提取傳輸內(nèi)容，并將傳輸內(nèi)容利用語音處理單元播放，若否，則退出程序。最后，返回提取成功信息至發(fā)送方北斗用戶終端。

3.2 語音通訊系統(tǒng)下行流程

固話座機撥打北斗網(wǎng)關(guān)，將語音信息轉(zhuǎn)換成文本信息，并發(fā)送到北斗用戶終端或移動電話的通信，具體實現(xiàn)流程如圖5。

圖5 固定電話語音轉(zhuǎn)換成北斗用戶信息流程圖

北斗電話網(wǎng)關(guān)接收固話用戶端發(fā)送過來的語音信息，北斗電話網(wǎng)關(guān)的語音識別單元將獲取到的語音信息轉(zhuǎn)換成文本信息，并按照北斗短報文通信協(xié)議，利用數(shù)據(jù)處理單元將文本信息轉(zhuǎn)換成北斗短報文信息，由北斗電話網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)收發(fā)單元向北斗用戶終端發(fā)送北斗短報文信息，或利用北斗電話網(wǎng)關(guān)的GPRS模塊將文本信息發(fā)送到移動電話端。

3.3 語音通話服務(wù)系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)及機制

3.3.1 網(wǎng)關(guān)處理與轉(zhuǎn)換技術(shù)

北斗短報文可以與其它通信終端互通，可以處理回執(zhí)收到的信息，按照先進后出的原則存儲與處理信息，包括時間、地址和內(nèi)容，對信息進行轉(zhuǎn)換。北斗短報文網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方式是由北斗短報文的特點決定的，北斗短報文與固定電話語音之間的轉(zhuǎn)換的方式有以下兩種：一種是在收到信息數(shù)據(jù)后，對信息進行解析，不直接拆分，而是直接將數(shù)據(jù)封裝處理，轉(zhuǎn)換為語音的相應(yīng)格式；另一種是收到信息數(shù)據(jù)后，對信息進行解析，并且拆分成有效數(shù)據(jù)和無效數(shù)據(jù)，將有效數(shù)據(jù)整合成固定電話語音的格式進行傳輸，達到了轉(zhuǎn)換的目的。相比之下，第一種更加快捷有效，不足之處是會占有一定存儲空間，當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)較大時，造成了一定空間的浪費，第二種方式較為節(jié)省空間，但是需要解析再封裝的步驟，這種轉(zhuǎn)換可以提高轉(zhuǎn)換的效率和可靠性[15-16]。

3.3.2 提取碼

提取碼是獲取資源時與收發(fā)雙方協(xié)定好的指定編碼，是接收方收到數(shù)據(jù)資源時所使用的密碼，一般數(shù)據(jù)不是對所有用戶公開的，所以只有接收數(shù)據(jù)的用戶才可以使用正確的提取碼提取數(shù)據(jù)。提取碼是為了保證了系統(tǒng)安全和通訊信息安全。提取碼通常是一串?dāng)?shù)字，用戶必須有正確的提取碼才能完成數(shù)據(jù)接收和顯示。而北斗短報文的發(fā)送端以一定方式將數(shù)據(jù)提取碼提前告知接收方，通過提取碼獲取數(shù)據(jù)信息，達到準(zhǔn)確、便捷通訊的目的。

3.3.3 歷史信息查詢機制

歷史信息查詢機制，是經(jīng)過人工輸入，對系統(tǒng)的操作進行信息搜索，根據(jù)輸入內(nèi)容或輸入的時間節(jié)點進行查詢，也可對系統(tǒng)范圍內(nèi)關(guān)鍵詞所聯(lián)想的內(nèi)容進行查詢的一種機制。本機制可根據(jù)輸入的內(nèi)容自動執(zhí)行搜索，搜索結(jié)果隨著輸入內(nèi)容的變化而變化。歷史信息查詢機制方便使用人員對歷史記錄回看，自動記錄通訊內(nèi)容等。系統(tǒng)緩存永久保存搜索歷史數(shù)據(jù)，由于長時間存儲數(shù)據(jù)，對于人為因素造成的數(shù)據(jù)遺失，可及時找回并查看。該機制保證了需要使用歷史數(shù)據(jù)的時候可隨時查看，可通過軟件程序靈活設(shè)計并應(yīng)用。

3.3.4 實時狀態(tài)顯示機制

系統(tǒng)的實時顯示狀態(tài)有兩種，包括系統(tǒng)硬件狀態(tài)和內(nèi)部存儲、處理、轉(zhuǎn)換信息過程的進度。在系統(tǒng)中實時顯示硬件狀態(tài)的工具，稱為“OSD監(jiān)測工具”，OSD全稱為On Screen Display，顯示器調(diào)出的菜單也是OSD的一種，OSD監(jiān)測能夠讀取硬件狀態(tài)信息，并且能夠在顯示器頁面中或系統(tǒng)全局中顯示出來?？赏ㄟ^此顯示功能，及時可了解整個系統(tǒng)狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)故障。系統(tǒng)內(nèi)部存儲、處理、轉(zhuǎn)換信息的進度狀態(tài)，包括相關(guān)參數(shù)的測量與顯示，例如本設(shè)計中，顯示器中可以清晰明了的觀察通訊流程，也可以顯示信息內(nèi)容等。

4 系統(tǒng)驗證

通過實驗驗證，北斗電話網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)收發(fā)單元可發(fā)送北斗短報文信息，將接收到的北斗短報文信息存儲到北斗電話網(wǎng)關(guān)的存儲單元中，語音識別單元成功把北斗短報文信息中的傳輸內(nèi)容轉(zhuǎn)換成語音信息。串口與用戶模塊控制設(shè)備發(fā)送信息，包括串口波特率、數(shù)據(jù)位、起始位、停止位，將串口傳輸數(shù)據(jù)設(shè)置為073165462201*你好！并將接收到的串口信息存入數(shù)據(jù)庫，按接收時間、發(fā)送方、目的電話號碼、傳輸內(nèi)容、原始報文格式存儲，提取碼，提取時間依次保存。北斗電話網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)處理單元判斷北斗短報文信息的發(fā)送目標(biāo)為固定電話網(wǎng)后，利用語音處理單元對固定電話網(wǎng)中的目標(biāo)話機撥號，結(jié)果撥號成功，播放了提示語音。成功獲取用戶終端輸入的終端提取碼后，在北斗短報文信息中提取了傳輸內(nèi)容，利用語音處理單元完成播放。北斗電話網(wǎng)關(guān)的語音識別單元將獲取到的語音信息轉(zhuǎn)換成文本信息，并按照北斗短報文通信協(xié)議，利用數(shù)據(jù)處理單元將文本信息轉(zhuǎn)換成北斗短報文信息，然后由北斗電話網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)收發(fā)單元向北斗用戶終端成功發(fā)送了北斗短報文信息。

5 結(jié)束語

針對在信號屏蔽或惡劣環(huán)境下，通信會受到阻礙或干擾的問題，基于北斗短報文通信技術(shù)，設(shè)計了一款北斗短報文與固定電話語音通訊服務(wù)系統(tǒng)，只需一方具有正常電話網(wǎng)或移動通信基站信號即可實現(xiàn)短報文通信。該系統(tǒng)利用北斗電話網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)北斗短報文與固話座機或移動電話的互聯(lián)互通，本設(shè)計解決了現(xiàn)有北斗用戶終端相對封閉，導(dǎo)致使用范圍受限的問題，從而擴展了北斗短報文的通信應(yīng)用范圍。北斗短報文與固定電話語音通訊方法抗干擾能力較強，并且保密性和可靠性高，適用于對保密性和可靠性要求高的特殊場合，提高了北斗短報文的通信應(yīng)用安全。