海面無(wú)線局域傳感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通信協(xié)議研究

史 博，蘆雪松，陳 琳，戴憲邦，宋泓儒

(1.哈爾濱工程大學(xué) 水聲工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001；2.上海船舶設(shè)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(xué) 物理與光電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引言

現(xiàn)代海洋監(jiān)測(cè)技術(shù)逐步向著高集成度、高時(shí)效、多平臺(tái)、智能化和網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，海洋多傳感信息融合技術(shù)也應(yīng)運(yùn)而生[1]，其中基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)匯聚系統(tǒng)應(yīng)用最為廣泛。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的靈活性、便利性與實(shí)時(shí)性在自組海面觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)搭建的過(guò)程中起到重要作用[2]。但是，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在海面獨(dú)立工作時(shí)，也會(huì)隨時(shí)受到系統(tǒng)資源、內(nèi)部負(fù)反饋等因素影響導(dǎo)致計(jì)算能力下降、傳輸距離減小、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能減弱、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)精度不高等[3–4]。

因此設(shè)計(jì)一套無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議與智能無(wú)線傳感器相互搭配組合，既能在智慧海洋無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)組建中充分發(fā)揮作用，又能夠?qū)崿F(xiàn)海面無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃耘c魯棒性，從而實(shí)現(xiàn)海洋數(shù)據(jù)分布采集、異步處理、實(shí)時(shí)監(jiān)控、云端人機(jī)交互與控制的效果。

1 海面無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)通信需求

現(xiàn)如今，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)正在快速興起與發(fā)展，它是多學(xué)科交叉、多專業(yè)互融的一個(gè)重要領(lǐng)域，其中組網(wǎng)通信技術(shù)、衛(wèi)星定位技術(shù)、嵌入式信號(hào)處理陣列技術(shù)以及分布式多節(jié)點(diǎn)通信技術(shù)都伴隨著無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)逐漸應(yīng)用到生產(chǎn)生活中[5]。如果說(shuō)互聯(lián)網(wǎng)改變了人與人之間的溝通，那么無(wú)線傳感器技術(shù)真正意義上做到了人機(jī)交互、萬(wàn)物互聯(lián)的功能[6]。利用無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，人類對(duì)世界的認(rèn)知能力變得更加廣泛、更加細(xì)致，因此無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在未來(lái)人類生產(chǎn)生活的進(jìn)程中將會(huì)起到舉足輕重的作用[7]。

海面無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)也是伴隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展逐漸產(chǎn)生，現(xiàn)如今已經(jīng)運(yùn)用到許多軍用、民用等領(lǐng)域[8]。其中最為常見(jiàn)的是長(zhǎng)基線海洋通信技術(shù)，又可以被稱為“海洋上的衛(wèi)星”，它的系統(tǒng)組成主要有三部分：一是水下合作或非合作目標(biāo)；二是海洋中繼數(shù)據(jù)處理與無(wú)線收發(fā)系統(tǒng)；三是母船數(shù)據(jù)匯聚與解算顯控系統(tǒng)[9]。無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)系統(tǒng)與數(shù)據(jù)匯聚解算系統(tǒng)的主要功能是將水下目標(biāo)發(fā)射的聲時(shí)延信息與中繼單元的自身位置坐標(biāo)信息轉(zhuǎn)達(dá)給母船解算顯控單元，它需要利用無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)搭建長(zhǎng)距離的數(shù)據(jù)鏈路傳輸，使得基線長(zhǎng)度可高達(dá)十幾千米甚至上百千米，所以更長(zhǎng)的傳輸距離與更精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)精度與可信度成為海面無(wú)線數(shù)據(jù)傳感網(wǎng)絡(luò)的迫切需求[10]。還有一種是海洋觀測(cè)浮標(biāo)系統(tǒng)，它利用浮標(biāo)系統(tǒng)自身搭載的多種傳感器單元來(lái)實(shí)時(shí)獲取海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)[10]；所搭載的高精度溫濕度傳感系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)海面的溫度與濕度，并利用無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)將所檢測(cè)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)回傳[11]，這對(duì)于人們實(shí)時(shí)觀測(cè)海洋氣候變化、水文環(huán)境變化起到重要作用。

因此，在系統(tǒng)搭建的過(guò)程中，海洋無(wú)線數(shù)據(jù)傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)與通信協(xié)議的協(xié)調(diào)搭配關(guān)乎到每一個(gè)項(xiàng)目的實(shí)際需求與應(yīng)用。設(shè)計(jì)一套具備工程完備性與項(xiàng)目實(shí)用性的數(shù)據(jù)協(xié)議應(yīng)用于多通道海面無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)系統(tǒng)內(nèi)，將對(duì)數(shù)據(jù)鏈路搭建與信息傳輸提供有力保障。

2 海面數(shù)據(jù)通信協(xié)議研究

2.1 異步收發(fā)通信協(xié)議設(shè)計(jì)

多通道海面無(wú)線收發(fā)系統(tǒng)主要是利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸單元進(jìn)行長(zhǎng)距離、長(zhǎng)航程、長(zhǎng)航時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸。傳輸內(nèi)容主要包括下行數(shù)據(jù)協(xié)議和上行數(shù)據(jù)協(xié)議兩大類，下行數(shù)據(jù)主要指母船匯聚單元下發(fā)控制指令及系統(tǒng)主控平臺(tái)對(duì)合作目標(biāo)的控制指令；上行數(shù)據(jù)主要指自檢響應(yīng)指令、合作目標(biāo)與外感數(shù)據(jù)指令。當(dāng)各基元系統(tǒng)完成布放后，船載測(cè)控平臺(tái)需針對(duì)各個(gè)單元進(jìn)行指令控制的下達(dá)，當(dāng)各個(gè)單元接收指令信號(hào)后進(jìn)行自檢響應(yīng)，并及時(shí)上傳船載測(cè)量船單元的數(shù)據(jù)信號(hào)，達(dá)到數(shù)據(jù)鏈路的有效傳輸。在工程實(shí)踐應(yīng)用中，傳輸?shù)姆绞讲捎卯惒酱谛问桨l(fā)送，避免了字符數(shù)據(jù)間不同步的影響。異步串口可以解決時(shí)鐘差別不大情況下一個(gè)字符中比特位長(zhǎng)度的有限傳輸效果。表1 為船載測(cè)控平臺(tái)下行海面基元數(shù)據(jù)協(xié)議，數(shù)據(jù)總長(zhǎng)度為12 Byte。協(xié)議內(nèi)容主要包括表2 的海面單元自檢數(shù)據(jù)協(xié)議，數(shù)據(jù)總長(zhǎng)度為7 Byte。

表1 下行海面系統(tǒng)協(xié)議表Tab.1 Downlink sea surface system protocol table

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

可以看出，無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議在數(shù)據(jù)下行的過(guò)程中，需要文頭與標(biāo)識(shí)為對(duì)整體數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)與判定，利用上述方法也有利于數(shù)據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部邏輯單元進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測(cè)，指令內(nèi)容主要為對(duì)于多路數(shù)據(jù)的控制命令，利用上述指令的前提是需要提前將內(nèi)部控制單元（FPGA 核心處理板）的程序固化，這樣更方便與系統(tǒng)的調(diào)試與監(jiān)控。

海面無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)系統(tǒng)自檢協(xié)議的設(shè)計(jì)主要是針對(duì)母船解算顯控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)反饋。其中節(jié)點(diǎn)單元標(biāo)號(hào)目的是用來(lái)區(qū)分多路數(shù)據(jù)匯聚信息過(guò)程中可能會(huì)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)串?dāng)_，節(jié)點(diǎn)指令內(nèi)容是當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障或者由于環(huán)境因素造成的系統(tǒng)不工作后將數(shù)據(jù)置0，給顯控端以警示，需立即采取措施進(jìn)行維修與補(bǔ)救；反饋數(shù)據(jù)置1 則說(shuō)明海面單元將啟動(dòng)開(kāi)始工作。

當(dāng)海面基元工作開(kāi)始之后，系統(tǒng)內(nèi)部信標(biāo)信號(hào)接收器接收到的信標(biāo)信號(hào)經(jīng)過(guò)放大電路和帶通濾波器后輸入至AD 采集器，由FPGA 控制實(shí)現(xiàn)接收信號(hào)的采集，同時(shí)通過(guò)濾波處理濾出檢測(cè)脈沖與測(cè)試脈沖信號(hào)，VCA 電路實(shí)現(xiàn)對(duì)放大電路增益的實(shí)時(shí)調(diào)控，系統(tǒng)的DSP 單元將進(jìn)行接收數(shù)據(jù)的信息解算，利用自適應(yīng)Notch 濾波、匹配濾波器、拷貝相關(guān)等技術(shù)完成對(duì)水下合作或非合作目標(biāo)的實(shí)時(shí)解算并將結(jié)果數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)至SD 卡中完成數(shù)據(jù)解算與信息保存。表3 為最終得到水下合作目標(biāo)的聲時(shí)延數(shù)據(jù)。

表3 聲吶時(shí)延數(shù)據(jù)協(xié)議表Tab.3 Sonar time delay data protocol table

根據(jù)前文所述，表4 為數(shù)傳電臺(tái)上行數(shù)據(jù)協(xié)議。系統(tǒng)接收合作目標(biāo)的時(shí)延數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)DSP 解算后，接收機(jī)利用FPGA 進(jìn)行數(shù)據(jù)重組和打包，針對(duì)檢測(cè)到的GPS 數(shù)據(jù)與高精度溫濕度傳感器模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)提取，在保證系統(tǒng)干端無(wú)線電臺(tái)傳輸速率的同時(shí)，完成顯控單元所需解算數(shù)據(jù)的上傳，這樣既保證數(shù)據(jù)運(yùn)算處理迅速，又可以使系統(tǒng)定位精度提高。

表4 電臺(tái)上行數(shù)據(jù)協(xié)議表Tab.4 Radio uplink data protocol table

根據(jù)上述協(xié)議表可以計(jì)算出無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸電臺(tái)每秒發(fā)送的字節(jié)數(shù)41 Byte，每秒傳輸?shù)目偙忍財(cái)?shù)H為41×10=410 bit。選定無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸電臺(tái)標(biāo)定的串口速率為19 200 bps，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)收發(fā)功能，還能夠使得海面無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的能耗有所降低。

2.2 數(shù)據(jù)協(xié)議的可信度定義

異步串口在進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)與控制時(shí)，伴隨著傳輸時(shí)間的增加、傳輸距離的增大與海面環(huán)境因素的變化，傳輸信息會(huì)出現(xiàn)誤碼、丟包、數(shù)據(jù)擁塞、數(shù)據(jù)串?dāng)_等一系列數(shù)據(jù)可信度不高等問(wèn)題。在無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中，上述造成數(shù)據(jù)可信度不高的問(wèn)題極為普遍，所以需要根據(jù)節(jié)點(diǎn)匯聚的不同數(shù)據(jù)信息進(jìn)一步推斷與擬合原始數(shù)據(jù)，并對(duì)所推斷的數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)的相似性與真實(shí)性進(jìn)行比對(duì)，相似性較大的被系統(tǒng)稱之為可信數(shù)據(jù)，相似性一般的被稱之為一般數(shù)據(jù)，相似性差別很大的被稱之為可丟棄數(shù)據(jù)或無(wú)效數(shù)據(jù)，其中相似性較大的數(shù)據(jù)會(huì)與原始數(shù)據(jù)產(chǎn)生一個(gè)很大的數(shù)據(jù)交集，并且相鄰的數(shù)據(jù)向量感知相似度極強(qiáng)。針對(duì)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中多節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)可信度感知無(wú)線信道收發(fā)數(shù)據(jù)信息的相似程度，給出所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)可信度價(jià)值定義。

其中，p與q分別為海面?zhèn)鬏斚到y(tǒng)中的2 個(gè)獨(dú)立節(jié)點(diǎn)，代表在t時(shí)刻內(nèi)兩獨(dú)立節(jié)點(diǎn)的信息量。

根據(jù)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行節(jié)點(diǎn)之間的相似度分析。首先需要設(shè)定一個(gè)界限范圍值 ?，當(dāng)經(jīng)過(guò)無(wú)線信道收發(fā)后的傳輸數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)比對(duì)沒(méi)有超過(guò)界限范圍值時(shí)，可以說(shuō)這段數(shù)據(jù)是有效的，進(jìn)而證明本段數(shù)據(jù)傳輸有效。依此類推，多節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)H={a,b,m,n···}利用上述判斷所有節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息并逐一表示。

歐拉距離可以衡量無(wú)線數(shù)據(jù)協(xié)議相似度，并作為相似度大小的標(biāo)準(zhǔn)。以上文的海面兩獨(dú)立節(jié)點(diǎn)p與q為例，的歐氏長(zhǎng)度為：

根據(jù)式(3)可知，歐式長(zhǎng)度間距越大，系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸相似度越低，信道干擾越強(qiáng)烈，數(shù)據(jù)價(jià)值可信度越低。設(shè)數(shù)據(jù)價(jià)值可信度為 β，當(dāng)時(shí)，可以驗(yàn)證各個(gè)節(jié)點(diǎn)單元的數(shù)據(jù)價(jià)值可信度高，無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸性能優(yōu)良。

各個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)價(jià)值W定義為所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)協(xié)議中的元素，即M=|Hi|。由此可見(jiàn)，W越大，節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)價(jià)值越大，此時(shí)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸信道的性能更高。

2.3 數(shù)據(jù)協(xié)議收發(fā)流程設(shè)計(jì)

當(dāng)無(wú)線數(shù)傳系統(tǒng)開(kāi)始工作時(shí)，電臺(tái)的功能模塊由待機(jī)狀態(tài)改變?yōu)榇l(fā)送模式，電臺(tái)邏輯控制單元將自動(dòng)刪除前一次存儲(chǔ)在寄存器內(nèi)部的信息并啟動(dòng)異步串口收發(fā)數(shù)據(jù)使能模塊上電。完成上述步驟后，電臺(tái)模塊發(fā)射單元已經(jīng)處于發(fā)送狀態(tài)，下一步將進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)射。電臺(tái)通過(guò)檢測(cè)串口輸入的起始位編碼啟動(dòng)串口發(fā)射使能并產(chǎn)生發(fā)送碼，開(kāi)始通過(guò)異步串口單元發(fā)送數(shù)據(jù)。

本系統(tǒng)在進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)的過(guò)程中，將會(huì)自動(dòng)配對(duì)并給予信號(hào)發(fā)射器命名為“主”，給予數(shù)據(jù)接收器命名為“從”。當(dāng)“主”電臺(tái)完成一次數(shù)據(jù)發(fā)送后，會(huì)給“從”電臺(tái)發(fā)送特殊編碼信號(hào)，即完成一次成功的發(fā)送。圖1 為無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)送系統(tǒng)工作流程，對(duì)于外部輸入串口數(shù)據(jù)單元來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)檢測(cè)到外部輸出使能后要根據(jù)需求產(chǎn)生自身的信息編碼，從而達(dá)到信息加密的特點(diǎn)。

圖1 無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)送系統(tǒng)工作流程Fig.1 Work flow of wireless data transmission system

在研究過(guò)程中，系統(tǒng)隨環(huán)境因素影響較大，因此，當(dāng)進(jìn)行異步數(shù)據(jù)串口發(fā)送完成后，“主”電臺(tái)沒(méi)有立刻收到“從”電臺(tái)返回的“握手”協(xié)議，此時(shí)表明雖然“主”電臺(tái)已經(jīng)完成發(fā)送但“從”電臺(tái)并未接收，單邊信息隔斷將會(huì)造成數(shù)據(jù)丟失，不利于后續(xù)數(shù)據(jù)匯聚分析與解算。此時(shí)“主”電臺(tái)的數(shù)據(jù)重發(fā)功能在上述不可抗拒的因素中將被充分發(fā)揮作用。用戶可以根據(jù)自身需求，設(shè)定重發(fā)功能次數(shù)以便合理地解決數(shù)據(jù)幀丟失的問(wèn)題。

圖2 為無(wú)線數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)工作流程框圖，當(dāng)信號(hào)發(fā)射機(jī)啟動(dòng)并開(kāi)始利用異步串口發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，信號(hào)接收機(jī)（“從”電臺(tái)）在上電瞬間收到“主”電臺(tái)的信號(hào)標(biāo)識(shí)，二者產(chǎn)生配對(duì)效應(yīng)并開(kāi)始工作。當(dāng)處于待機(jī)狀態(tài)時(shí)，“從”電臺(tái)的接收使能置0 直到系統(tǒng)檢測(cè)到發(fā)射機(jī)的發(fā)射頻率后啟動(dòng)異步串口數(shù)據(jù)接收功能。

圖2 無(wú)線數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)工作流程Fig.2 Work flow of wireless data receiving system

在進(jìn)行數(shù)據(jù)接收的過(guò)程中，“從”電臺(tái)與“主”電臺(tái)的工作模式相同，只有檢測(cè)到起始位特殊編碼后將起始位信號(hào)置1 才能進(jìn)行異步串口數(shù)據(jù)的接收。本系統(tǒng)在進(jìn)行接收數(shù)據(jù)時(shí)，采用的編碼技術(shù)也是內(nèi)部自身的聯(lián)合調(diào)頻編碼技術(shù)，大大增加系統(tǒng)接收性能。當(dāng)系統(tǒng)完成一次數(shù)據(jù)接收后，“從”電臺(tái)會(huì)立刻發(fā)送特殊編碼信號(hào)給“主”電臺(tái)接收成功，進(jìn)行下一次異步串口數(shù)據(jù)的收發(fā)。

表5 為無(wú)線電臺(tái)的收發(fā)頻率表，多節(jié)點(diǎn)海面數(shù)據(jù)收發(fā)單元共有6 套傳輸電臺(tái)，頻率與波長(zhǎng)的關(guān)系式為：

表5 無(wú)線電臺(tái)收發(fā)頻率表Tab.5 Radio transceiver frequency table

由于天線布放過(guò)程中需要考慮自身波長(zhǎng)間距，因此根據(jù)上述公式逐一計(jì)算出各個(gè)頻率對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)，以便后續(xù)母船通信具備優(yōu)良的匯聚效果。

3 無(wú)線電臺(tái)數(shù)據(jù)通信協(xié)議測(cè)試

基于定位測(cè)距設(shè)備海面定位通信項(xiàng)目研發(fā)階段性進(jìn)展，需進(jìn)行外場(chǎng)水面測(cè)試試驗(yàn)。

3.1 單節(jié)點(diǎn)拉距實(shí)測(cè)

如圖3 所示，本次試驗(yàn)主要目的是測(cè)量無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸電臺(tái)的實(shí)際通信距離。采用單節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)內(nèi)部的高精度GPS 定位接收機(jī)與上方無(wú)線電臺(tái)直連的方式實(shí)時(shí)定位和校準(zhǔn)自身的位置，母船的無(wú)線電臺(tái)直連1 臺(tái)高精度GPS 定位接收機(jī)實(shí)時(shí)獲取母船自身的GPS 位置，利用相關(guān)解算軟件實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)湖面單節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)與母船之間的距離。

圖3 湖面拉距測(cè)試圖Fig.3 Lake surface drawing distance test chart

在通信母船行進(jìn)的過(guò)程中，通信電臺(tái)與天線要實(shí)時(shí)保持高度不變，間隔相同時(shí)間進(jìn)行一次數(shù)據(jù)校準(zhǔn)。如果數(shù)據(jù)校準(zhǔn)正確，則判斷本次拉距測(cè)試試驗(yàn)成功，兩點(diǎn)距離在系統(tǒng)無(wú)線傳輸距離范圍之內(nèi)。以此類推，母船繼續(xù)沿著背向發(fā)射電臺(tái)的方向行進(jìn)并不斷校準(zhǔn)測(cè)試。隨著距離不斷增加，無(wú)線傳輸系統(tǒng)受到周圍環(huán)境的影響會(huì)逐漸產(chǎn)生信號(hào)衰減、數(shù)據(jù)丟失或終止通信，此時(shí)需要停止母船的行駛并記錄自身的GPS 位置坐標(biāo)，通過(guò)解算軟件實(shí)時(shí)匯聚并計(jì)算的通信距離為無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸電臺(tái)的最大作用距離。根據(jù)上述方法測(cè)試1 套電臺(tái)結(jié)束后，按照同樣的流程與安裝、拉距步驟將其余5 套數(shù)據(jù)傳輸電臺(tái)進(jìn)行測(cè)試并做好實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄方便后續(xù)整理與分析。

經(jīng)過(guò)大量的數(shù)據(jù)對(duì)比與長(zhǎng)時(shí)間的拉距測(cè)試試驗(yàn)（見(jiàn)圖4），當(dāng)無(wú)線收發(fā)數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度控制在100 Byte以內(nèi)時(shí)，所有電臺(tái)的通信距離均在10 km 以上，解決了無(wú)線數(shù)據(jù)匯聚聚合的長(zhǎng)距離傳輸問(wèn)題。隨著數(shù)據(jù)長(zhǎng)度的逐漸增加，無(wú)線傳輸系統(tǒng)的傳輸效率會(huì)隨之下降，當(dāng)數(shù)據(jù)每秒鐘的吞吐量達(dá)到500 Byte 以上時(shí)，通信電臺(tái)的距離指標(biāo)高于6 km，但更高的傳輸精度是實(shí)現(xiàn)海面長(zhǎng)基線定位應(yīng)用的必要條件。

圖4 不同頻率單節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)量與傳輸距離仿真測(cè)試圖Fig.4 Simulation test chart of data volume and transmission distance of a single node at different frequencies

3.2 多節(jié)點(diǎn)拉距研究

為了進(jìn)一步對(duì)系統(tǒng)通信能力以及多路無(wú)線收發(fā)系統(tǒng)同時(shí)工作的數(shù)據(jù)匯聚功能將進(jìn)行檢驗(yàn)，在湖面進(jìn)行多通道無(wú)線電通信拉距試驗(yàn)。通信模塊的發(fā)射功率為2 W；發(fā)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(guò)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(wú)遮攔，通信強(qiáng)度與信號(hào)質(zhì)量良好。兩兩天線之間的距離不低于一個(gè)波長(zhǎng)。根據(jù)前文計(jì)算可得天線之間的距離不低于0.8 m。

將外接設(shè)備連接完畢后，進(jìn)行內(nèi)部無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸電臺(tái)與總控平臺(tái)的數(shù)據(jù)鏈路搭建。無(wú)線電臺(tái)以網(wǎng)口形式輸出信息，考慮到六路信息匯聚會(huì)造成數(shù)據(jù)擁塞，此時(shí)FPGA 核心處理版將會(huì)根據(jù)六路數(shù)據(jù)的具體形式進(jìn)行實(shí)時(shí)拆包、拼包與上傳。顯控單元將數(shù)據(jù)顯示并進(jìn)行距離信息結(jié)算，內(nèi)部的存儲(chǔ)系統(tǒng)也將六路信息匯聚在內(nèi)部存儲(chǔ)卡以便后續(xù)的分析與應(yīng)用。

試驗(yàn)的主要目的是為了驗(yàn)證6 通道數(shù)據(jù)匯聚與接收以及船載接收端實(shí)時(shí)顯控的能力。驗(yàn)證方法與上一節(jié)基本相似，但在布放過(guò)程中，數(shù)據(jù)發(fā)射端受到浪、涌的眾多因素干擾，導(dǎo)致天線狀態(tài)不穩(wěn)定影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)男省ＴO(shè)定接收端天線高度為10 m，發(fā)射端天線距離浪高2 m 進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)試，6 通道數(shù)據(jù)均已回傳并將GPS 數(shù)據(jù)中的GNGGA數(shù)據(jù)進(jìn)行提取并顯示出來(lái)，GPS 下發(fā)的所有數(shù)據(jù)也均已存入系統(tǒng)內(nèi)部便于后續(xù)的接收和解算。

3.3 通信數(shù)據(jù)誤包率仿真

根據(jù)大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析結(jié)果可以得出，隨著測(cè)試時(shí)間變長(zhǎng)、拉距距離逐漸增大，無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)所收發(fā)的相關(guān)環(huán)境因素干擾也隨之加大，如果在平穩(wěn)的湖面或海面進(jìn)行試驗(yàn)，傳輸效果將會(huì)有明顯提高。圖5 為系統(tǒng)誤碼率隨時(shí)間的變化圖。

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

可以看出，無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的誤包率隨頻率變化影響不大，在不間斷測(cè)量420 min 后，所有數(shù)傳電臺(tái)的誤包率均穩(wěn)定在5.5%左右，可以達(dá)到湖面無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸與聚合主要指標(biāo)，為后續(xù)海面拉距實(shí)測(cè)也提供必要功能保障。

3.4 數(shù)據(jù)可信度仿真分析

綜合上述系統(tǒng)拉距功能測(cè)試與數(shù)據(jù)誤包率仿真分析，結(jié)合海面濕度傳感器回傳協(xié)議數(shù)據(jù)，根據(jù)露點(diǎn)溫度與氣溫計(jì)算湖面的絕對(duì)濕度，通過(guò)絕對(duì)濕度與飽和狀態(tài)下的濕度比值計(jì)算出湖面的相對(duì)濕度。圖6 為不同頻率下數(shù)據(jù)可信度隨湖面相對(duì)濕度仿真測(cè)試圖。

圖6 不同頻率下數(shù)據(jù)可信度仿真測(cè)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(cè)試100 min數(shù)據(jù)，得出當(dāng)湖面相對(duì)濕度較大或者陰雨天時(shí)，數(shù)據(jù)可信度較低并變換較為明顯。當(dāng)濕度較低時(shí)，數(shù)據(jù)可信度較高，此時(shí)信號(hào)傳輸性能較好。當(dāng)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸可信度相對(duì)值達(dá)到86%以下時(shí)，需要終止無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。這與無(wú)線電磁波在介質(zhì)中傳播受到環(huán)境干擾因素相吻合。

4 結(jié)語(yǔ)

基于海面無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的理論研究了無(wú)線通信系統(tǒng)與多傳感器模組之間的數(shù)據(jù)協(xié)議架構(gòu)與具體內(nèi)容，得到以下結(jié)論：1）利用無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸電臺(tái)的系統(tǒng)收發(fā)功能完成了異步串口數(shù)據(jù)的匯聚與分發(fā)，解決了多路數(shù)據(jù)并行處理的串?dāng)_與擁塞。2）測(cè)量單節(jié)點(diǎn)與多節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)協(xié)議傳輸性能。單節(jié)點(diǎn)采用的是逐一頻率長(zhǎng)距離拉距試驗(yàn)測(cè)試，利用顯控解算界面的統(tǒng)計(jì)計(jì)算功能實(shí)時(shí)計(jì)算通信母船與單節(jié)點(diǎn)的距離，最終測(cè)得二者相距10.9 km 時(shí)數(shù)據(jù)出現(xiàn)誤碼并停止通信，大于指標(biāo)6 km的需求，此項(xiàng)技術(shù)滿足要求。3）針對(duì)多節(jié)點(diǎn)多頻段無(wú)線匯聚系統(tǒng)的搭建、布放與數(shù)據(jù)協(xié)議誤碼率測(cè)量，驗(yàn)證了在保證發(fā)射天線高度不變的情況下，接收天線越高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)協(xié)議誤碼率越小并在系統(tǒng)指標(biāo)需求以內(nèi)。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(shí)間逐漸增長(zhǎng)時(shí)，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)協(xié)議誤碼率逐漸增大并高于其他5 個(gè)頻段。