摘要：針對于海洋特殊的環(huán)境，數據傳輸能力不能滿足海洋環(huán)境檢測的需求現狀，文中提出將多種無線傳輸方式與AT91SAM9260結合構造多模式浮標岸基數據收發(fā)平臺的設計方案，并給出具體的通信協議。同時，用VC++語言設計了岸基數據接收服務中心軟件。本設計已成功用于海洋數據傳輸，對我國海洋環(huán)境檢測技術的發(fā)展有較大的意義。
關鍵詞：海洋通信；無線傳輸；多模；AT91SAM9260；協議

    海洋占據了地球表面的三分之二以上面積，并以其豐富的資源、廣闊的空間以及對地球環(huán)境氣候的巨大調節(jié)作用，成為全球生態(tài)系統和人類發(fā)展的一個重要組成部分，因此，發(fā)展海洋科技，尤其是海洋高新技術已成為世界新技術革命的重要內容。然而，由于海洋特殊的環(huán)境，使得很多在陸地上已經運用自如且性能良好的通信技術無法在海洋上使用，ARG0是以10～14天為周期通過衛(wèi)星系統來傳輸的，海洋通信技術成為了限制海洋技術發(fā)展的瓶頸。本文設計的基于AT91SAM9260的多模式浮標岸基數據收發(fā)平臺將多種數據傳輸方式集合在一起，很好的滿足了海洋數據全天侯長時間傳輸的需求。

1 系統概述
    基于AT91SAM9260的多模式浮標岸基數據收發(fā)平臺(以下簡稱收發(fā)平臺)系統結構圖如圖1所示，本系統提供了四種通信方式：無線通信、數傳電臺通信、GPRS通信和銥星通信。這四種通信方式由AT91SAM920配置和管理，依據一定的通信選擇策略實現四種通信方式的智能切換。圖中，實線為電源線、長虛線為天線連接線、點虛線為串口通信信號線。

    CPU是系統的核心，通過COM2～COM5依次與銥星模塊、無線模塊、速傳電臺模塊及GPRS模塊相連。COM6為用戶接口，可依據協議對本系統進行配置及實現數據傳輸，COM7為調試串口，可打印系統的運行信息，并可實現系統深入配置。
    系統中各種通信方式各有優(yōu)點：如果浮標是部署在近海，可以直接通過無線模塊進行通信，不但速度快而且無需資費；若距離有所增加，則可以使用無線數傳電臺，此時仍可獲得較快的傳輸速率。若無線模塊和無線數傳電臺不能滿足需求，則可以使用GPRS，此時傳輸速率有所下降，且有較小延時；若在遠海，則可以使用銥星模塊。本系統可以同時滿足近海和遠海數據通信的需求。

2 系統原理
2．1 通信方式智能切換選擇策略
    本收發(fā)平臺使用的選擇策略主要是：優(yōu)先級選擇策略、信號質量選擇策略和通信保持策略。
    優(yōu)先級選擇策略：由于四種通信方式有不同的傳輸速率、不同的傳輸距離和不同的延遲，同時考慮到海洋上特殊的環(huán)境以及盡量高速率、長傳輸距離、小延遲的通信要求，所以設置無線模塊、數傳電臺模塊、GPRS模塊及銥星模塊的優(yōu)先級依次為0～3，值越小，優(yōu)先級越高，同時可以依據協議由用戶設置模塊優(yōu)先級。
    信號質量選擇策略：系統在運行后，會運行通信守護進程，并定時檢測各通信方式的信號質量，從而進一步保證通信的正常進行。
    通信保持策略：收發(fā)平臺會優(yōu)先使用最近使用過的通信方式，若該通信方式故障，則會嘗試盡量多的次數來完成未完成的數據傳輸。用戶可依據協議設置嘗試次數及超時時間。
    用戶也可以依據協議設置以上三種策略的優(yōu)先關系。
2．2 通信協議制定
    通信協議是通信能否正常進行的重要保證。本收發(fā)平臺具有如下特點：一、用戶與收發(fā)平臺之間的通信需要有基本的重發(fā)確認機制，考慮到使用RS232通信鏈路重復出現故障的可能性叫小，所以該機制不需要復雜；二、用戶需要對收發(fā)平臺進行簡單的配置；三、收發(fā)平臺之間的通性應該可以實現定點傳輸、廣播傳輸及轉發(fā)。因此，協議的制定至少包括兩個方面：用戶與收發(fā)平臺通信協議和收發(fā)平臺間通信協議。

    圖2所示為用戶與收發(fā)平臺通信協議。劃分為三層：物理層、傳輸層、應用層。各層功能如下：物理層提供數據的實際傳輸，由RS232來完成，傳輸層只需以字節(jié)為單位發(fā)送數據即可；傳輸層負責檢測網絡狀態(tài)以及數據幀的提取；應用層依據幀類型完成用戶要執(zhí)行的操作。協議中：起始字符為“@”，占1字節(jié)；數據長度為幀中數據字段的長度，占1字節(jié)；校驗和對全幀進行校驗，若為0，則表示忽略校驗，占1字節(jié)；結束字符為“#”，占1字節(jié)。
    幀類型占1字節(jié)，具體如下：
    0：此時數據段為要發(fā)送的數據，收發(fā)平臺不必理會其內容，類似于透明傳輸，且通過何種方式傳輸由收發(fā)平臺決定；
    1：與類型0相似，但使用由用戶指定的通信方式，0為無線通信、1為無線數傳電臺、2為GPRS、3為銥星，其它值表示不使用該通信方式；
    2：對用戶指定的通信方式設定通信速率，0為9 600 bps，1為19 200 bps，此時，數據字段長度應為兩字節(jié)；
    3：此時數據字段應為四字節(jié)，依次為通信方式0～3的優(yōu)先級，且不可重復；
    4：此時數據字段應為三字節(jié)，依次代表重發(fā)次數、發(fā)送超時時間(占兩字節(jié))，單位為毫秒。
    5：設置收發(fā)平臺的目的地址，此時數據字段應為一字節(jié)，無需每次都設定；
    255：此時數據字段長度為零，表示對用戶發(fā)來的數據進行確認。
    圖3所示為收發(fā)平臺間通信協議，劃分為兩層：物理層、傳輸層。各層功能如下：物理層提供數據的實際傳輸，對于無線模塊和數傳電臺，提供的是連續(xù)的字節(jié)流傳輸，對于GPRS和銥星，提供的是不連續(xù)的以字節(jié)為最小單位的塊數據傳輸；傳輸層負責數據幀的提取，依據目的地址和該節(jié)點地址，接收、轉發(fā)或丟棄數據包，并提取接收數據包中的數據字段傳輸給用戶，且在任何時候都只接收但不轉發(fā)目的地址為廣播的數據包。協議中：起始字符為“@”，占1字節(jié)；目的地址占用1字節(jié)，255為廣播地址；源地址占用1字節(jié)；跳數為數據包可以被轉發(fā)的次數，為0時丟棄；數據長度為包中數據字段的長度，占1字節(jié)；校驗和對數據長度和數據字段進行校驗，若為0，則表示忽略校驗，占1字節(jié)；結束字符為“#”，占1字節(jié)。

3 硬件設計
    考慮到收發(fā)平臺需要至少五路RS232接口，且可能要同時操作四種通信方式來傳輸數據，綜合考慮，選用處理能力強的AT91SAM9260作為CPU；選用9XTend作為無線收發(fā)模塊，該模塊在使用高增益天線時最遠可達64 km，使用偶極天線時通信距離可達22 km；選用通信距離更遠的型號為MDS2710C的無線SCADA數傳電臺模塊；選用型號為GF-2008AW的GPRS模塊；選用9522A L-Band銥星收發(fā)模塊通過銥星衛(wèi)星與陸地基站進行通信。同時，為了存儲未能及時發(fā)出去的數據以及系統配置，添加SD卡作為存儲介質。圖4所示為收發(fā)平臺硬件框圖。

4 軟件設計
4．1 主控AT91SAM9260程序設計
    收發(fā)平臺要完成的功能主要是：與用戶通信、四種通信方式的控制與維護、數據存儲。開機后，收發(fā)平臺CPU讀取系統配置進行初始化，包括CPU本身初始化、RS232接口初始化、SD卡接口初始化、定時器初始化、通信模塊初始化。之后系統進入工作狀態(tài)。圖5所示為收發(fā)平臺正常工作時軟件流程圖，若某個通信模塊出現故障，CPU會關閉該模塊，當四種通信模塊都出現故障時，CPU將通知用戶，對于用戶發(fā)送的數據均不作出響應。

4．2 上位機軟件設計
    上位機軟件即岸基數據接收服務中心軟件完成計算機用戶與收發(fā)平臺間的通信，主要包括以下功能：收發(fā)平臺的配置、數據的接收與發(fā)送、數據的圖表化顯示及存儲、歷史數據的顯示與分析。圖6所示為上位機軟件主界面。

    上位機軟件使用Visual C++語言設計，窗口設計主要包括主窗口、系統配置窗口、歷史數據分析窗口。主界面接收數據圖表顯示區(qū)能反映接收到的數據的變化趨勢，并可向收發(fā)平臺傳輸數據，實現收發(fā)平臺的配置和數據收發(fā)。歷史數據分析窗口能以圖表方式反映歷史數據。

5 結束語
    本收發(fā)平臺目前可以支持網絡內存在最多255個收發(fā)平臺，已經滿足了當前的需求，并已成功用于海洋數據傳輸。在后續(xù)改進中，可設計實現多個收發(fā)平臺的組網傳輸，進而更大程度上滿足數據長時間全天候傳輸的需求。