潘高峰，薛軍，謝勇，梁盛

遠(yuǎn)程無線控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)?

潘高峰，薛軍，謝勇，梁盛

（中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇江陰214431）

由于保密的要求以及鋪設(shè)專網(wǎng)耗資巨大等問題，測量船對遠(yuǎn)程的標(biāo)校設(shè)備無法進(jìn)行有效的控制。通過選用無線網(wǎng)橋技術(shù)設(shè)計(jì)了一套無線控制系統(tǒng)，并開發(fā)了網(wǎng)絡(luò)控制模塊以及相應(yīng)的軟件，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了測量船對遠(yuǎn)端設(shè)備的有效控制。測試表明，系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，控制便捷，具有可靠性、安全性和擴(kuò)展性高等優(yōu)點(diǎn)，完全適用于測量船遠(yuǎn)程控制。

測量船；標(biāo)校設(shè)備；遠(yuǎn)程控制；無線網(wǎng)橋

1 引言

隨著我國航天事業(yè)的發(fā)展，測量船所承擔(dān)的任務(wù)呈現(xiàn)高密度、高強(qiáng)度的趨勢，造成碼頭期間的任務(wù)準(zhǔn)備工作越來越繁重，面臨著考核項(xiàng)目多、考核時間短和多船協(xié)調(diào)對標(biāo)等現(xiàn)實(shí)情況，如何提高對標(biāo)效率、確保安全可靠對標(biāo)成為緊迫的課題。由于保密要求，原研制的遠(yuǎn)程標(biāo)?？刂葡到y(tǒng)無法接入現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)，而鋪設(shè)專網(wǎng)的耗資巨大，性價比低，也非首選方案。近些年來，無線通信已經(jīng)成為信息通信領(lǐng)域中發(fā)展最快、應(yīng)用最廣的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于家居、農(nóng)業(yè)、工業(yè)、航天等領(lǐng)域，已成為信息時代社會生活不可或缺的一部分［1］，這種技術(shù)也為解決測量船遠(yuǎn)程控制標(biāo)校設(shè)備提供了支持。

本文通過對常用中遠(yuǎn)距離無線通信方式的比較，擇優(yōu)選擇了無線網(wǎng)橋，采用了橋接中繼的網(wǎng)絡(luò)模式，通過開發(fā)遠(yuǎn)程設(shè)備端的網(wǎng)絡(luò)控制模塊，以及相應(yīng)的控制軟件，實(shí)現(xiàn)了測量船對遠(yuǎn)程設(shè)備的有效、安全控制。

2 無線通信方式比較

無線通信技術(shù)是利用電磁波信號在自由空間中進(jìn)行信息傳播的一種通信方式，按技術(shù)形式可分為兩類：一是基于蜂窩的接入技術(shù)，如蜂窩數(shù)字分組數(shù)據(jù)、通用分組無線傳輸技術(shù)、EDGE等；二是基于局域網(wǎng)的技術(shù)，如WLAN、Bluetooth、IrDA、Home-RF、微功率短距離無線通信技術(shù)等。在中遠(yuǎn)距離無線通信常用的有ISM頻段的通信技術(shù)（比如ZigBee以及其他頻段的數(shù)傳模塊等）和無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（比如GSM、GPRS以及無線網(wǎng)橋等）。

基于ISM頻段的數(shù)傳模塊的通信頻率為公共頻段，產(chǎn)品開發(fā)沒有限制，因此發(fā)展非常迅速，得到了廣泛應(yīng)用。特別是近年來新興的ZigBee技術(shù)，因其低功耗、低復(fù)雜度、低成本，尤其是采用自組織方式組網(wǎng)，對網(wǎng)段內(nèi)設(shè)備數(shù)量不加限制，可以靈活地完成網(wǎng)絡(luò)鏈接，在智能家居、無線抄表等網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)開發(fā)中得到應(yīng)用［2］。但是，對于本系統(tǒng)的開發(fā)而言，需要分別研制控制點(diǎn)和被控制點(diǎn)的硬件模塊，并需通過軟件配置網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，開發(fā)周期長，研制成本高，故非本系統(tǒng)開發(fā)的最優(yōu)方案。

GSM、GPRS這種無線移動通信技術(shù)已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ罟ぷ鞅夭豢缮俚牟糠?，在其他如無線定位、遠(yuǎn)程控制等領(lǐng)域的應(yīng)用也屢見不鮮［3］，但是由于保密、通信費(fèi)用、開發(fā)成本等因素，也無法適用于本系統(tǒng)的開發(fā)。

而無線網(wǎng)橋?yàn)楸鞠到y(tǒng)的低成本、高效率的研發(fā)提供了有利支持，是開發(fā)本系統(tǒng)的首選無線通信方式。無線網(wǎng)橋是無線網(wǎng)絡(luò)的橋接，它可在兩個或多個網(wǎng)絡(luò)之間搭起通信的橋梁，也是無線接入點(diǎn)的一個分支。無線網(wǎng)橋工作在2.4 GHz或5.8 GHz的免申請無線執(zhí)照的頻段，因而比其他有線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備更方便部署，特別適用于城市中的近距離、遠(yuǎn)距離通信。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)是以保障測量船對遠(yuǎn)端標(biāo)校設(shè)備的有效控制為目標(biāo)，包括標(biāo)校設(shè)備的開關(guān)機(jī)、狀態(tài)參數(shù)的采集等，主要由測量船控制微機(jī)、標(biāo)校設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)控制模塊、主控微機(jī)以及無線網(wǎng)橋等組成。工作流程為測量船控制微機(jī)或主控微機(jī)發(fā)送控制指令，通過無線網(wǎng)橋進(jìn)行信息傳播，網(wǎng)絡(luò)控制模塊接收、解析指令，按照Modbus協(xié)議規(guī)定的數(shù)據(jù)格式通過串口發(fā)給某一標(biāo)校設(shè)備，該標(biāo)校設(shè)備響應(yīng)控制指令并執(zhí)行；網(wǎng)絡(luò)控制模塊定時發(fā)送查詢指令，并將采集的狀態(tài)數(shù)據(jù)打包，通過無線發(fā)給遠(yuǎn)程控制微機(jī)，便于操作人員監(jiān)視。

網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議采用UDP方式，對于測量船控制微機(jī)、主控微機(jī)僅需按照一定的數(shù)據(jù)格式發(fā)送或接收UDP包即可。網(wǎng)絡(luò)控制模塊是系統(tǒng)的核心部件，是本文研究、設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。目前，常用的網(wǎng)絡(luò)芯片主要有ENC28J60、CP2200等，這里選用了ENC28J60，設(shè)計(jì)、加工了基于STC89C52RC單片機(jī)的硬件電路。通過網(wǎng)絡(luò)信息處理軟件模塊的開發(fā)，滿足了網(wǎng)絡(luò)信息交互的功能要求；通過Modbus串口協(xié)議軟件模塊的開發(fā)，滿足了標(biāo)校設(shè)備監(jiān)控功能，從而實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)。

3.1 組網(wǎng)模式

無線網(wǎng)橋有3種工作方式，即點(diǎn)對點(diǎn)、點(diǎn)對多點(diǎn)、中繼連接。根據(jù)系統(tǒng)的控制要求以及環(huán)境因素，本系統(tǒng)采用了中繼連接的方式，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1所示。從圖中可以清晰看出，這種中繼連接方式在遠(yuǎn)程控制端布置兩個無線網(wǎng)橋，分別與主控點(diǎn)和客戶端進(jìn)行通信，通過網(wǎng)絡(luò)控制模塊完成數(shù)據(jù)交互，從而完成組網(wǎng)。

3.2 安全防范

由于是開放性設(shè)計(jì)，無線網(wǎng)絡(luò)安全是一個必須考慮的問題。本系統(tǒng)的特點(diǎn)是非定時或全天候開機(jī)，涉密數(shù)據(jù)僅為頻點(diǎn)參數(shù)，而被控設(shè)備自身均有保護(hù)措施（協(xié)議保護(hù)）。因此，系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時重點(diǎn)考慮接入點(diǎn)防范、防止攻擊，采取的措施有登錄密碼設(shè)施、網(wǎng)絡(luò)密匙設(shè)置、固定IP、對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體的涉密數(shù)據(jù)采取動態(tài)加密等方式，從而最大限度地防止了“被黑”。同時，采用了網(wǎng)絡(luò)防雷器來防護(hù)雷電破壞。

3.3 網(wǎng)絡(luò)控制模塊設(shè)計(jì)

3.3.1 硬件設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)控制模塊的功能是收命令信息、發(fā)狀態(tài)信息，并通過串口與標(biāo)校設(shè)備實(shí)現(xiàn)信息交互，其硬件電路主要由MCU（微控制單元）、ENC28J60（網(wǎng)絡(luò)芯片）、Max232（串口芯片）以及外圍電路組成，其電原理圖如圖2所示。硬件設(shè)計(jì)的核心是MCU、網(wǎng)絡(luò)芯片的選型，本系統(tǒng)MCU選用的STC89C52RC單片機(jī)，是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，可直接使用串口下載，為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。ENC28J60是由Microchip公司出的一款高集成度的以太網(wǎng)控制芯片，其接口符合IEEE802.3協(xié)議，僅28個引腳就可提供相應(yīng)的功能，大大簡化了相關(guān)設(shè)計(jì)。ENC28J60提供了SPI接口，與MCU的通信通過兩個中斷引腳和SPI實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)傳輸速率為10 Mbit／s。ENC28J60符合IEEE 802.3的全部規(guī)范，采用了一系列包過濾機(jī)制對傳入的數(shù)據(jù)包進(jìn)行限制，它提供了一個內(nèi)部DMA模塊，以實(shí)現(xiàn)快速數(shù)據(jù)吞吐和硬件支持的IP校驗(yàn)和計(jì)算［4］。ENC28J60對外網(wǎng)絡(luò)接口采用HR911102A，其內(nèi)置有網(wǎng)絡(luò)變壓器、電阻網(wǎng)絡(luò)，并有狀態(tài)顯示燈，具有信號隔離、阻抗匹配、抑制干擾等特點(diǎn)，可提高系統(tǒng)抗干擾能力和收發(fā)的穩(wěn)定性。

3.3.2 軟件設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)控制模塊的軟件設(shè)計(jì)主要包括兩部分，一是基于SPI總線的ENC28J60的驅(qū)動程序編寫，包括以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)定義、初始化和數(shù)據(jù)收發(fā)；二是Modbus協(xié)議編制，其軟件流程如圖3所示。

3.3.2.1 ENC28J60的驅(qū)動程序編寫

（1）以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

符合IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)幀的長度是介于64～1 516 byte之間，主要由目標(biāo)MAC地址、源MAC地址、類型／長度字段、數(shù)據(jù)有效負(fù)載、可選填充字段和循環(huán)冗余校驗(yàn)組成。另外，在通過以太網(wǎng)介質(zhì)發(fā)送數(shù)據(jù)包時，一個7 byte的前導(dǎo)字段和1 byte的幀起始定界符被附加到以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包的開頭。以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

（2）驅(qū)動程序編寫

1）ENC28J60的寄存器讀寫規(guī)則

由于ENC28J60芯片采用的是SPI串行接口模式，其對內(nèi)部寄存器讀寫的規(guī)則是先發(fā)操作碼＜前3 bit＞+寄存器地址＜后5 bit＞，再發(fā)送欲操作數(shù)據(jù)。通過不同操作碼來判別操作時讀寄存器（緩存區(qū)）還是寫寄存器（緩沖區(qū)）或是其他。

2）ENC28J60芯片初始化程序

ENC28J60發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包前必須進(jìn)行初始化設(shè)置，主要包括定義收發(fā)緩沖區(qū)的大小，設(shè)置MAC地址與IP地址以及子網(wǎng)掩碼，初始化LEDA、LEDB顯示狀態(tài)通以及設(shè)置工作模式，常在復(fù)位后完成，設(shè)置后不需再更改。

3）ENC28J60發(fā)送數(shù)據(jù)包

ENC28J60內(nèi)的MAC在發(fā)送數(shù)據(jù)包時會自動生成前導(dǎo)符合幀起始定界符。此外，也會根據(jù)用戶配置以及數(shù)據(jù)具體情況自動生成數(shù)據(jù)填充和CRC字段。主控器必須把所有其他要發(fā)送的幀數(shù)據(jù)寫入ENC28J60緩沖存儲器中。另外，在待發(fā)送數(shù)據(jù)包前要添加一個包控制字節(jié)。包控制字節(jié)包括包超大幀使能位（PHUGEEN）、包填充使能位（PPADEN）、包CRC使能位（PCRCEN）和包改寫位（POVERRIDE）4個內(nèi)容。

4）ENC28J60接收數(shù)據(jù)包

如果檢測到EIR.PKTIF為1，并且EPKTCNT寄存器不為空，則說明接收到數(shù)據(jù)，進(jìn)行相應(yīng)處理。

3.3.2.2 ModBus協(xié)議流程

本系統(tǒng)ModBus協(xié)議的數(shù)據(jù)通信采用RTU模式［5］，網(wǎng)絡(luò)控制模塊作為主節(jié)點(diǎn)與從節(jié)點(diǎn)（標(biāo)校設(shè)備）通過串口建立連接，主節(jié)點(diǎn)定時向從節(jié)點(diǎn)發(fā)送查詢命令，對應(yīng)從節(jié)點(diǎn)響應(yīng)命令向主節(jié)點(diǎn)發(fā)送設(shè)備狀態(tài)信息。當(dāng)偵測到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)時，從ENC28J60接收數(shù)據(jù)包中解析出命令，將對應(yīng)的功能代碼以及數(shù)據(jù)，按照Modbus數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行組幀，發(fā)送給從節(jié)點(diǎn)；對應(yīng)從節(jié)點(diǎn)響應(yīng)控制命令，進(jìn)行設(shè)備參數(shù)設(shè)置。

4 系統(tǒng)調(diào)試與驗(yàn)證

試驗(yàn)調(diào)試環(huán)境按照圖1進(jìn)行布置，主要包括5個無線網(wǎng)橋、1個主控制點(diǎn)、2個客戶端、1塊網(wǎng)絡(luò)控制模塊板以及標(biāo)校設(shè)備等，主要測試有網(wǎng)絡(luò)通信效果、網(wǎng)絡(luò)控制能力以及簡單的安全防護(hù)測試。測試結(jié)論：網(wǎng)絡(luò)連接可靠，各控制點(diǎn)均能安全地對遠(yuǎn)端設(shè)備進(jìn)行控制，具備一定安全防護(hù)能力，完全滿足遠(yuǎn)程設(shè)備控制要求。

5 結(jié)束語

本文從實(shí)際需要出發(fā)，通過對當(dāng)下流行的無線通信技術(shù)的比較，選用無線網(wǎng)橋?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)控系統(tǒng)組網(wǎng)；通過開發(fā)網(wǎng)絡(luò)控制模塊，以及相應(yīng)的控制軟件編制，研制了一套用于測量船遠(yuǎn)程控制設(shè)備的系統(tǒng)。經(jīng)幾艘測量船的應(yīng)用表明，采用無線網(wǎng)橋進(jìn)行組網(wǎng)完全滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，具有高安全性、高可靠性、高擴(kuò)展性等優(yōu)點(diǎn)，在日趨繁重的保障任務(wù)中發(fā)揮了重要的作用。本系統(tǒng)所采用的無線組網(wǎng)方法，以及硬件電路的設(shè)計(jì)方案，對其他相關(guān)控制領(lǐng)域均有一定的參考價值。

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PAN Gao-feng，WANG Yu.The Flighting Monitoring System Based on the Modbus［J］.Journal of Telemetry，Tracking and Command，2008，29（6）：59-61.（in Chinese）

PAN Gao-feng was born in Jinzhou，Liaoning Province，in 1972.He received the B.S.degree in 1995.He is now a senior engineer.His research concerns intelligent instrument and ATS.

Email：pgfzhy＠163.com

謝勇（1972—），男，江西余江人，2004年獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為高級工程師，主要從事航天測控總體技術(shù)方面的研究；

XIE Yong was born in Yujiang，Jiangxi Province，in 1972.He received the M.S.degree in 2004.He is now a senior engineer.His research concerns aerospace TT＆C technology.

薛軍（1971—），男，內(nèi)蒙古包頭人，2002年獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為高級工程師，主要從事航天測控總體技術(shù)方面的研究；

XUE Jun was born in Baotou，Inner Mongolia Autonomous Region，in 1971.He received the M.S.degree in 2002.He is now a senior engineer.His research concerns aerospace TT＆C technology.

梁盛（1985—），男，江蘇揚(yáng)州人，2011年獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為工程師，主要從事軟件無線電技術(shù)方面的研究。

LIANG Sheng was born in Yangzhou，Jiangsu Province，in 1985.He received the M.S.degree in 2000.He is now an engineer.His research concerns SDR technology.

Design and Implementation of a Remote Control System Based on Wireless Bridge

PAN Gao-feng，XUE Jun，XIE Yong，LIANG Sheng
（China Satellite Maritime Tracking and Control Department，Jiangyin 214431，China）

For some problems as security requirements and high cost to laid the special network，the TT＆C ship can’t control the remote calibration equipment effectively.In this paper，a control system using the wireless bridge is designed，and the network control module and the software are developed.The effective control of the equipment for TT＆C ship is realized.The test results show that the system design is reasonable and the system is featured by convenient control，high reliability，safety and extensibility，so it is suitable for TT＆C ship completely.

TT＆C ship；calibration equipment；remote control；wireless bridge

TN914

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2012.07.026

潘高峰（1972—），男，遼寧錦州人，1995年獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為高級工程師，主要從事智能儀器、自動測試系統(tǒng)方面的研究；

1001-893X（2012）07-1174-04

2012-03-05；

2012-04-16