于德海，李培杰

(長春工業(yè)大學(xué) 計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院, 長春 130012)

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基于互聯(lián)網(wǎng)的通信操作面板控制系統(tǒng)

于德海，李培杰

(長春工業(yè)大學(xué) 計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院, 長春 130012)

摘要：設(shè)計了一套基于Android手機(jī)遠(yuǎn)程控制操作面板的系統(tǒng)；該系統(tǒng)硬件平臺集成了ARM芯片和其他外圍設(shè)備，并移植了Linux系統(tǒng)；在此系統(tǒng)上使用Hamlib對不同型號的通信設(shè)備進(jìn)行控制，并對設(shè)備獲得的音頻數(shù)據(jù)使用RTP協(xié)議實時傳輸?shù)绞謾C(jī)，對設(shè)備的參數(shù)信息使用UDP協(xié)議反饋給手機(jī)；同時手機(jī)通過P2P協(xié)議與ARM平臺通信，并通過UDP協(xié)議發(fā)送控制命令來控制設(shè)備的操作面板。

關(guān)鍵詞：操作面板；Hamlib；實時音頻傳輸；遠(yuǎn)程控制

0前言

隨著無線通信設(shè)備的發(fā)展，傳統(tǒng)的通信設(shè)備也正在向著互聯(lián)網(wǎng)+的時代發(fā)展。由于無線通信設(shè)備相關(guān)的軟件一般成本比較高，并且操作復(fù)雜，一般用戶很難使用，這些都限制了設(shè)備許多強(qiáng)大實用的功能。人們迫切需要一種符合當(dāng)今時代的控制軟件，來支持對無線通信設(shè)備的操作。瑞士的一位無線電愛好者Simon Brown(HB9DRV)開發(fā)了名為Ham Radio Deluxe的軟件，HRD可以根據(jù)自己的需要隨意修改軟件設(shè)置。通過電腦來控制無線通信設(shè)備，使操作得到簡化，但是依然與當(dāng)今移動互聯(lián)網(wǎng)時代結(jié)合的不夠緊密。

這里結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)+的發(fā)展理念，使用移動設(shè)備對無線通信設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，更符合現(xiàn)代人生活方式。同時也體現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)的重要特點(diǎn)之一就是實現(xiàn)物與物之間的信息交換，使物體變得更加智能化。

本系統(tǒng)使用手機(jī)APP通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程連接通信設(shè)備，然后對設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，這兩者之間以服務(wù)器作為中間橋梁，不僅可以實現(xiàn)對設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，也方便了用戶操作。本文以短波電臺為通信設(shè)備，設(shè)計和實現(xiàn)了對短波電臺的遠(yuǎn)程控制，同時本系統(tǒng)也可以使電臺成為一種公共資源，使沒有電臺的愛好者，可以通過網(wǎng)絡(luò)對電臺進(jìn)行訪問，同時也提高了電臺的資源利用率。

1系統(tǒng)硬件平臺

根據(jù)系統(tǒng)的需求，本系統(tǒng)主要由嵌入式核心板、電臺、串口外設(shè)、網(wǎng)卡外設(shè)、音頻接口、Android手機(jī)組成。

本系統(tǒng)的嵌入式微處理器使用三星公司的S3C2416，它基于ARM926EJ內(nèi)核，主頻為400MHz。同時核心板還有NAND Flash、DDR2的SDRAM模塊等。電臺選用Elecraft k3高性能收發(fā)信機(jī)，能夠在6米波段上工作，在0.5-30MHZ之間是連續(xù)可調(diào)的。串口外設(shè)采用RS-232串口標(biāo)準(zhǔn)，采用Linux內(nèi)核中自帶的串口驅(qū)動。網(wǎng)卡采用DM9000，驅(qū)動移植Linux內(nèi)核自帶DM9000網(wǎng)卡驅(qū)動。由于S3C2416支持IIS、AC97、PCM音頻編解碼器接口，而且PCM與IIS可以復(fù)用，這里采用IIS音頻編解碼器接口。Linux內(nèi)核附有兩類音頻設(shè)備驅(qū)動框架OOS(Open Sound System)和ALSA(Advanced Linux Sound Architecture)，本系統(tǒng)采用了ALSA驅(qū)動框架。

嵌入式核心板與電臺通過串口連接進(jìn)行通信，將嵌入式核心板連接到服務(wù)器，通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)。Android手機(jī)作為客戶端，通過服務(wù)器，實現(xiàn)對電臺的遠(yuǎn)程訪問和控制。

2系統(tǒng)軟件平臺

遠(yuǎn)程電臺控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要是ARM客戶端功能的實現(xiàn)和APP功能的實現(xiàn)，以及服務(wù)器端的實現(xiàn)。ARM平臺通過串口與電臺進(jìn)行交互，對于音頻數(shù)據(jù)通過RTP協(xié)議進(jìn)行發(fā)送與接收，Android手機(jī)端通過服務(wù)器的協(xié)助，根據(jù)UDP打洞機(jī)制直接與ARM平臺連接，然后通過RTP協(xié)議進(jìn)行音頻傳輸，同時使用UDP協(xié)議發(fā)送電臺操作命令。服務(wù)器主要是用來協(xié)助客戶端的UDP打洞過程，并維持客戶端的在線狀態(tài)。系統(tǒng)軟件框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)軟件框圖

2.1Linux系統(tǒng)移植

首先在Linux平臺下建立交叉編譯環(huán)境，本系統(tǒng)使用arm-linux-gcc-4.4.3編譯開發(fā)板內(nèi)核，圖形庫QtE，BootLoader，其他一些應(yīng)用程序。對于引導(dǎo)程序BootLoader，這里移植的是U-Boot2010.06，用來初始化硬件，引導(dǎo)Linux系統(tǒng)。然后，針對特定的硬件編寫驅(qū)動文件并對內(nèi)核Linux-3.6進(jìn)行配置和編譯，生成內(nèi)核的鏡像文件，將鏡像文件移植到ARM板上。接著，需要制作Linux文件系統(tǒng)，用專門的工具mkyaffs2image，制作yaffs2格式的文件系統(tǒng)鏡像并進(jìn)行移植。最后，移植圖形庫QTE-4.8.5，有了圖形庫就可以進(jìn)行可視化的圖形界面開發(fā)，為開發(fā)和調(diào)試工作提供了方便。

2.2音頻接收與發(fā)送

當(dāng)系統(tǒng)接收到音頻后需要發(fā)送，而客戶端發(fā)來的音頻需要接收，并且音頻數(shù)據(jù)都是有順序的，TCP協(xié)議可以保證數(shù)據(jù)的接收順序，但相對UDP協(xié)議來說開銷比較大并且傳輸速度不是很快，而系統(tǒng)需要音頻的實時傳輸，因此這里采用一種基于UDP協(xié)議的RTP/RTCP對音頻發(fā)送與接收。

圖2　音頻系統(tǒng)流程圖

由于系統(tǒng)的硬件平臺ARM移植了Linux系統(tǒng)，在Linux系統(tǒng)上進(jìn)行實時流媒體編程，可以使用開源的jrtplib庫，這個庫可以很好的解決流媒體實時傳輸問題。本系使用的是jrtplib3.9.1，需要移植jthread-1.3.1和jrtplib-3.9.1到ARM平臺上。

本系統(tǒng)對音頻收發(fā)主要實現(xiàn)過程為：電臺通過串口把音頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)紸RM平臺上，傳輸?shù)囊纛l是16位數(shù)據(jù)位寬、單通道、8000采樣率的PCM編碼數(shù)據(jù)，對得到的數(shù)據(jù)用采用G711A率編碼，對本系統(tǒng)來說可以使傳輸?shù)臄?shù)據(jù)減少一半，然后用RTP協(xié)議發(fā)送音頻數(shù)據(jù)。對于手機(jī)端接收的音頻數(shù)據(jù)，使用G711A率解碼，得到PCM編碼數(shù)據(jù)，然后播放音頻。經(jīng)過在一個局域網(wǎng)下的測試，音頻實時傳輸延時為300ms～500ms，噪聲也很小。音頻系統(tǒng)流程圖如圖2所示。

2.3Hamlib協(xié)議

由于業(yè)余無線電的軟件和一些產(chǎn)品各有各的開發(fā)方式，而Hamlib是一個開源，用于業(yè)余無線設(shè)備的控制協(xié)議庫，它主要是控制電臺數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送，通過這個協(xié)議庫可以對不同型號或者品牌的電臺進(jìn)行控制。許多業(yè)余無線電收發(fā)器允許軟件通過串口來控制電臺，而Hamlib庫就大大簡化了應(yīng)用程序與無線電設(shè)備和其他控制設(shè)備的交互方式。

Hamlib庫是由C語言實現(xiàn)，它的主要作用是作為開發(fā)程序的子程序庫，但是它也是一個獨(dú)立的服務(wù)庫。它支持遠(yuǎn)過程調(diào)用，但本系統(tǒng)只是在本地使用Hamlib。rigctl從命令行模式接受命令，如果沒有在命令行上提供，也可以在交互模式下接受命令。使用Hamlib控制電臺，一般用“set”或“get”函數(shù)結(jié)合命令進(jìn)行控制，例如：

Q|q，exit_rigctl退出rigctl交互模式；

F，set_freq‘Frequency’設(shè)置頻率；

M，set_mode‘Mode’設(shè)置模式；

V，get_vfo獲取當(dāng)前的VFO

本系統(tǒng)需要將Hamlib-1.2.15庫移植到ARM上，通過“set”函數(shù)去設(shè)置電臺的參數(shù)或者對電臺進(jìn)行控制，通過“get”函數(shù)去獲取電臺的狀態(tài)或者數(shù)據(jù)。ARM平臺通過串口連接電臺，串口波特率為9600，數(shù)據(jù)位為8位，1位停止位，無奇偶校驗位，無流控制，這可以通過Hamlib庫中的函數(shù)進(jìn)行設(shè)置，但一般不同廠商的電臺控制參數(shù)不一樣，對于不同的廠商的電臺要調(diào)用庫中對應(yīng)的函數(shù)，本系統(tǒng)ARM平臺上的應(yīng)用程序支持多種廠商的電臺控制。

2.4服務(wù)器

本系統(tǒng)的客戶端訪問電臺需要服務(wù)器的協(xié)助。本系統(tǒng)的服務(wù)器在Linux環(huán)境下搭建，為了減輕服務(wù)器的負(fù)載，客戶端之間的訪問采用P2P協(xié)議進(jìn)行通信，但由于路由器NAT機(jī)制的存在，使得P2P協(xié)議的使用有限制。為了做到對等連接，這里采用UDP打洞機(jī)制。

本系統(tǒng)的服務(wù)器處于公網(wǎng)上，而手機(jī)客戶端使用WIFI，ARM平臺使用局域網(wǎng)，在這種情況下(也就是兩個客戶端都處于NAT后面)，UDP打洞機(jī)制流程如下：

(1)服務(wù)器啟動兩個網(wǎng)絡(luò)偵聽，一個主連接偵聽，一個打洞連接偵聽。

(2)手機(jī)客戶端和ARM平臺客戶端分別與服務(wù)器的主連接發(fā)送連接請求，連接時需要說明自己的名字，這里以IP地址作為每個客戶端的名字。

(3)當(dāng)手機(jī)客戶端需要與ARM平臺客戶端連接時，首先向服務(wù)器的打洞端口發(fā)送UDP連接申請，并說明連接的對象。同時在該端口號上啟動接收偵聽。服務(wù)器的打洞連接收到手機(jī)客戶端的申請后通過主連接通知ARM平臺客戶端，并將手機(jī)客戶端經(jīng)過NAT轉(zhuǎn)換后的公網(wǎng)IP地址和端口等信息告訴ARM平臺客戶端。

(4)ARM平臺客戶端收到服務(wù)器的請求連接通知后首先與服務(wù)器的打洞端口發(fā)送UDP請求，即隨便發(fā)送一些數(shù)據(jù)，服務(wù)器得到ARM平臺客戶端經(jīng)過NAT轉(zhuǎn)換后的公網(wǎng)IP和端口號。

(5)服務(wù)器的打洞連接收到ARM平臺客戶端發(fā)送UDP請求后，通過主連接將ARM平臺客戶端經(jīng)過NAT轉(zhuǎn)換后的公網(wǎng)IP和端口號告訴手機(jī)客戶端。

(6)手機(jī)客戶端嘗試與ARM平臺客戶端經(jīng)過NAT轉(zhuǎn)換后的公網(wǎng)IP地址和端口建立會話，NAT會記住本次連接的IP和端口號，為接下來真正的連接做好了準(zhǔn)備，這就是所謂的打洞，即手機(jī)客戶端向ARM平臺客戶端打了一個洞。

(7)ARM平臺客戶端嘗試與手機(jī)客戶端經(jīng)過NAT轉(zhuǎn)換后的公網(wǎng)IP地址和端口建立會話，NAT會記住此次連接的源地址和端口號，此時ARM平臺客戶端向手機(jī)客戶端打了一個洞。下次手機(jī)客戶端就能直接連接到ARM平臺客戶端剛才使用的端口號了。

(8)ARM平臺客戶端打洞的同時在相同的端口上啟動接收偵聽。ARM平臺客戶端在一切準(zhǔn)備就緒以后通過與服務(wù)器的主連接回復(fù)消息“一切OK”，服務(wù)器在收到以后告知手機(jī)客戶端。

(9)手機(jī)客戶端收到服務(wù)器回復(fù)以后，開始連接到ARM平臺客戶端公網(wǎng)IP和端口號，此時客戶端之間就可以相互通信而不需要借助服務(wù)器了。

服務(wù)器對于UDP打洞啟動了兩個監(jiān)聽，其中主連接監(jiān)聽采用TCP協(xié)議，打洞監(jiān)聽采用UDP協(xié)議。服務(wù)器主要就是協(xié)助UDP打洞，和通過主連接與客戶端收發(fā)少量數(shù)據(jù)。

2.5客戶端

客戶端分為Android手機(jī)和ARM平臺。Android APP可以通過網(wǎng)絡(luò)對電臺進(jìn)行控制。具體功能有：登錄、頻率顯示、瀑布圖顯示、增益設(shè)置、模式選擇、調(diào)頻方式選擇、動態(tài)顯示信號強(qiáng)度、頻段選擇、對音頻發(fā)送接收等。

APP軟件首先進(jìn)入登錄界面，登錄主要是連接服務(wù)器的主連接端口，并且發(fā)送要連接的ARM平臺的電臺名字，連上服務(wù)器后，服務(wù)器會回發(fā)要連接的電臺的狀態(tài)，如果此電臺也連接上了服務(wù)器，就可以選擇建立操作命令會話和建立音頻會話。根據(jù)UDP打洞機(jī)制，使APP軟件與此電臺建立會話，當(dāng)兩個會話都建立成功，會進(jìn)入操作界面：顯示界面、模式設(shè)置、增益設(shè)置、調(diào)頻方式設(shè)置、頻段設(shè)置、音頻接收、音頻發(fā)送，并且APP軟件監(jiān)聽這兩個端口，操作命令的端口會每經(jīng)過一段時間會接收到電臺發(fā)送的當(dāng)前頻率和當(dāng)前信號強(qiáng)度，音頻端口會接收電臺發(fā)送的實時音頻數(shù)據(jù)，并解碼播放。顯示界面模塊會發(fā)送請求當(dāng)前頻率、當(dāng)前模式、當(dāng)前增益、當(dāng)前信號強(qiáng)度和當(dāng)前調(diào)頻方式，并顯示這些數(shù)據(jù)和繪制信號強(qiáng)度實時波形圖；模式設(shè)置，可選的模式分別有：USB，LSB，CW，CWR，RTTY，RTTYR，AM，F(xiàn)M，WFM等，用于發(fā)送設(shè)置的模式；增益設(shè)置、調(diào)頻方式設(shè)置和頻段選擇，也用于發(fā)送設(shè)置的數(shù)據(jù)；音頻接收主要通過網(wǎng)絡(luò)實時接收音頻數(shù)據(jù)；音頻發(fā)送主要是錄音，然后使用RTP協(xié)議發(fā)送。

對于通過WIFI進(jìn)行遠(yuǎn)程操作電臺，Android上實現(xiàn)音頻發(fā)送與接收的具體過程為：首先在Android下編譯jthread-1.3.1和jrtplib-3.9.1，得到它們的靜態(tài)庫和動態(tài)庫，加入到Android工程中，采用原生態(tài)編程(需要NDK環(huán)境)，使用JNI技術(shù)。在Java語言中調(diào)用用C語言寫的音頻數(shù)據(jù)流接收函數(shù)，得到的音頻流解碼后，傳給AudioTrack對象實時播放。發(fā)送音頻過程相反。

對于ARM平臺，在Linux系統(tǒng)下的QtE圖形庫基礎(chǔ)上，使用Qt實現(xiàn)主要功能，主要分為：登錄、電臺型號的選擇、音頻數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送、操作命令的接收、電臺當(dāng)前數(shù)據(jù)的發(fā)送、對串口的操作。ARM平臺客戶端是對APP發(fā)來的命令操作電臺，同時給APP提供電臺的數(shù)據(jù)參數(shù)。登錄是使ARM平臺連接到服務(wù)器的主連接端口，并提供電臺的名稱；電臺的型號選擇主要是針對不同型號的電臺選擇Hamlib庫中對應(yīng)的協(xié)議進(jìn)行通信；音頻數(shù)據(jù)的傳輸，實現(xiàn)的過程與APP一樣；接收過程相反；操作命令的接收，通過網(wǎng)絡(luò)接收數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，調(diào)用Hamlib庫中與當(dāng)前電臺型號對應(yīng)的函數(shù)，并設(shè)置函數(shù)的參數(shù)，然后通過串口傳給電臺，控制電臺；電臺當(dāng)前數(shù)據(jù)的發(fā)送，調(diào)用Hamlib庫中的函數(shù)，得到電臺的相關(guān)數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)給Android手機(jī)客戶端；ARM客戶端需要一個串口，用于連接電臺。

圖3　Android手機(jī)端效果圖

3系統(tǒng)測試

上文對系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)的說明，接下來是是對系統(tǒng)的測試。這里主要是對客戶端的測試，分別是ARM平臺和Android手機(jī)。測試環(huán)境是，服務(wù)器放在公網(wǎng)上，有唯一的IP，ARM平臺和Android手機(jī)在局域網(wǎng)下。測試主要是使用Android手機(jī)通過服務(wù)器連接電臺并控制電臺，然后得到電臺的數(shù)據(jù)并在手機(jī)上顯示。Android手機(jī)端的效果如圖3所示。結(jié)果表明，本系統(tǒng)是可行的，并具有一定的實用性。

4結(jié)語

這里提供了一種遠(yuǎn)程控制通信操作面板的解決方案，通過手機(jī)客戶端來控制和訪問通信操作面板，中間由服務(wù)器作為連接橋梁，并且通過UDP打洞技術(shù)解決了服務(wù)器負(fù)載過高的問題。通過串口連接通信操作面板與ARM平臺，應(yīng)用Hamlib協(xié)議庫控制通信操作面板。相對于用Ham Radio Deluxe，應(yīng)用手機(jī)APP來對設(shè)備進(jìn)行控制，符合現(xiàn)代社會的需求，也方便了操作。并且通過網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，也可以把價格昂貴的設(shè)備作為一種公共資源，不但為使用者節(jié)省了開支，而且提高了資源利用率。

由于本系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)是以短波電臺為通信設(shè)備，在音頻實時傳輸時，有300～500ms的延遲，所以下一步的工作是盡量減少延遲，增強(qiáng)用戶體驗。

參考文獻(xiàn)：

[1]錢志鴻,王義君.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用研究[J]. 電子學(xué)報, 2012,40(5):1023-1029.

[2]史濤,裴海龍.基于Linux的嵌入式實時視頻跟蹤系統(tǒng)[J]. 計算機(jī)測量與控制,2014,22(5):1523-1526.

[3]鮑軒,章堅武.基于Android的音視頻監(jiān)控軟件的設(shè)計[J]. 杭州電子科技大學(xué)學(xué)報,2012,32(4):61-64.

[4]王辰,周杰,季櫸.基于Android平臺的實時視頻技術(shù)的實現(xiàn)[J]. 計算機(jī)應(yīng)用與軟件,2014,31(6):120-122.

[5]呂少軍,周淵平.基于Live555的實時流媒體傳輸系統(tǒng)[J]. 計算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用,2015,24(1):56 -59.

[6]徐向陽,韋昌法.基于NAT穿越技術(shù)的P2P通信方案的研究與實現(xiàn)[J]. 計算機(jī)工程與設(shè)計,2007,28(7):1559-1561+1603.

[7]周敏,余慕春,黃維豐.綜合UDP打洞與Http代理的SIP穿越NAT方案[J]. 計算機(jī)技術(shù)與發(fā)展,2014,24(8):147-151.

[8]劉家琪.HAM RADIO DELUXE軟件入門篇[J]. 現(xiàn)代通信,2009(01):38-41.

[9]Martin Ewing.SourceForge ,Hamlib,and Rigserve: Free Beer, Free Speech,and Rig Control [C]．Hartford:CT(US),2007.

[10]查鑫.基于Android的移動智能終端遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D]．北京:北京郵電大學(xué),2013.

責(zé)任編輯：程艷艷

Communication Operation Panel Control System Base on Internet

YU Dehai, LI Peijie

(School of Computer Science and Engineering, Changchun University of Technology, Changchun 130012, China)

Abstract：A system based on remote control operation panel of Android phone is designed. The system hardware platform integrates ARM chip and other peripheral equipment, and it transplants Linux system. Hamlib is used to control the communication equipment of different types, audio data obtained from the equipment is sent timely to the phone through RTP protocol, the parameters of the equipment is sent back to the phone through UDP protocol. Based on P2P protocol and ARM platform communication, the mobile phone sends the order to control the operation panel through UDP protocol.

Keywords：operate panel; Hamlib; real-time audio transmission; remote control

收稿日期：2016-03-09

基金項目：吉林省教育廳“十二五”科學(xué)技術(shù)研究項目(2012274)

作者簡介：于德海(1960-)，男，吉林長春人，副教授，主要從事嵌入式系統(tǒng)方面研究；李培杰(1991-)，男，湖北宜昌人，碩士研究生，主要從事嵌入式系統(tǒng)方面研究。

中圖分類號：TP311

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1009-3907(2016)06-0039-05