陳媛 李新 周安萌 張艷娜 鄭小兵

關(guān)鍵詞： GPRS; 野外高光譜對(duì)地輻射儀; 遠(yuǎn)程通信; 上位機(jī)軟件; NAND FLASH; 通信丟包率

中圖分類(lèi)號(hào)： TN92?34; TH741 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2019）05?0010?05

Design of GPRS?based communication system for field hyperspectral earth radiometer

CHEN Yuan1， 2， LI Xin1， ZHOU Anmeng1， 2， ZHANG Yanna2， ZHENG Xiaobing1

（1. Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics， Hefei Institutes of Physical Science， Chinese Academy of Sciences， Hefei 230031， China;

2. University of Science and Technology of China， Hefei 230031， China）

Abstract： A remote data communication system based on general packet radio service （GPRS） is designed to solve the problems of the long sequence data transmission， and real?time measurement and control of the field hyperspectral earth radiometer working at remote areas. The remote data transmission of the system is realized by means of main control circuit board and GPRS DTU （data transfer unit） terminal， and the upper computer software of remote center is used to receive and process the data. The data backup and retransmission functions based on NAND FLASH chip are designed to solve the conditions of poor field signal and GPRS communication packet loss. The communication system has been successfully applied to the field hyperspectral earth radiometer， and its repeatability and stability were tested in Hefei， whose communication packet loss rate is less than 2.7%. The site test was carried out for the field hyperspectral earth radiometer at Dunhuang radiometric calibration field. The remote communication system worked normally during the test， and the feasibility of the system design was verified.

Keywords： GPRS; field hyperspectral earth radiometer; remote communication; upper computer software; NAND FLASH; communication packet loss rate

0 ?引 ?言

隨著定量化遙感的快速發(fā)展，低頻度的人工跑場(chǎng)定標(biāo)已經(jīng)無(wú)法滿足高頻次定標(biāo)的需求。近年來(lái)，國(guó)際上提出了自動(dòng)化定標(biāo)的思路，通過(guò)在定標(biāo)場(chǎng)布設(shè)自動(dòng)化無(wú)人值守的觀測(cè)設(shè)備，實(shí)時(shí)獲取場(chǎng)地參數(shù)，減少對(duì)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地環(huán)境破壞并去除人為測(cè)量誤差，提高對(duì)遙感載荷高時(shí)效、高頻次的定標(biāo)能力，進(jìn)行在軌載荷衰變的及時(shí)校正。

2014年，國(guó)際對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星委員會(huì)（CEOS）定標(biāo)與真實(shí)性檢驗(yàn)工作組（WGCV）發(fā)起建立全球自主定標(biāo)場(chǎng)網(wǎng)（RADCALNET），其核心是自動(dòng)化（即場(chǎng)地?cái)?shù)據(jù)觀測(cè)、數(shù)據(jù)處理的自動(dòng)化）、無(wú)人值守（設(shè)備可長(zhǎng)期置于野外觀測(cè)）、可追溯（觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量可追溯至計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)）。 目前包括中國(guó)內(nèi)蒙古中科院光電院包頭場(chǎng)、美國(guó)Railroad Valley場(chǎng)、法國(guó)La Crau場(chǎng)以及非洲Gobabeb場(chǎng)四個(gè)示范場(chǎng)[1]。

中科院安徽光機(jī)所、國(guó)家衛(wèi)星氣象中心、中國(guó)資源衛(wèi)星應(yīng)用中心等單位開(kāi)展了自動(dòng)化定標(biāo)技術(shù)研究，中科院安徽光機(jī)所自2013年開(kāi)始在敦煌輻射校正場(chǎng)布設(shè)自主研發(fā)的自動(dòng)化觀測(cè)設(shè)備，包括場(chǎng)地輻射計(jì)、高精度太陽(yáng)輻射計(jì)、光譜輻照度儀等，實(shí)現(xiàn)了地表反射率以及大氣參數(shù)的長(zhǎng)期自動(dòng)觀測(cè)。中科院安光所聯(lián)合國(guó)家衛(wèi)星氣象中心，利用敦煌輻射校正場(chǎng)長(zhǎng)期觀測(cè)數(shù)據(jù)開(kāi)展了國(guó)內(nèi)外衛(wèi)星的在軌自動(dòng)化定標(biāo)[2]。

為了實(shí)現(xiàn)在可見(jiàn)至短波紅外波段地表反射率測(cè)量，中科院安徽光機(jī)所研制了野外高光譜對(duì)地輻射儀，自動(dòng)測(cè)量定標(biāo)場(chǎng)太陽(yáng)反射波段高光譜反射率。定標(biāo)場(chǎng)自動(dòng)化儀器需要遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)傳輸觀測(cè)數(shù)據(jù)。目前，敦煌輻射校正場(chǎng)通道式輻射計(jì)采用北斗衛(wèi)星短報(bào)文功能實(shí)現(xiàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸[3]，但其傳輸頻度為74 b/min，小數(shù)據(jù)量、低頻度不能滿足連續(xù)光譜儀器長(zhǎng)序列數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸需求?，F(xiàn)在，比較成熟的無(wú)線通信技術(shù)有藍(lán)牙、WiFi等。文獻(xiàn)[4]利用藍(lán)牙技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程電力線通信;文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)了基于Si4438射頻通信系統(tǒng)，將其應(yīng)用在無(wú)線抄表系統(tǒng);文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)基于WiFi技術(shù)的礦下跟蹤通信系統(tǒng)。藍(lán)牙和WiFi傳輸?shù)木嚯x在100 m左右，不能滿足長(zhǎng)距離傳輸需求。

射頻最高傳輸距離可達(dá)1 000 m，但其傳輸速率為19.2 Kb/s，傳輸速率慢，傳輸距離也受限制。根據(jù)野外超光譜輻照度儀通信數(shù)據(jù)量大、無(wú)線通信距離遠(yuǎn)、實(shí)時(shí)傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，選取GPRS作為遠(yuǎn)程通信的方式，它能彌補(bǔ)北斗通信數(shù)據(jù)量小的缺點(diǎn)，傳輸速率為114 Kb/s。本文詳細(xì)論述了基于GPRS 進(jìn)行野外高光譜對(duì)地輻射儀的通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 ?儀器總體設(shè)計(jì)

野外高光譜對(duì)地輻射儀總體設(shè)計(jì)可分為兩層結(jié)構(gòu)：第一層為采集地表光譜數(shù)據(jù)的下位機(jī);第二層為遠(yuǎn)程控制中心的上位機(jī)。

整個(gè)系統(tǒng)按功能細(xì)分為四塊：探測(cè)器模塊、自校準(zhǔn)模塊、環(huán)境與電源管理模塊以及遠(yuǎn)程通信模塊。探測(cè)器模塊負(fù)責(zé)采集可見(jiàn)到短紅外波段的光譜電壓值;自校準(zhǔn)模塊負(fù)責(zé)自動(dòng)切換工作模式以實(shí)現(xiàn)白板與地表輻亮度的測(cè)量;環(huán)境與電源管理模塊負(fù)責(zé)提供各個(gè)模塊所需電壓值以及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工作環(huán)境狀況;遠(yuǎn)程通信模塊負(fù)責(zé)遠(yuǎn)程中心與下位機(jī)中指令發(fā)送以及傳輸采集到的電壓信號(hào)值。

2 ?遠(yuǎn)程通信模塊

根據(jù)野外高光譜對(duì)地輻射儀傳輸長(zhǎng)序列數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，本系統(tǒng)選用GPRS遠(yuǎn)程傳輸。

2.1 ?GPRS遠(yuǎn)程通信工作原理

野外高光譜對(duì)地輻射儀的通信系統(tǒng)是基于GPRS通信原理設(shè)計(jì)，如圖1所示。GPRS遠(yuǎn)程通信由負(fù)責(zé)測(cè)量數(shù)據(jù)并將其傳輸?shù)南挛粰C(jī)，具有數(shù)據(jù)接收和處理、顯示、保存的自動(dòng)化定標(biāo)軟件，與傳輸數(shù)據(jù)的GPRS DTU模塊組成。

該系統(tǒng)的GPRS通信原理是GPRS DTU通過(guò)接口從主控板中獲取數(shù)據(jù)，處理后，GPRS分組數(shù)據(jù)發(fā)送到GSM基站。分組后的數(shù)據(jù)經(jīng)SGSN封裝后，通過(guò)GPRS網(wǎng)與網(wǎng)關(guān)支持接點(diǎn)GGSN進(jìn)行通信。GGSN對(duì)分組數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理，再發(fā)送到目的網(wǎng)絡(luò)。連接到該網(wǎng)絡(luò)的客戶(hù)上位機(jī)即可獲得數(shù)據(jù)。另外，針對(duì)偏遠(yuǎn)野外移動(dòng)通信不佳造成誤碼和數(shù)據(jù)丟失的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了歷史數(shù)據(jù)備份和重傳功能，利用FLASH進(jìn)行數(shù)據(jù)的備份存儲(chǔ)，通過(guò)遠(yuǎn)程自動(dòng)化定標(biāo)軟件即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)重傳。

2.2 ?遠(yuǎn)程通信硬件電路設(shè)計(jì)

通信系統(tǒng)的硬件部分主要包括GPRS通信模塊、NAND FLASH存儲(chǔ)模塊。GPRS通信模塊將對(duì)地輻射儀的測(cè)量數(shù)據(jù)按照GPRS通信協(xié)議進(jìn)行傳輸，F(xiàn)LASH存儲(chǔ)模塊完成數(shù)據(jù)的備份和重傳。

2.2.1 ?GPRS模塊硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選用WG?8020 GPRS DTU模塊，該模塊不僅可以實(shí)現(xiàn)GPRS無(wú)線遠(yuǎn)程通信，還具有GPS定位以及GSM短信功能。在信號(hào)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，可以實(shí)時(shí)對(duì)野外輻射儀進(jìn)行定位跟蹤，其具有定位效率高、數(shù)據(jù)傳輸快、實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)。該模塊工作在1 800 MHz頻帶，電源供電5 V，支持TCP/IP協(xié)議和COMWAY協(xié)議，兼容桑榮達(dá)協(xié)議和榮電協(xié)議[7]。野外超光譜對(duì)地輻射儀與GPRS DTU模塊之間的通信采用RS 232標(biāo)準(zhǔn)串口，因此，只需要在外圍電路上加電平轉(zhuǎn)換芯片[8]MAX3232，將GPRS DTU的RXD和TXD引腳通過(guò)連接MAX3232的相應(yīng)引腳，MAX3232再與野外高光譜對(duì)地輻射儀的單片機(jī)相應(yīng)控制引腳P0.0與P0.1相連接，即通過(guò)單片機(jī)串口通信收發(fā)指令以及發(fā)送光譜數(shù)據(jù)。

2.2.2 ?存儲(chǔ)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

針對(duì)偏遠(yuǎn)地區(qū)GPRS通信丟包和誤碼，為了提高野外的適應(yīng)性以及可靠性，設(shè)計(jì)了備份回傳的功能。根據(jù)野外高光譜對(duì)地輻射儀需要存儲(chǔ)長(zhǎng)序列光譜數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，采用三星的NAND FLASH K9F8G08U0M進(jìn)行數(shù)據(jù)備份存儲(chǔ)。K9F8G08U0M的存儲(chǔ)空間為1 GB×8 bit，該芯片由4 096塊組成，一塊由64頁(yè)組成，一頁(yè)有[9]4 Kb數(shù)據(jù)，保存的時(shí)間最高可達(dá)10年，擦寫(xiě)次數(shù)多達(dá)10萬(wàn)次，頁(yè)編程的時(shí)間一般為200 μs，快擦除的時(shí)間為1.5 ms。該芯片工作電壓為3.3 V，存儲(chǔ)芯片與單片機(jī)之間無(wú)需電平轉(zhuǎn)換，由于K9F8G08U0MDE命令/地址/數(shù)據(jù)復(fù)用I/O口，因此，用單片機(jī)的P7.0～P7.7的7個(gè)I/O口直接與K9F8G08U0M的7個(gè)I/O口相連，單片機(jī)的P2.2控制其片選。

2.3 ?系統(tǒng)遠(yuǎn)程通信軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括GPRS模塊軟件設(shè)計(jì)、基于FLASH的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)回傳功能程序設(shè)計(jì)以及遠(yuǎn)程中心自動(dòng)化定標(biāo)軟件設(shè)計(jì)。

2.3.1 ?GPRS模塊軟件設(shè)計(jì)

GPRS模塊軟件設(shè)計(jì)分為兩塊：GPRS DTU通信配置和GPRS串口通信程序設(shè)計(jì)。

GPRS DTU通信配置按以下四個(gè)步驟進(jìn)行：

1） 選擇合適通信協(xié)議。該系統(tǒng)使用透?jìng)鲄f(xié)議，即標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP協(xié)議。

2） 設(shè)置端口號(hào)以及服務(wù)器地址端。端口號(hào)選擇設(shè)置9888，該系統(tǒng)選擇固定IP。

3） 選擇DTU工作模式。該系統(tǒng)選擇自動(dòng)連接，即DTU發(fā)生掉線后會(huì)重新連接。

4） 設(shè)置DTU串口通信參數(shù)。這四個(gè)參數(shù)是波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和校驗(yàn)位，為正常通信，這些參數(shù)要與下位機(jī)一致。

對(duì)地輻射儀的單片機(jī)與GPRS串口通信程序設(shè)計(jì)流程圖如圖2所示。

2.3.2 ?存儲(chǔ)系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

存儲(chǔ)系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)分為三步：NAND FLASH的基本操作設(shè)計(jì);存儲(chǔ)程序設(shè)計(jì);數(shù)據(jù)重傳程序設(shè)計(jì)。

K9F8G08U0M的特點(diǎn)是在沒(méi)有寫(xiě)入任何東西前，存儲(chǔ)陣列表現(xiàn)為0xFF，進(jìn)行寫(xiě)的操作實(shí)際上就是將某些位從1置為0的過(guò)程，因此要求先擦除后寫(xiě)入[10]。其基本操作包括頁(yè)編程、塊擦除、頁(yè)讀取以及狀態(tài)判斷等。基于這些基本操作，設(shè)計(jì)出輻照度儀的存儲(chǔ)程序以及數(shù)據(jù)重傳程序。數(shù)據(jù)重傳程序主要依據(jù)重傳的時(shí)間，通過(guò)GPRS通信傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，其流程圖如圖3a）所示，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的程序流程如圖3b）所示。

2.3.3 ?遠(yuǎn)程中心上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

野外高光譜對(duì)地輻射儀的遠(yuǎn)程中心設(shè)計(jì)為一個(gè)MFC上位機(jī)通信軟件。該軟件的主要功能分為三個(gè)部分：

1） 基于TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)GPRS的無(wú)線遠(yuǎn)程傳輸通信;

2） 遠(yuǎn)程PC機(jī)對(duì)野外高光譜對(duì)地輻射儀遠(yuǎn)程基本功能控制，比如數(shù)據(jù)采集，功能模式設(shè)置;

3） 實(shí)現(xiàn)對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、顯示以及存儲(chǔ)。

野外高光譜對(duì)地輻射儀和遠(yuǎn)程中心的無(wú)線通信是上位機(jī)的核心部分，該程序是基于TCP/IP的Socket編程。具體過(guò)程是：服務(wù)器先調(diào)用Socket（），Bind（），Listen（）函數(shù)完成初始化，再調(diào)用Accept（）函數(shù)阻塞等待，處于監(jiān)聽(tīng)端口狀態(tài)?？蛻?hù)端先調(diào)用Socket（）函數(shù)完成初始化，再調(diào)用Connect（），同時(shí)阻塞等待服務(wù)器應(yīng)答，當(dāng)客戶(hù)端接收到服務(wù)器應(yīng)答的SYN?ACK段后，應(yīng)答一個(gè)ACK段，服務(wù)器再?gòu)腁ccept（）返回，隨即調(diào)用Read（），讀取Socket（）。當(dāng)客戶(hù)端有請(qǐng)求時(shí)，調(diào)用Write（）發(fā)送給服務(wù)器，服務(wù)器再?gòu)腞ead（）中返回。當(dāng)沒(méi)有更多的請(qǐng)求，客戶(hù)端和服務(wù)器都調(diào)用Close（）關(guān)閉連接。

遠(yuǎn)程中心的上位機(jī)與對(duì)地輻射儀的通信主要是通過(guò)命令發(fā)送，命令的第一個(gè)字節(jié)為客戶(hù)端號(hào)，后面兩個(gè)為標(biāo)志位，用于判別各條指令的用途，后面為數(shù)據(jù)位。整個(gè)上位機(jī)軟件通信的流程如圖4所示。

3 ?實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2017年5—6月，將野外高光譜對(duì)地輻射儀放置在中科院安徽光機(jī)所進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證本系統(tǒng)的重復(fù)性以及丟包率。從本輪實(shí)驗(yàn)中，選取10天GPRS傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，丟包率如表1所示。

這10天實(shí)驗(yàn)的丟包率不超過(guò)2.7%。根據(jù)傳輸錯(cuò)誤文件的時(shí)間，重傳相應(yīng)的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)該數(shù)據(jù)重傳功能是可行的。圖5為實(shí)驗(yàn)重傳以及數(shù)據(jù)采集成功界面。

2017年9月，野外高光譜對(duì)地輻射儀在敦煌場(chǎng)地進(jìn)行自動(dòng)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)。圖6為9月27日下午4：00采集的敦煌地表反射率曲線圖。實(shí)驗(yàn)期間，野外高光譜對(duì)地輻射儀自動(dòng)觀測(cè)功能及遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸功能正常，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性。

4 ?結(jié) ?語(yǔ)

本文闡述了野外高光譜對(duì)地輻射儀通信系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)以及基于GPRS傳輸軟件上位機(jī)設(shè)計(jì)。在合肥地區(qū)的系統(tǒng)重復(fù)性實(shí)驗(yàn)中，通信丟包率保持在2.7%之內(nèi)，同時(shí)驗(yàn)證了數(shù)據(jù)重傳功能的可行性。在敦煌場(chǎng)地進(jìn)行地表反射率的實(shí)驗(yàn)表明，該儀器能夠?qū)崿F(xiàn)野外基于GPRS無(wú)線傳輸功能，且GPRS通信系統(tǒng)功能穩(wěn)定。本系統(tǒng)為自動(dòng)化定標(biāo)設(shè)備的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)傳輸提供了一種新的技術(shù)途徑。

注：本文通訊作者為李新。

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