CN101908940A - 一种海上远程实时数据传输系统与数据传输方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种海上远程实时数据传输系统与数据传输方法。包含终端控制平台、基站和水声浮标；终端控制平台由计算机和操作软件组成，通过USB数据总线与下层节点建立连接；基站包含一个GPS信息接收装置、一个无线电扩频通信平台和一个USB数据通信接口，分别通过USB数据总线和无线电通信方式与上下两层节点建立连接，其下层节点是中继站或水声浮标；水声浮标包含一个GPS信息接收装置、一个无线电扩频通信平台和一个声学处理与数据存储平台，以无线电通信方式与上层节点建立连接。本发明主要解决了海上远程实时通信的困难问题，它采用扩频通信与时分多址相结合的通信技术来进行数据传输，具有抗噪声能力强、抗干扰能力强、通信容量大等特点。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种数据传输系统和数据传输方法，更确切地说涉及的是一种用于海上远程实时通信的数据传输系统以及应用于该系统的数据传方法。
背景技术
微电子技术、计算机及其软件技术的飞速发展为现代通信技术奠定了坚实的基础。依托着这些基础技术，现代通信技术在数字化、宽带化、高速化、综合化等方面取得了长足的进步。
与本发明相关文献主要有：
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[4]张建中.一种实时数据传输的方法和装置以及系统.专利公开号：CN101282356A.2008.10.8
相关文献[1]和[2]中涉及的数据传输系统都是通过因特网实现远程通信，其数据传输装置相当于一个因特网协议转换器；相关文献[3]所提供的数据传输系统虽然也是以无线电通信方式实现远程数据传输，但它仅仅用来进行点对点数据传输；相关文献[4]提供的实时数据传输方法和装置以及系统通过将数据传入计算机，然后借用因特网来实现数据远程传输。
综上，既能够实现远程实时数据传输，又具备自定位功能的多节点交互式数据传输系统尚未见报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种抗噪声能力强、抗干扰能力强、通信容量大的海上远程实时数据传输系统。本发明的目的还在于提供一种海上远程实时数据传输方法。
本发明的目的是这样实现的：
本发明创建的海上远程实时数据传输系统包含终端控制平台、基站、中继站和水声浮标；
终端控制平台由计算机和操作软件组成，通过USB数据总线与下层节点建立连接；
基站包含一个GPS信息接收装置、一个无线电扩频通信平台和一个USB数据通信接口，分别通过USB数据总线和无线电通信方式与上下两层节点建立连接，其下层节点是中继站或水声浮标；
中继站包含一个GPS信息接收装置和一个无线电扩频通信平台，以无线电通信方式与上下两层节点建立连接，中继站的作用是在远程通信的情况下实现基站与水声浮标之间的通信连接，它是一个完全透明的通信节点，同时也是一个可以被自由取舍的通信节点，在构建通信链路时是否需要加入中继站取决于基站与水声浮标之间的距离，只有当二者距离足够远，以至于无法正常通信时，才采用中继站进行通信连接；
水声浮标包含一个GPS信息接收装置、一个无线电扩频通信平台和一个声学处理与数据存储平台，以无线电通信方式与上层节点建立连接。
本发明创建的海上远程实时数据传输方法主要实现终端控制平台与水声浮标之间的实时交互，其具体实现过程可概括如下：
终端控制平台将控制命令依据数据传输协议封装成数据包，然后通过USB数据总线下传给基站；
基站采用时分多址(TDMA)与时间片轮转机制相结合的同步信息传输方法将接收自终端控制平台的数据发送到无线网络中；
水声浮标从无线网络中接收基站下传的命令数据，执行该命令，并将执行结果反馈到无线网络中；
基站从无线网络中接收水声浮标反馈的数据，然后将数据通过USB数据总线上传终端控制平台。
本发明创建的海上远程实时数据传输系统由终端控制平台、基站、中继站和水声浮标组成。终端控制平台与基站之间通过USB数据总线建立连接，基站与水声浮标以无线电通信方式组成一个单点与多点交互的信息网，采用时分多址(TDMA)与时间片轮转机制相结合的同步信息传输方法进行信息交互，具有抗噪声能力强、抗干扰能力强、通信容量大等特点。
本发明创建的海上远程实时数据传输系统是一个多节点交互式系统，它包含下行和上行两条通信链路，下行链路将终端控制平台产生的控制命令传给下层各个节点；上行链路则将所有浮标的测量数据以及对下行命令的回复信息实时反馈给终端控制平台。本发明创建的数据传输方法对所有通信节点和通信链路进行统一管理，为系统高效、可靠地传输数据奠定了基础。
附图说明
图1是本发明的海上远程实时数据传输系统的结构示意图；
图2是本发明的海上远程实时数据传输系统的拓扑结构图；
图3是系统实时工作流程图；
图4是无线网络中数据从发送到接收的流程；
图5是由基站与水声浮标组成的单点与多点交互的无线通信网示图；
图6-1是采用时间片轮转机制对所有水声浮标进行时间片分配的示图；
图6-2是采用时间片轮转机制重复询问的时间片分配图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
本发明创建的海上远程实时数据传输系统是一个多节点交互系统，一共包含四类通信节点：终端控制平台、基站、中继站和水声浮标。下面结合图1对本系统各部分的功能作详细描述。
终端控制平台100，主要指PC，包括由PC处理器执行的操作系统101、操作软件102、人机接口103、数据接口104和显示装置105。数据接口104经由数据总线109连接到下层节点基站106。在本实施例中，数据接口104是PC的USB接口，操作软件102提供了该接口的驱动程序和执行代码。操作系统101经由USB接口104向基站106传输依据数据传输协议格式化了的数据，并且经由反向路径从基站106接收依据数据传输协议格式化了的数据。终端控制平台100通过显示装置105，更确切地说是PC显示器，显示整个系统所有节点的工作状态，以便于操作者通过人机接口103对系统进行实时操控。人机接口103包括鼠标、键盘、以及由操作软件102提供的操作面板。
基站106用来实现终端控制平台100与下层通信节点(可以是水声浮标120，也可以是中继站114)之间的通信连接，它是一个数据转发装置，兼具部分控制功能。基站106包含USB驱动器107、无线电扩频通信平台110、GPS信息接收装置111和微处理器(MCU)108。USB驱动器107与终端控制平台100的USB接口104相互耦合，可以依据数据传输协议来格式化在基站106和终端控制平台100之间传输的数据。无线电扩频通信平台110通过无线链路112将基站106连接到无线网络113中。无线网络113是一个虚拟网络，更确切地说，是本数据传输协议中的无线路由协议，在进行水声参数测量的过程中，该协议采用时分多址(TDMA)与时间片轮转机制相结合的同步信息传输方法实现基站106(单节点)与水声浮标120(多节点)之间的数据传输。GPS信息接收装置111具有定位功能，它提供的坐标数据作为基站106的一个状态参数上传终端控制平台100，是终端控制平台100创建通信路由表的依据。GPS信息接收装置111还具有定时功能，可以为基站106提供非常精确的时间信息，该时间信息是系统构建同步工作模式的基础。微处理器108是一个多平台接口，它将基站106的所有功能平台连接到一起，为它们提供正常工作所需要的时序；同时，微处理器108还可以被认为是一个信息融合装置或协议转换装置，完成通信过程中的数据接收与转发。
中继站114的主要任务是在远程通信的情况下实现基站106与水声浮标120之间的通信连接。中继站114包含无线电扩频通信平台116、GPS信息接收装置118和微处理器(MCU)115，它们的功能与基站106中的相应部分功能相同。依据数据传输协议，中继站114仅仅完成数据的接收与转发操作，从此种意义上讲，中继站114是一个完全透明的通信节点。中继站114还是一个可以被自由取舍的通信节点，在构建通信路由表时是否需要加入中继站114取决于基站106与水声浮标120之间的距离，只有当二者距离足够远，以至于无法正常通信时，才采用中继站114进行通信连接，因此，中继站114也可以被看成是一种增加系统通信距离的手段。
水声浮标120是整个数据传输系统最底层的通信节点，也是最重要的一类节点。水声浮标120包含声学处理平台122、数据存储装置123、无线电扩频通信平台125、GPS信息接收装置124和微处理器121。其中，无线电扩频通信平台125和GPS信息接收装置124的功能同上。在本实施例中，声学处理平台122兼具数据采集和信号处理功能，用来完成系统约定的水声测量工作。整个系统包含多个水声浮标节点，每个节点对应一个独立的测量阵元，所有节点组合在一起构成一个水声测量阵。声学处理平台122也可以根据实际应用需求将其实施为其他例如水声通信之类的装置。数据存储装置123的主要功能是对声学处理平台122采集的水声信号进行实时存储，以便事后回放。在本实施例中，水声浮标120一共有三种工作状态：空闲、实时测量和睡眠。在空闲状态下，水声浮标120仅接收并执行由终端控制平台100下传的命令，不执行其它操作；当水声浮标120接收到由终端控制平台下发的轮询命令后，进入实时测量状态，在该状态下，水声浮标120执行水声测量的操作，同时将测量结果通过扩频通信平台125周期性地上传给基站106；为了节省电能，为水声浮标120设置了睡眠工作模式，这是一种低功耗工作模式，在该模式下，水声浮标120的所有功能平台都处于掉电状态，而仅仅只有微处理器121依然工作，微处理器121通过自身的定时器定时开启无线电扩频通信平台125，以接收上层节点下发的睡眠唤醒命令。
为了便于管理，本实施例为所有通信节点均配置一个独立的物理地址，不同节点之间依据数据传输协议进行数据传输。在数据传输协议中，节点的物理地址是节点相异于其它节点的唯一标志。图2示出了系统的网络拓扑结构。从图中可以看出，基站202、中继站203和所有水声浮标(204～209)通过无线链路耦合到无线网络201中，并以自身的物理地址作为该节点存在于无线网络201中的标志。
本发明的另一部分是创建了一种海上远程实时数据传输方法。图3是系统实时工作流程图，下面结合该图对本发明的海上远程实时数据传输方法进行详细描述。
流程图开始于起始点“开始”301，并在过程302中完成系统的初始化设置。在节点303中，判断是否有控制命令输入。本系统采用事件驱动的方式运行，通过事件来启动后面的过程，节点303中的“控制命令”便是所述的“事件”，它由操作者通过终端控制平台中的人机接口实时产生。
在节点303中判断到有控制命令输入的情况下，流程图进入过程304。在过程304中，终端控制平台将通信数据依据数据传输协议封装成数据包，然后通过USB数据总线下传给基站。然后，流程前进至过程305，基站采用时分多址(TDMA)与时间片轮转机制相结合的同步信息传输方法将接收自终端控制平台的数据发送到无线网络中。流程前进至节点306，基站等待目的节点回复。如果基站在规定时间内未接收到回复命令，流程继续回到过程305，对命令数据进行重发。如果基站接收到回复命令，流程前进至过程307。在过程307中，基站将接收到的回复命令通过USB数据总线上传终端控制平台。最后，流程在结束点308处结束。
过程302中的“系统初始化”用来创建通信路由表。通信路由表是本发明的实施例中非常重要且非常关键的部分，它关系到系统是否能实现高效、高可靠通信，其具体创建方法为：基站、中继站和水声浮标将自身的GPS坐标值上传终端控制平台；终端控制平台对各个节点的GPS坐标值进行融合处理，得到一个节点二维分布图；终端控制平台根据节点的二维分布图，按照“就近原则”详列出所有通信链路；将所有通信链路组合在一起便得到通信路由表。在实际工作过程中，仅需查表即可获取所需通信链路。需要说明的是，在整个通信链路中中继站相当于一个无线网桥，用来实现基站与水声浮标之间的通信连接，它是一个完全透明的通信节点。在创建通信路由表时是否需要加入中继站取决于基站与当前水声浮标之间的距离，只有当二者距离足够远，以至于无法正常通信时才加入中继站。
在整个数据传输过程中，通信数据以数据包的形式在不同节点间传输。数据包由包头、地址段、数据段和校验码组成，其中，包头是一个特征码，接收端通过判断该特征码来确定后面的数据是否有效；地址段包含的是整个通信链路的路由信息，它由源地址、中继地址和目的地址组成；数据段包含的是通信内容；校验码是对整个数据包进行校验后的结果，本发明的实施例采用CRC校验机制。图4示出了通信数据在无线网络中从发送到接收的整个流程。当数据传输开始后，源节点(可以是基站也可以是水声浮标)先将待发送数据依据数据传输协议封装成数据包，然后将该数据包发送到无线网络中以供其它节点接收，在实时工作模式下，所有节点均处于监听状态，当有节点检测到包头正确并且后面跟随的目的地址与自身地址相匹配时，开始接收本次数据，数据接收完成后再根据校验码对数据进行校验处理。
在整个无线网络中，既然中继站可以被看成是一个完全透明的通信节点，那么我们可以将无线网络简化成由基站与水声浮标组成的单点与多点相交互的无线通信网，见图5。在本发明的实施例中，每个水声浮标对应一个独立的测量阵元，它们组合在一起构成一个水声测量阵。由于水声测量的最终结果是对所有阵元的测量数据进行融合处理后得到的，这就要求无线通信网实时完成基站与每个水声浮标的信息交互，本发明采用时分多址(TDMA)与时间片轮转机制相结合的同步信息传输方法来实现这种交互，以下将分别予以介绍：
(1)时分多址(TDMA)
本实施例包含多个水声浮标，同一时刻，基站只能与单个水声浮标进行通信，这就要求基站分时从各个水声浮标那里读取测量数据，这种分时读取的方法可以表述为TDMA。本实施例以TDMA为基础，结合“询问回复”的方法来实现基站与水声浮标之间的信息交互，其具体实现过程可描述为：基站首先将水声浮标的个数和地址存入内部地址表；工作过程中，基站根据该地址表依次“询问”各个水声浮标，每询问完一个便等待其“回复”；被询问的水声浮标收到询问命令后将测量数据实时上传基站。对于这种由基站与水声浮标组成的单点与多点相交互的无线通信网，所采用的TDMA与“询问回复”相结合的通信方式可以有效避免多点交互过程中有可能出现的信息阻塞和数据冲突。
(2)同步信息传输
在本实施例中，GPS信息接收装置具有定时功能，可以为节点提供非常精确的时间信息。通过为系统设置一个同步时刻，并让所有节点从该同步时刻开始统一计时，可以使整个系统进入同步工作状态。在同步工作状态下，各个水声浮标根据预置的同步周期时间长度将测量数据封装成数据包，以等待基站“询问”；基站则根据预置的同步周期周期性“询问”各个水声浮标，以获取测量数据。
(3)时间片轮转机制
首先介绍时间片的定义。假设基站与单个水声浮标完成一次“询问回复”需要的时间极限为τ，以这个时间极限为单位可以将整个同步周期T分成N个时间段(N＝[T/τ])，每个时间段对应一个时间片。工作过程中，基站将时间片分给所有水声浮标，然后采用轮转机制依次对它们“询问”并等待其回复。下面再结合图6-1与图6-2对该机制作进一步描述。
图6-1所示的系统一共包含8个水声浮标(见图中的A～H)，完成第一次“询问”需要8个时间片。如果询问结束后，有部分水声浮标未能正确回复，则需要对它们重复询问。图6-2是重复询问的时间片分配。系统依照图6-1与图6-2循环执行，直到所有水声浮标均正确回复或本周期的所有时间片均用完为止。
Claims (10)
1.一种海上远程实时数据传输系统，包含终端控制平台、基站和水声浮标；其特征是：终端控制平台由计算机和操作软件组成，通过USB数据总线与下层节点建立连接；基站包含一个GPS信息接收装置、一个无线电扩频通信平台和一个USB数据通信接口，分别通过USB数据总线和无线电通信方式与上下两层节点建立连接，其下层节点是中继站或水声浮标；水声浮标包含一个GPS信息接收装置、一个无线电扩频通信平台和一个声学处理与数据存储平台，以无线电通信方式与上层节点建立连接。
2.根据权利要求1所述的海上远程实时数据传输系统，其特征是：还包含中继站，中继站包含一个GPS信息接收装置和一个无线电扩频通信平台，以无线电通信方式与上下两层节点建立连接，中继站是在远程通信的情况下实现基站与水声浮标之间的通信连接，它是一个完全透明的通信节点，也是一个可以被自由取舍的通信节点，只有当基站与水声浮标之间距离足够远，以至于无法正常通信时，才采用中继站进行通信连接。
3.根据权利要求2所述的海上远程实时数据传输系统，其特征是：所述终端控制平台(100)，包括由PC处理器执行的操作系统(101)、操作软件(102)、人机接口(103)、数据接口(104)和显示装置(105)；数据接口(104)经由数据总线(109)连接到下层节点基站(106)；数据接口(104)是PC的USB接口，操作软件(102)提供该接口的驱动程序和执行代码；操作系统(101)经由USB接口(104)向基站(106)传输依据数据传输协议格式化了的数据，并且经由反向路径从基站(106)接收依据数据传输协议格式化了的数据；终端控制平台(100)通过显示装置(105)显示系统所有节点的状态；人机接口(103)包括鼠标、键盘、以及由操作软件(102)提供的操作面板。
4.根据权利要求3所述的海上远程实时数据传输系统，其特征是：基站(106)包含USB驱动器(107)、无线电扩频通信平台(110)、GPS信息接收装置(111)和微处理器(108)；USB驱动器(107)与终端控制平台(100)的USB接口(104)相互耦合；无线电扩频通信平台(110)通过无线链路(112)将基站(106)连接到无线网络(113)中；无线网络(113)是一个虚拟网络，采用时分多址与时间片轮转机制相结合的同步信息传输方法实现基站(106)与水声浮标(120)之间的数据传输；GPS信息接收装置(111)提供的坐标数据作为基站(106)的一个状态参数上传终端控制平台(100)；GPS信息接收装置(111)还具有定时功能，为基站(106)提供非常精确的时间信息；微处理器(108)是一个多平台接口，它将基站(106)的所有功能平台连接到一起，为它们提供正常工作所需要的时序。
5.根据权利要求4所述的海上远程实时数据传输系统，其特征是：中继站(114)包含无线电扩频通信平台(116)、GPS信息接收装置(118)和微处理器(115)；水声浮标(120)包含声学处理平台(122)、数据存储装置(123)、无线电扩频通信平台(125)、GPS信息接收装置(124)和微处理器(121)。
6.一种海上远程实时数据传输方法，其特征是：步骤302，完成系统的初始化设置；步骤303，判断是否有控制命令输入；步骤304，在判断到有控制命令输入的情况下，终端控制平台将数据依据数据传输协议封装成数据包，然后通过USB数据总线下传给基站；步骤305，基站采用时分多址与时间片轮转机制相结合的同步信息传输方法将接收自终端控制平台的数据发送到无线网络中；步骤306，基站等待目的节点回复，如果基站在规定时间内未接收到回复命令，回到步骤305，对命令数据进行重发；如果基站接收到回复命令，进至步骤307；步骤307，基站将接收到的回复命令通过USB数据总线上传终端控制平台，最后在结束点步骤308处结束。
7.根据权利要求6所述的海上远程实时数据传输方法，其特征是：步骤302中的“系统初始化”用来创建通信路由表，其具体创建方法为：基站、中继站和水声浮标将自身的GPS坐标值上传终端控制平台；终端控制平台对所有节点的GPS坐标值进行融合处理，得到一个节点二维分布图；终端控制平台再按照“就近原则”详列出所有通信链路；将所有通信链路组合在一起得到通信路由表。
8.根据权利要求7所述的海上远程实时数据传输方法，其特征是：通信数据以数据包的形式在源节点与目的节点之间传输，数据包由包头、地址段、数据段和校验码组成，目的节点检测到包头正确并且后面跟随的目的地址与自身地址相匹配时，开始接收本次数据，数据接收完成后再根据校验码对数据进行校验处理。
9.根据权利要求8所述的海上远程实时数据传输方法，其特征是：所述时分多址机制是指基站同一时刻仅与单个水声浮标进行信息交互，对于多个水声浮标，基站分时从各个水声浮标读取数据。
10.根据权利要求9所述的海上远程实时数据传输方法，其特征是：所述同步信息传输机制是指基站与水声浮标通过定时设置进入同步工作状态，在同步工作状态下，水声浮标根据预置的同步周期时间长度将测量数据封装成数据包，基站则根据预置的同步周期周期性“询问”水声浮标，以获取测量数据；所述时间片轮转机制是指基站根据预置的时间长度将整个同步周期分成多个时间片，实时工作过程中，基站将时间片分给所有水声浮标，然后采用轮转机制依次对它们“询问”并等待其回复。
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