CN105610554A - 基于BDS和UWSNs的数据交换系统与岸上基站的数据交换方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于BDS和UWSNs的数据交换系统与岸上基站的数据交换方法，其特征是，包括基于BDS和UWSNs的数据交换系统，所述方法包括如下步骤：1）水下无线传感网络数据交换过程；2）岸上基站数据交换过程。这种方法根据起始数据包获取数据开始发送的信息，并判断通信信道质量；根据中间数据包的编码是否连续，判断是否存在丢包和连续丢包；根据终止数据包获取数据停止发送的消息；根据响应包获取信道质量信息，丢包信息，并根据丢包信息进行补发。这种方法能克服水下无线传感网络远距离通信能力的不足、实现有效、可靠的海上数据通信。
Description
技术领域
本发明涉及水下无线传感网络（UnderwaterWirelessSensorNetworks,简称UWSNs）与北斗卫星系统（BeiDouNavigationSatelliteSystem,简称BDS）的数据交换，属于信息数据交换应用领域,具体是基于BDS和UWSNs的交换系统与岸上基站的数据交换方法。
背景技术
地球表面百分之七十以上被蓝色的海洋所覆盖，更应该称为“水球”。中国是陆地大国，同时也是一个海洋大国，海洋面积居世界前列。一方面，我国的海上石油、天然气资源，潮汐能/风能资源，渔业资源等海洋资源丰富；另一方面，海洋安全是国家安全的重要组成部分与重要保证。因此，有效地开发和保护海洋资源、维护海洋安全具有很高的经济价值和战略意义。
在众多新兴的海洋科技领域中，水下传感器网络因近年来在水体污染监控、水下资源勘探、海洋地理气象数据收集、地震/海啸灾难预防、国防安全领域等方面的应用受到日益广泛的关注。例如，在海洋地理数据收集方面，UWSNs网络利用水面、水下布放的传感器，协作采集三维海洋地理数据。因此，该技术对沿海地区水文气象数据采集，灾害灾难预报方面有着重要意义。
“北斗一号”卫星系统是我国自主研发的同时具有导航和通信功能的通信系统。其波束覆盖中国及其周边海域，非常适合应用于国家海域内，水下无线传感网络网关与岸上基站之间的数据通信。但是“北斗一号”通信没有回执消息，因此存在无法确定接收端是否完整接收全部数据，甚至是否接收到数据的问题。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足而提供一种基于BDS和UWSNs的数据交换系统与岸上基站的数据交换方法。这种方法能克服水下无线传感网络远距离通信能力的不足、实现有效、可靠的海上数据通信。
实现本发明目的的技术方案是：
基于BDS和UWSNs的数据交换系统，包括
核心控制模块，用于实现整个系统任务的全局处理、数据交换、资源管理；
北斗数据收发模块，用于与北斗卫星系统、水下无线传感网络进行数据交换，同时，北斗数据收发模块接收到的指令、业务要求经过水下无线传感器通信模块转发给区域内的传感器节点；
水下无线网络通信模块，接收来自传感器节点的感知数据，并交由核心控制模块处理，最终接入北斗网络；
协议栈转换模块，对来自水下传感器网络传输的数据，逐层格式转换、数据封装与解析；
所述核心控制模块与北斗数据收发模块、水下无线网络通信模块、协议栈转换模块连接。
包括外部存储模块，所述的外部存储模块为双倍速率同步动态随机存储器，对水下传感数据、定位信息、北斗数据收发模块接收的指令信息进行缓存，通过缓存降低UWSNs与BDS不同网络之间载波频率、数据量、传输速率、网络带宽等差异的影响；所述外部存储模块与核心控制模块连接。
包括能量供应模块，所述能量供应模块用于给系统各模块提供所需电源；所述能量供应模块包括顺序连接的太阳能电池板、充/放电电路、蓄电池和输出稳压电路，设有反馈电路与充/放电电路、蓄电池连接。
所述的核心控制模块包括智能芯片ARM11和与其电连接的万年历时钟电路、自启动晶振电路、数据和地址总线接口电路；
包括与ARM11电连接的液晶显示电路。
所述的北斗数据收发模块包括第一DSP处理器和与其连接的发射电路、接收电路和串行控制接口电路，发射电路、接收电路与圆极型全向天线连接。
所述的水下无线网络通信模块包括第二DSP处理器和与其连接的信号发生器、模数转换模块，信号发生器、模数转换模块与全向天线连接。
信号发生器通过发射端放大电路与全向天线连接。
模数转换模块通过接收端放大电路与全向天线连接。
基于BDS和UWSNs的数据交换系统与岸上基站的数据交换方法，包括上述基于BDS和UWSNs的数据交换系统，所述方法包括如下步骤：
1)水下无线传感网络数据交换过程：
S101：开始；
S102：系统中的传感器采集数据，通过所述数据交换系统中的核心控制模块对数据进行压缩，存入外部存储模块，形成数据发送队列；
S103：核心控制模块根据用户识别SIM卡的通信级别，确定北斗通信的短报文长度，从数据发送队列中提取SIM卡对应长度的数据；
S104：北斗数据收发模块是否锁定卫星信号，如果超过5s未锁定卫星信号，返回执行步骤S103，如果5s内锁定卫星信号则执行步骤S105；
S105：北斗数据收发模块向岸上基站发送包含起始标志的起始数据包；
S106：系统等待岸上基站的响应包，如果超过5s未收到响应包，则执行步骤S105，如果5s内收到响应包，则执行步骤S107；
S107：北斗数据收发模块向岸上基站发送包含编号的中间数据包，每发送一个数据包编号加1；
S108：核心控制模块判断是否收到岸上基站发送的连续丢包的响应包，并执行S109保存丢失数据包对应的编号，如果丢包编号数量大于3个，则说明当前信道质量较差，系统等待随机时延后执行步骤S105，并将对应编号的数据包重新列入发送队列，和未发送的数据包一起继续发送，否则执行步骤S110；
S109：记录丢包编号，等待随机时延；
S110：核心控制模块判断是否为数据队列中最后一个数据包，如果不是则系统继续循环执行步骤S107，否则系统执行步骤S111；
S111：北斗数据收发模块向岸上基站发送带终止标志的数据包；
S112：系统等待岸上基站包含接收结果的响应包，如果超过5s未能接收到响应包，则系统重复步骤S111，否则执行步骤S113；
S113：核心控制模块判断响应包是否为完全接收响应，如果是则表示通信成功，核心控制模块控制执行S118清空发送队列，并执行S119结束本轮数据发送，否则执行步骤S114；
S114：核心控制模块判断补发数据包次数是否小于3次，如果是小于3次，则执行S115根据存储的丢失数据包编号进行数据包补发，如果不是小于3次，则表示当前信道不稳定，执行S116本次通信失败，北斗数据收发模块等待随机时延后执行S117进入新一轮的数据发送，循环步骤S101-S119；
S115：读取需要补发的包重新发送，跳转到S104；
S116：本次通信失败，跳转到S117；
S117：进入新的发送流程；
S118：通信成功，清空缓存；
S119：结束；
2）岸上基站数据交换过程：
S201：开始；
S202：岸上基站等待接收UWSNs发送的带起始标志的数据包；
S203：岸上基站判断是否数据包中包含了UWSNs数据发送的起始标志，如果包含UWSNs数据发送的起始标志，岸上基站则执行步骤S204，否则岸上基站执行步骤S201，继续等待起始数据包；
S204：岸上基站等待接收水下无线传感网络发送的带起始标志的中间数据包；
S205：岸上基站将接收的数据包进行缓存，并判断数据包的编号是否连续，如果是则执行步骤S206，否则表示出现丢包执行步骤S207；
S206：岸上基站判断接收数据包中是否含有终止标志，如果是则执行步骤S204继续等待接收中间数据包，否则执行步骤S209；
S207：岸上基站记录丢包对应的编号，缺失的数值为对应丢包的编号；
S208：岸上基站判断连续丢失数据包次数是否大于3次，如果是大于3次则执行步骤S209；
S209：岸上基站向UWSNs回传包含通信过程中丢失数据包对应编号的响应包。
步骤S102中所述压缩为Huffman压缩。
步骤1）、步骤2）数据交换过程包含4类数据包：起始数据包、中间数据包、终止数据包和响应包，起始数据包包含起始标志、中间数据包包含数据包的编号、终止数据包包含终止标志、响应包包含信道情况和丢包编号两种信息。
根据起始数据包获取数据开始发送的信息，并判断通信信道质量；根据中间数据包的编码是否连续，判断是否存在丢包和连续丢包；根据终止数据包获取数据停止发送的消息；根据响应包获取信道质量信息，丢包信息，并根据丢包信息进行补发。
这种方法能克服水下无线传感网络远距离通信能力的不足、实现有效、可靠的海上数据通信。
附图说明
图1为实施例中水下无线传感网络数据交换过程示意图；
图2为实施例中岸上基站数据数据交换过程示意图；
图3为实施例中的系统结构示意图；
图4为实施例中核心控制模块的结构示意图；
图5为实施例中北斗数据收发模块的结构示意图；
图6为实施例中水下无线网络通信模块的结构示意图；
图7为实施例中能量供应模块的结构示意图；
图8为实施例中起始数据包帧格式示意图；
图9为实施例中中间数据包帧格式示意图；
图10为实施例中终止数据包帧格式示意图；
图11为实施例中响应包帧格式示意图。
图中，1．核心控制模块2.北斗数据收发模块3.水下无线网络通信模块4.协议栈转换模块5.外部存储器模块6.能量供应模块7.ARM118.万年历时钟电路9.自启动晶振电路10.数据、地址总线接口电路11.液晶显示电路12.第一DSP处理器13.发射电路14.接收电路15.串行控制接口电路16.圆极型全向天线17.第二DSP处理器18.信号发生器19.模数转换模块20.全向天线21.发射端放大电路22.接收端放大电路23.太阳能电池板24.充/放电电路25.蓄电池26.输出稳压电路27.反馈电路。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明内容作进一步阐述，但不是对本发明的限定。
实施例：
参照图3，基于BDS和UWSNs的数据交换系统，包括
核心控制模块1，用于实现整个系统任务的全局处理、数据交换、资源管理；
北斗数据收发模块2，用于与北斗卫星系统、水下无线传感网络进行数据交换，同时，北斗数据收发模块2接收到的指令、业务要求经过水下无线传感器通信模块转发到区域内的传感器节点上；
水下无线网络通信模块3，接收来自传感器节点的感知数据，并交由核心控制模块1处理，最终接入北斗网络；
协议栈转换模块4，对来自水下传感器网络传输的数据，逐层格式转换、数据封装与解析；
所述核心控制模块1与北斗数据收发模块2、水下无线网络通信模块3、协议栈转换模块4连接。
包括外部存储模块5，所述的外部存储模块5为双倍速率同步动态随机存储器，对水下传感数据、定位信息、北斗数据收发模块2接收的指令信息进行缓存，通过缓存降低UWSNs与BDS不同网络之间载波频率、数据量、传输速率、网络带宽等差异的影响；所述外部存储模块5与核心控制模块1连接。
包括能量供应模块6，参见图7，所述能量供应模块6用于给系统各模块提供所需电源；所述能量供应模块6包括顺序连接的太阳能电池板23、充/放电电路24、蓄电池25和输出稳压电路26，设有反馈电路27与充/放电电路24、蓄电池25连接。太阳能电池板23把太阳能转换成电能，电能充/放电电路24处理后，向蓄电池25充电，蓄电池25电能经输出稳压电路26稳压处理后向其他模块提供电源。
参见图4，所述的核心控制模块1包括智能芯片ARM117和与其电连接的万年历时钟电路8、自启动晶振电路9、数据和地址总线接口电路10；
包括与ARM117电连接的液晶显示电路11。
参见图5，所述的北斗数据收发模块2包括第一DSP处理器12和与其连接的发射电路13、接收电路14和串行控制接口电路15，发射电路13、接收电路14与圆极型全向天线16连接。
参见图6，所述的水下无线网络通信模块3包括第二DSP处理器17和与其连接的信号发生器18、模数转换模块19，信号发生器18、模数转换模块19与全向天线连接20。
信号发生器18通过发射端放大电路21与全向天线20连接。
模数转换模块19通过接收端放大电路22与全向天线20连接。
基于BDS和UWSNs的数据交换系统与岸上基站的数据交换方法，包括上述基于BDS和UWSNs的数据交换系统，所述方法包括如下步骤：
1)水下无线传感网络数据交换过程，参见图1：
S101：开始；
S102：系统中的传感器采集数据，通过所述数据交换系统中的核心控制模块1对数据进行压缩，存入外部存储模块5，形成数据发送队列；
S103：核心控制模块1根据用户识别SIM卡的通信级别，确定北斗通信的短报文长度，从数据发送队列中提取SIM卡对应长度的数据；
S104：北斗数据收发模块2是否锁定卫星信号，如果超过5s未锁定卫星信号，返回执行步骤S103，如果5s内锁定卫星信号则执行步骤S105；
S105：北斗数据收发模块2向岸上基站发送包含起始标志的起始数据包；
S106：系统等待岸上基站的响应包，如果超过5s未收到响应包，则执行步骤S105，如果5s内收到响应包，则执行步骤S107；
S107：北斗数据收发模块2向岸上基站发送包含编号的中间数据包，每发送一个数据包编号加1；
S108：核心控制模块1判断是否收到岸上基站发送的连续丢包的响应包，并执行S109保存丢失数据包对应的编号，如果丢包编号数量大于3个，则说明当前信道质量较差，系统等待随机时延后执行步骤S105，并将对应编号的数据包重新列入发送队列，和未发送的数据包一起继续发送，否则执行步骤S110；
S109：记录丢包编号，等待随机时延；
S110：核心控制模块1判断是否为数据队列中最后一个数据包，如果不是则系统继续循环执行步骤S107，否则系统执行步骤S111；
S111：北斗数据收发模块2向岸上基站发送带终止标志的数据包；
S112：系统等待岸上基站包含接收结果的响应包，如果超过5s未能接收到响应包，则系统重复步骤S111，否则执行步骤S113；
S113：核心控制模块1判断响应包是否为完全接收响应，如果是则表示通信成功，核心控制模块1控制执行S118清空发送队列，并执行S119结束本轮数据发送，否则执行步骤S114；
S114：核心控制模块1判断补发数据包次数是否小于3次，如果是小于3次，则执行S115根据存储的丢失数据包编号进行数据包补发，如果不是小于3次，则表示当前信道不稳定，执行S116本次通信失败，北斗数据收发模块2等待随机时延后执行S117进入新一轮的数据发送，循环步骤S101-S119；
S115：读取需要补发的包重新发送，跳转到S104；
S116：本次通信失败，跳转到S117；
S117：进入新的发送流程；
S118：通信成功，清空缓存；
S119：结束；
2）岸上基站数据交换过程，参见图2：
S201：开始；
S202：岸上基站等待接收UWSNs发送的带起始标志的数据包；
S203：岸上基站判断是否数据包中包含了UWSNs数据发送的起始标志，如果包含UWSNs数据发送的起始标志，岸上基站则执行步骤S204，否则岸上基站执行步骤S201，继续等待起始数据包；
S204：岸上基站等待接收水下无线传感网络发送的带起始标志的中间数据包；
S205：岸上基站将接收的数据包进行缓存，并判断数据包的编号是否连续，如果是则执行步骤S206，否则表示出现丢包执行步骤S207；
S206：岸上基站判断接收数据包中是否含有终止标志，如果是则执行步骤S204继续等待接收中间数据包，否则执行步骤S209；
S207：岸上基站记录丢包对应的编号，缺失的数值为对应丢包的编号；
S208：岸上基站判断连续丢失数据包次数是否大于3次，如果是大于3次则执行步骤S209；
S209：岸上基站向UWSNs回传包含通信过程中丢失数据包对应编号的响应包。
步骤S102中所述压缩为Huffman压缩。
步骤1）、步骤2）数据交换过程包含4类数据包：起始数据包、中间数据包、终止数据包和响应包，起始数据包包含起始标志、中间数据包包含数据包的编号、终止数据包包含终止标志、响应包包含信道情况和丢包编号两种信息。
根据起始数据包获取数据开始发送的信息，并判断通信信道质量；根据中间数据包的编码是否连续，判断是否存在丢包和连续丢包；根据终止数据包获取数据停止发送的消息；根据响应包获取信道质量信息，丢包信息，并根据丢包信息进行补发。
现假设采用的北斗通信用户识别卡单次能传输M个字节的数据，则4类数据包的总长度都为M个字节，并且4类数据包的帧格式描述如下：
如图8所示，起始数据包第1个字节表示数据包的包类型，采用十六进制数0x01表示，第2字节表示本轮发送数据包的数量，后面M-2个字节默认为水下无线传感网络数据发送队列的第一帧数据，默认编号为1；
如图9所示，中间数据包第1个字节表示数据包类型，采用十六进制数0x02表示，第2个字节表示数据包的编号，从2开始依次累加，后面M-2个字节表示对应编号的数据；
如图10所示，终止数据包第1个字节表示数据包类型，采用十六进制数0x03表示，第2字节为数据包的编号，从2开始依次累加，后面M-2个字节表示对应编号的数据；
如图11所示，响应包为岸上基站向水下无线传感网络网关回执的数据包，第1字节表示数据包类型，采用十六进制数0x04表示，第2字节为丢包数量，如果第2字节为0，则表示没有丢包，或者通信信道正常，后面M-2个字节为对应丢包的编号，如果丢包不足M-2个，则多余的字节补零。
Claims (4)
1.基于BDS和UWSNs的数据交换系统与岸上基站的数据交换方法，其特征是，包括基于BDS和UWSNs的数据交换系统，所述方法包括如下步骤：
1)水下无线传感网络数据交换过程：
S101：开始；
S102：系统中的传感器采集数据，通过所述数据交换系统中的核心控制模块对数据进行压缩，存入外部存储模块，形成数据发送队列；
S103：核心控制模块根据用户识别SIM卡的通信级别，确定北斗通信的短报文长度，从数据发送队列中提取SIM卡对应长度的数据；
S104：北斗数据收发模块是否锁定卫星信号，如果超过5s未锁定卫星信号，返回执行步骤S103，如果5s内锁定卫星信号则执行步骤S105；
S105：北斗数据收发模块向岸上基站发送包含起始标志的起始数据包；
S106：系统等待岸上基站的响应包，如果超过5s未收到响应包，则执行步骤S105，如果5s内收到响应包，则执行步骤S107；
S107：北斗数据收发模块向岸上基站发送包含编号的中间数据包，每发送一个数据包编号加1；
S108：核心控制模块判断是否收到岸上基站发送的连续丢包的响应包，并执行S109保存丢失数据包对应的编号，如果丢包编号数量大于3个，则说明当前信道质量较差，系统等待随机时延后执行步骤S105，并将对应编号的数据包重新列入发送队列，和未发送的数据包一起继续发送，否则执行步骤S110；
S109：记录丢包编号，等待随机时延；
S110：核心控制模块判断是否为数据队列中最后一个数据包，如果不是则系统继续循环执行步骤S107，否则系统执行步骤S111；
S111：北斗数据收发模块向岸上基站发送带终止标志的数据包；
S112：系统等待岸上基站包含接收结果的响应包，如果超过5s未能接收到响应包，则系统重复步骤S111，否则执行步骤S113；
S113：核心控制模块判断响应包是否为完全接收响应，如果是则表示通信成功，核心控制模块控制执行S118清空发送队列，并执行S119结束本轮数据发送，否则执行步骤S114；
S114：核心控制模块判断补发数据包次数是否小于3次，如果是小于3次，则执行S115根据存储的丢失数据包编号进行数据包补发，如果不是小于3次，则表示当前信道不稳定，执行S116本次通信失败，北斗数据收发模块等待随机时延后执行S117进入新一轮的数据发送，循环步骤S101-S119；
S115：读取需要补发的包重新发送，跳转到S104；
S116：本次通信失败，跳转到S117；
S117：进入新的发送流程；
S118：通信成功，清空缓存；
S119：结束；
2）岸上基站数据交换过程：
S201：开始；
S202：岸上基站等待接收UWSNs发送的带起始标志的数据包；
S203：岸上基站判断是否数据包中包含了UWSNs数据发送的起始标志，如果包含UWSNs数据发送的起始标志，岸上基站则执行步骤S204，否则岸上基站执行步骤S201，继续等待起始数据包；
S204：岸上基站等待接收水下无线传感网络发送的带起始标志的中间数据包；
S205：岸上基站将接收的数据包进行缓存，并判断数据包的编号是否连续，如果是则执行步骤S206，否则表示出现丢包执行步骤S207；
S206：岸上基站判断接收数据包中是否含有终止标志，如果是则执行步骤S204继续等待接收中间数据包，否则执行步骤S209；
S207：岸上基站记录丢包对应的编号，缺失的数值为对应丢包的编号；
S208：岸上基站判断连续丢失数据包次数是否大于3次，如果是大于3次则执行步骤S209；
S209：岸上基站向UWSNs回传包含通信过程中丢失数据包对应编号的响应包。
2.根据权利要求1所述的基于BDS和UWSNs的数据交换系统与岸上基站的数据交换方法，其特征是，步骤S102中所述压缩为Huffman压缩。
3.根据权利要求1所述的基于BDS和UWSNs的数据交换系统与岸上基站的数据交换方法，其特征是，步骤1）、步骤2）数据交换包含4类数据包：
起始数据包，所述起始数据包包含起始标志；
中间数据包，所述中间数据包包含数据包的编号；
终止数据包，所述终止数据包包含终止标志；
响应包，所述响应包包含信道情况和丢失数据包编号两种信息。
4.根据权利要求1所述的基于BDS和UWSNs的数据交换系统与岸上基站的数据交换方法，其特征是，根据起始数据包获取数据开始发送的信息，并判断通信信道质量；根据中间数据包的编码是否连续，判断是否存在丢包和连续丢包；根据终止数据包获取数据停止发送的消息；根据响应包获取信道质量信息和丢包信息，并根据丢包信息进行补发。
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