CN113115343B - 面向智能手机的北斗卫星通信网络系统及数据转发方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了面向智能手机的北斗卫星通信网络系统及数据转发方法，包括以ARM9为核心板的通信基站终端和移动客户端，基站侧软件实体通过Linux系统交叉编译实现跨平台功能，移动端App包含界面设计，分为不同模块和基站侧进行数据通信，两个基站间通过北斗卫星进行通信。由于北斗卫星短报文通信传输汉字和代码时，其编码方式有所不同，汉字和代码混合编码格式进行传输。在系统总体设计当中，利用QT5开发工具进行界面设计，VS2015进行逻辑代码设计，同时给出了硬件接口连接图，方便用户独自进行接口连接和功能测试。本发明将实现基站侧和移动客户端侧以GPRS模式和WI‑FI模式两种通信方式，同时可经过北斗卫星短报文通信功能实现发送方和接收方的数据转发功能。

Description

面向智能手机的北斗卫星通信网络系统及数据转发方法

技术领域

本发明涉及面向智能手机的北斗卫星通信网络系统及数据转发方法，属于通信技术领域。

背景技术

我国国土辽阔，地形包括平原、山区、湖泊、沙漠以及海域，我国也是受自然灾害较为严重的国家，有些多灾平原地区即使拥有通信网，但是当灾难发生的时候，通信网就会遭受破坏甚至瘫痪，因此带来的人员伤亡和经济损失将指数倍增加，比如2008年汶川大地震。如何有效、准确、高效的进行通信成为了这些地区以及这些情况下紧要的问题。

北斗导航系统是我国自主研发的卫星导航系统，具有精确定位、短报文通信、精密授时三大功能。该系统由北斗导航定位卫星、地面控制中心和各类用户终端三个部分组成，可为全球范围内的各类用户提供全天候、全天时的高精度、高可靠的定位、导航、短报文以及授时服务。北斗短报文通信时北斗导航系统特有的一个功能，其不受地形条件和环境气候等影响，可以解决偏远地区数据实时通信问题，特别适用于常规通信手段存在盲区多、基建投入大的场合使用，例如，海上数据采集和救援通信等。但是由于北斗卫星的主要任务是定位导航，对于通信任务的信道资源很少，导致民用北斗短报文在通信过程中受限于单次报文长度和通信频度问题，这使得通信效率明显降低，比如在汇报灾情和紧急救援的时候，每一秒都很重要，每一个细节都很重，很显然仅仅依靠北斗卫星单一终端进行北斗短报文通信是无法解决这类问题。

目前海上主要通信工具是卫星通话，但是卫星通话终端设备昂贵，通信费用昂贵，通信覆盖面积和通信时间受限，然而国家倡导的自主可控创新科技思想下建设的北斗导航通信系统的北斗短报文通信功能很好的解决了这个问题。但是北斗短报文无法于其他网络进行互传数据和通信，由此极大的影响了与陆地通信网之间进行数据共享，从而降低了通信数据处理效率。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提出面向智能手机的北斗卫星通信网络系统，包括以ARM9为核心板的通信基站终端和以智能手机为核心的App软件，其中基站侧包含硬件设计和软件设计，移动客户端侧包含软件设计。基站侧软件实体通过Linux系统交叉编译实现跨平台功能，移动端App包含界面设计，分为不同模块和基站侧进行数据通信。两个基站间可以通过北斗卫星进行通信。另外，由于北斗卫星短报文通信传输汉字和代码时，其编码方式有所不同，所以本发明进行和汉字和代码混合编码格式进行传输。具体技术方案如下：

一、主要数据转发协议：

(1)北斗卫星网络和WIFI网络数据转发协议

北斗卫星网络和WIFI协议转发采用json格式，是一种轻量级的数据交换协议，通过收发双方自定数据字段进行编码和解码操作。字段定义设计如下表1所示：

表1字段定义一览表

序号	字段名称	说明
			1	opcode	0：发送消息；1：发送心跳包；
2	msg	消息内容
			3	peerBeidouId	接收方北斗天线ID
4	peerAddrType	0：无下接设备；1：WI-FI；2：GPRS；
			5	peerAddr	下接设备网络地址

注：北斗卫星直接交互按照北斗协议原始数据进行编码和解码，不做协议规定。

(2)北斗卫星网络和GPRS网络数据转发协议

北斗卫星网络和GPRS网络协议直接分为发送和接收两个部分，首先接收端只需判断peerAddrType字段类型即可，当时为2时，即GPRS网络时候，解码数据包直接转发至对应手机号码。在发送端进行发送数据协议设计，如下表2所示。

表2发送数据协议格式

对端北斗ID

对端地址类型

对端设备地址

短信内容

在编辑短信时，四个字段之间需要有“#”符号进行隔开，当接收方接收发到消息后按照协议定义进行字段位数据解码。

二、系统架构

系统架构包含三个部分，分别为北斗通信部分、基站数据转发部分和移动终端交互部分。从发送端的智能手机APP中输入数据之后发送至基站，基站经过数据处理之后发送至北斗天线，最后发送端的北斗天线通过电磁波发送到北斗卫星。在接收端的北斗天线通过电磁波从北斗卫星中接收数据，然后把接收到数据发送至接收端基站，最后接收端基站进行数据处理之后通过电磁波再发送到移动终端完成整个通信。

其中基站硬件部分作为外接WI-FI和GPRS两个通信模块与北斗天线模块直接的数据处理和转发功能的最小系统功能版，WI-FI和GPRS模块硬件部分作为基站的移动通信数据输入和输出功能，北斗天线模块硬件部分主要是实现把移动通信模块输入和输出的数据进行北斗短报文协议封装和解析并通过北斗卫星转发的功能。

软件架构包括：

软件架构分为两个部分，一部分是基站侧软件实体设计，另一部分为智能手机客户端的App设计。程序除主函数外主要包含四个部分，分别为北斗网络数据转发子程序、GPRS网络数据转发子程序和Wi-Fi网络数据转发子程序。其中主函数子程序主要是对最小系统版对底层驱动进行初始化操作，GPRS、WI-FI和北斗子程序主要是进行用户数据输入和输出的数据包转发以及不同协议之间的数据封装和解析功能。智能手机端软件架构主要包含界面交互子程序、底层驱动子程序、GPRS网络数据转发子程序和WI-FI网络数据转发子程序。其中界面子程序主要实现用户数据的输入和输出显示以及发送消息前的参数配置输入功能。

有益效果

本发明的面向智能手机的北斗卫星通信网络系统，将实现基站侧和移动客户端侧以GPRS模式和WI-FI模式两种通信方式，同时可经过北斗卫星短报文通信功能实现发送方和接收方的数据转发功能，实现用户无论是处于有无地面移动网的环境中都可以进行通信。

附图说明

图1为本发明系统架构示意图；

图2为本发明系统硬件架构示意图；

图3为本发明软件架构图-基站侧软件架构示意图；

图4为本发明软件架构图-智能手机移动端软件架构示意图；

图5为本发明系统可靠性机制流程图；

图6为本发明数据发送流程图；

图7为本发明数据接收流程图；

图8为本发明上位机软件数据发送设计流程图；

图9为本发明上位机软件数据接收设计流程图。

具体实施方式

以下结合附图具体说明本发明的技术方案。

如图1，本发明面向智能手机的北斗卫星通信网络系统，包括北斗通信部分、基站数据转发部分和移动终端交互部分。从发送端的智能手机APP中输入数据之后发送至基站，基站经过数据处理之后发送至北斗天线，最后发送端的北斗天线通过电磁波发送到北斗卫星。在接收端的北斗天线通过电磁波从北斗卫星中接收数据，然后把接收到数据发送至接收端基站，最后接收端基站进行数据处理之后通过电磁波再发送到移动终端完成整个通信。

系统硬件架构主要为基站的硬件结构，移动端结构为智能手机，可直接开发对应驱动程序并安装即可，无需进行硬件设计，此处不再描述。基站侧的硬件架构如图2所示，包含基站、通信模块和北斗模块三个部分，其中基站硬件部分作为外接WI-FI和GPRS两个通信模块与北斗天线模块直接的数据处理和转发功能的基本最小系统功能版，WI-FI和GPRS模块硬件部分作为基站的移动通信数据输入和输出功能，北斗天线模块硬件部分主要是实现把移动通信模块输入和输出的数据进行北斗短报文协议封装和解析并通过北斗卫星转发的功能。

软件架构分为两个部分，一部分是基站侧软件实体设计，另一部分为智能手机客户端的App设计。其中基站侧软件实体的软件架构如图3所示，程序除主函数外主要包含北斗网络数据转发子程序、GPRS网络数据转发子程序和Wi-Fi网络数据转发子程序。其中主函数子程序主要是对最小系统版对底层驱动进行初始化操作，GPRS、WI-FI和北斗子程序主要是进行用户数据输入和输出的数据包转发以及不同协议之间的数据封装和解析功能。智能手机端软件架构如图4所示，主要包含界面交互子程序、底层驱动子程序、GPRS网络数据转发子程序和WI-FI网络数据转发子程序。其中界面子程序主要实现用户数据的输入和输出显示以及发送消息前的参数配置输入功能。分述如下：

1、基站侧软体实体设计包括可靠性和重发机制设计：

1-1)系统可靠性机制设计

面向智能手机的北斗卫星通信网络系统的可靠性机制设计分为两个步骤，第一步骤为WIFI协议和GPRS协议的校验位计算，判断原生数据包是否解码正确，第二部分为北斗协议校验位计算，判断整个数据包是否解码正确，其中包含发送方地址和数据包等字段位内容。

首先系统运行以后开始监听串口数据包，当有收据到来时，先解析北斗协议校验码，判断解码是否正确，如果解码不正确则发送接收失败反馈信息给发送方，发送方解析发送失败原因，并显示给用户界面。如果解码正确则根据地址类型进行WIFI协议或者GPRS网络协议数据校验码解析，判断WIFI网络或者GPRS网络数据解码是正确，如果解码不正确则同样返回发送失败消息给接收方，发送方解析发送失败原因，并显示给用户界面，如果解码正确则开始解析数据包。

1-2)系统重发机制设计

面向智能手机的北斗卫星通信网络系统的重发机制设计配合可靠性机制进行实现，如下图5所示。首先系统运行后进行串口数据包监听，然后把用户输入的消息数据保存至待发消息队列，之后开始编码并发送数据包。发送之后等待北斗卫星反馈消息，既上一小节可靠性机制的北斗卫星接收方反馈消息，当收到北斗卫星发送过来的反馈消息后进行判断上一条消息数据是否发送成功，如或成功则从待发送消息队列中移除，如果发送失败则根据反馈消息进行查找失败原因并处理，当处理之后系统会重新从待发消息队列中提取发送失败消息内容重新发送，最后继续等待北斗为反馈消息。

2、智能手机客户端的App设计

智能手机终端选用OPPO品牌机，本品牌采用安卓系统，型号为R9，由于本项目选用的智能手机型号市面上较为常见，在官网上均可下载相关硬件资料。

2-1)数据发送设计

面向智能手机的北斗卫星通信网络系统的终端驱动软件数据发送设计如图6所示。首先进行可用串口初始化遍历操作，然后开启并添加串口端口号，并选择接收方网络类型。之后输入接收方地址和消息内容，最后通过用户输入的类型判断为哪一种网络并进行相应的网络协议构建数据包。需要注意的是数据发送是先进行WIFI网络协议和GPRS网络协议的数据包构建操作，最后才进行北斗卫星网络短报文协议构建数据包，此顺序和数据接收设计正好相反。

2-2)要处理函数说明

终端驱动软件的主要处理函数说明如下表5所示。

表3主要处理函数说明

序号	函数名称	函数说明
			1	reqCommunicateForMsg	北斗短报文消息请求函数
2	respCommunicateForMsg	北斗短报文消息响应函数
			3	SendAtCommand	GPRS网络指令发送函数
4	encodeSMS	GPRS网络编码函数
			5	DecodeSMS	GPRS网络解码函数
6	ZConfigDlg::ZConfigDlg	配置函数
			7	QSerialPort::write	串口发送函数
8	QSerialPort::readyRead	串口接收函数
			9	ZMainWidget::ip4Decode	WIFI解码函数
10	ZMainWidget::ip4Encode	WIFI编码函数

2-3)数据接收设计

面向智能手机的北斗卫星通信网络系统的终端驱动软件数据接收设计如图7所示。首先进行可用串口初始化遍历操作，然后开启并添加串口端口号，此时系统开始接收网络数据。首先当系统接收到数据包之后先进行北斗卫星网络短报文协议数据包解析，解析出数据包的网络地址，然后再进行本方案设计的数据转发协议解析，通过数据包包头网络地址类型标志位判断发送方是哪一种网络类型，不同的网络系统系统发送给不同下接设备，最后进行不同的网络协议数据包解析。

3、手机APP驱动软件设计

3-1)数据发送设计

面向智能手机的北斗卫星通信网络系统的手机APP驱动软件数据发送设计采用TCP/IP协议进行设计，如图8。首先初始化手机客户端，其中包括手机客户端的硬件设备和软件启动后接口初始化等。手机APP驱动软件初始化完成后将会自动获取局域网内的服务器重点地址，然后由用户选择连接至哪一个服务器终端，并建立手机APP客户端和服务器终端连接，同时创建数据发送进程。之后，用户输入数据报文并读取，然后根据设计的北斗短报文网关协议进行数据包报文构建，构建完成后进行TCP/IP协议组包，最后发送至服务器客户端。

3-2)数据接收设计

面向智能手机的北斗卫星通信网络系统的手机APP驱动软件数据接收设计采用TCP/IP协议进行设计，如图9所示。首先初始化手机客户端，其中包括手机客户端的硬件设备和软件启动后接口初始化等。手机APP驱动软件初始化完成后将会自动获取局域网内的服务器重点地址，然后由用户选择连接至哪一个服务器终端，并建立手机APP客户端和服务器终端连接，同时创建数据接收进程。之后，手机APP驱动软件开始接收TCP/IP数据包并解析出数据报文，然后把解析后的数据报文进行北斗短报文网关协议进行用户数据内容拆包，并判断是否接收成功，如果接收成功则响应接收成功反馈消息，否则反馈接收失败响应消息并等待重新接收。

3-3)主要处理函数说明

面向智能手机的北斗卫星通信网络系统的手机APP驱动软件的主要处理函数说明如下表6所示。

表4上位机软件设计主要处理函数说明

4、硬件连接操作说明

面向智能手机的北斗卫星通信网络系统硬件包含核心板模块、北斗卫星模块和GPRS模块，硬件连接操作说明如下。

本方案的硬件连接只需要进行北斗卫星模块和GPRS模块连接至核心板进行数据线路搭建，因此对于北斗卫星模块的连接，只需要把北斗天线的Tx和Rx线连接至核心板模块的RS485接口即可。对于GPRS网络模块的硬件连接，核心网模块内部已经安装了华为ME909s-801模块，此模块可把PCIE接口转换为USB接口连接至核心板，因此无需外接任何其他设备，只需要插上任何入网的运营商移动电话SIM卡，并通过连接射频电缆发送和接收天线即可。

首先为每一个模块配置端口号，点击GPRS串口下拉列表并选择ttyUSB0端口号，点击北斗串口下拉列表并选择ttymxc0端口号。之后输入目标北斗ID，既接收方北斗卫星天线ID，当在发送时候，对于不同的发送业务需求可选择不同的下接设备，并输入下接设备的地址，其中每一个下接设备代表一个网络。当配置结束以后点击保存按钮回到第一个主界面。点击初始化按钮，如果初始化成功则可以看到接收ID号码，即本地网关系统所连接的北斗卫星天线ID。同时可以在各天线状态显示框看到北斗卫星天线的状态，包括连接到端口号，端口的ID以及串口通信等待时间。另外在界面的右半边为接收消息显示框，可以到初始化信息提示，接收和发送消息反馈。如果想情况显示框内容可以点击界面右下角清空按钮即可。

其中网关IP地址为面向智能手机的北斗卫星通信网络系统终端IP地址，此地址当终端开启后自动识别填充，但是需要用户点击下拉菜单进行选择连接哪一个终端设备。同时本机IP地址也会自动填充，无需用户手工输入。点击发送按钮进入到发送消息配置界面。

其中目标北斗ID为接收方北斗ID，下接设备选项有用户选择并输入，同时在发送消息内容输入框中输入待发消息内容，点击确定按钮即可完成发送，同时可以回到主界面通过日志显示框查看发送和接收日志。

首先系统运行以后开始监听串口数据包，当有收据到来时，先解析北斗协议校验码，判断解码是否正确，如果解码不正确则发送接收失败反馈信息给发送方。如果解码正确则根据地址类型进行WIFI协议或者GPRS网络协议数据校验码解析，判断WIFI网络或者GPRS网络数据解码是正确，如果解码不正确则同样返回发送失败消息给接收方，如果解码正确则开始解析数据包。

Claims (1)

1.面向智能手机的北斗卫星通信网络系统及数据转发方法，包括通信基站终端和移动客户端，系统包含三个部分：北斗通信、基站数据转发和移动终端交互；信号从发送端的智能手机APP中输入数据之后发送至基站，基站经过数据处理之后发送至北斗天线，最后发送端的北斗天线通过电磁波发送到北斗卫星；在接收端的北斗天线通过电磁波从北斗卫星中接收数据，然后把接收到数据发送至接收端基站，最后接收端基站进行数据处理之后通过电磁波再发送到移动终端完成整个通信；

其中，基站硬件部分作为外接WI-FI和GPRS两个通信模块与北斗天线模块直接的数据处理和转发功能的最小系统功能板，WI-FI和GPRS模块硬件部分作为基站的移动通信数据输入和输出功能，北斗天线模块硬件部分实现把移动通信模块输入和输出的数据进行北斗短报文协议封装和解析、并通过北斗卫星转发的功能；

基站侧软件实体通过Linux系统交叉编译实现跨平台功能，移动端分为不同模块和基站侧进行数据通信；两个基站间通过北斗卫星进行通信；北斗卫星短报文通信传输汉字和代码时，以汉字和代码混合编码格式进行传输；

其特征在于，所述北斗短报文协议包括：

(1)北斗卫星网络和WIFI网络数据转发协议

北斗卫星网络和WIFI协议转发采用json格式，是一种轻量级的数据交换协议，通过收发双方自定数据字段进行编码和解码操；字段定义设计如下表1所示：

表1字段定义一览表

序号 字段名称 说明 1 opcode 0：发送消息；1：发送心跳包； 2 msg 消息内容 3 peerBeidouId 接收方北斗天线ID 4 peerAddrType 0：无下接设备；1：以太网；2：GPRS； 5 peerAddr 下接设备网络地址

(2)北斗卫星网络和GPRS网络数据转发协议

北斗卫星网络和GPRS网络协议直接分为发送和接收两个部分进行研究，首先接收端只需判断peerAddrType字段类型即可，当为2时，即GPRS网络时候，解码数据包直接转发至对应手机号码；在发送端进行发送数据协议设计，如表2所示：

表2发送数据协议格式

对端北斗ID 对端地址类型 对端设备地址 短信内容

在编辑短信时，四个字段之间需要有“#”符号进行隔开，当接收方接收发到消息后按照协议定义进行字段位数据解码。

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