陈媛 李新 周安萌 张艳娜 郑小兵

关键词： GPRS; 野外高光谱对地辐射仪; 远程通信; 上位机软件; NAND FLASH; 通信丢包率

中图分类号： TN92?34; TH741                    文献标识码： A                      文章编号： 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

随着定量化遥感的快速发展，低频度的人工跑场定标已经无法满足高频次定标的需求。近年来，国际上提出了自动化定标的思路，通过在定标场布设自动化无人值守的观测设备，实时获取场地参数，减少对实验场地环境破坏并去除人为测量误差，提高对遥感载荷高时效、高频次的定标能力，进行在轨载荷衰变的及时校正。

2014年，国际对地观测卫星委员会（CEOS）定标与真实性检验工作组（WGCV）发起建立全球自主定标场网（RADCALNET），其核心是自動化（即场地数据观测、数据处理的自动化）、无人值守（设备可长期置于野外观测）、可追溯（观测数据的质量可追溯至计量标准）。 目前包括中国内蒙古中科院光电院包头场、美国Railroad Valley场、法国La Crau场以及非洲Gobabeb场四个示范场[1]。

中科院安徽光机所、国家卫星气象中心、中国资源卫星应用中心等单位开展了自动化定标技术研究，中科院安徽光机所自2013年开始在敦煌辐射校正场布设自主研发的自动化观测设备，包括场地辐射计、高精度太阳辐射计、光谱辐照度仪等，实现了地表反射率以及大气参数的长期自动观测。中科院安光所联合国家卫星气象中心，利用敦煌辐射校正场长期观测数据开展了国内外卫星的在轨自动化定标[2]。

为了实现在可见至短波红外波段地表反射率测量，中科院安徽光机所研制了野外高光谱对地辐射仪，自动测量定标场太阳反射波段高光谱反射率。定标场自动化仪器需要远程实时传输观测数据。目前，敦煌辐射校正场通道式辐射计采用北斗卫星短报文功能实现观测数据的远程传输[3]，但其传输频度为74 b/min，小数据量、低频度不能满足连续光谱仪器长序列数据的实时传输需求。现在，比较成熟的无线通信技术有蓝牙、WiFi等。文献[4]利用蓝牙技术实现远程电力线通信;文献[5]设计了基于Si4438射频通信系统，将其应用在无线抄表系统;文献[6]设计基于WiFi技术的矿下跟踪通信系统。蓝牙和WiFi传输的距离在100 m左右，不能满足长距离传输需求。

射频最高传输距离可达1 000 m，但其传输速率为19.2 Kb/s，传输速率慢，传输距离也受限制。根据野外超光谱辐照度仪通信数据量大、无线通信距离远、实时传输的特点，选取GPRS作为远程通信的方式，它能弥补北斗通信数据量小的缺点，传输速率为114 Kb/s。本文详细论述了基于GPRS 进行野外高光谱对地辐射仪的通信系统设计。

1  仪器总体设计

野外高光谱对地辐射仪总体设计可分为两层结构：第一层为采集地表光谱数据的下位机;第二层为远程控制中心的上位機。

整个系统按功能细分为四块：探测器模块、自校准模块、环境与电源管理模块以及远程通信模块。探测器模块负责采集可见到短红外波段的光谱电压值;自校准模块负责自动切换工作模式以实现白板与地表辐亮度的测量;环境与电源管理模块负责提供各个模块所需电压值以及实时监测工作环境状况;远程通信模块负责远程中心与下位机中指令发送以及传输采集到的电压信号值。

2  远程通信模块

根据野外高光谱对地辐射仪传输长序列数据的特点，本系统选用GPRS远程传输。

2.1  GPRS远程通信工作原理

野外高光谱对地辐射仪的通信系统是基于GPRS通信原理设计，如图1所示。GPRS远程通信由负责测量数据并将其传输的下位机，具有数据接收和处理、显示、保存的自动化定标软件，与传输数据的GPRS DTU模块组成。

该系统的GPRS通信原理是GPRS DTU通过接口从主控板中获取数据，处理后，GPRS分组数据发送到GSM基站。分组后的数据经SGSN封装后，通过GPRS网与网关支持接点GGSN进行通信。GGSN对分组数据进行相应的处理，再发送到目的网络。连接到该网络的客户上位机即可获得数据。另外，针对偏远野外移动通信不佳造成误码和数据丢失的问题，设计了历史数据备份和重传功能，利用FLASH进行数据的备份存储，通过远程自动化定标软件即可实现自动重传。

2.2  远程通信硬件电路设计

通信系统的硬件部分主要包括GPRS通信模块、NAND FLASH存储模块。GPRS通信模块将对地辐射仪的测量数据按照GPRS通信协议进行传输，FLASH存储模块完成数据的备份和重传。

2.2.1  GPRS模块硬件设计

本系统选用WG?8020 GPRS DTU模块，该模块不仅可以实现GPRS无线远程通信，还具有GPS定位以及GSM短信功能。在信号网络范围内，可以实时对野外辐射仪进行定位跟踪，其具有定位效率高、数据传输快、实时性好等优点。该模块工作在1 800 MHz频带，电源供电5 V，支持TCP/IP协议和COMWAY协议，兼容桑荣达协议和荣电协议[7]。野外超光谱对地辐射仪与GPRS DTU模块之间的通信采用RS 232标准串口，因此，只需要在外围电路上加电平转换芯片[8]MAX3232，将GPRS DTU的RXD和TXD引脚通过连接MAX3232的相应引脚，MAX3232再与野外高光谱对地辐射仪的单片机相应控制引脚P0.0与P0.1相连接，即通过单片机串口通信收发指令以及发送光谱数据。

2.2.2  存储系统硬件设计

针对偏远地区GPRS通信丢包和误码，为了提高野外的适应性以及可靠性，设计了备份回传的功能。根据野外高光谱对地辐射仪需要存储长序列光谱数据的特点，采用三星的NAND FLASH K9F8G08U0M进行数据备份存储。K9F8G08U0M的存储空间为1 GB×8 bit，该芯片由4 096块组成，一块由64页组成，一页有[9]4 Kb数据，保存的时间最高可达10年，擦写次数多达10万次，页编程的时间一般为200 μs，快擦除的时间为1.5 ms。该芯片工作电压为3.3 V，存储芯片与单片机之间无需电平转换，由于K9F8G08U0MDE命令/地址/数据复用I/O口，因此，用单片机的P7.0～P7.7的7个I/O口直接与K9F8G08U0M的7个I/O口相连，单片机的P2.2控制其片选。

2.3  系统远程通信软件设计

系统软件设计主要包括GPRS模块软件设计、基于FLASH的数据存储回传功能程序设计以及远程中心自动化定标软件设计。

2.3.1  GPRS模块软件设计

GPRS模块软件设计分为两块：GPRS DTU通信配置和GPRS串口通信程序设计。

GPRS DTU通信配置按以下四个步骤进行：

1） 选择合适通信协议。该系统使用透传协议，即标准的TCP/IP协议。

2） 设置端口号以及服务器地址端。端口号选择设置9888，该系统选择固定IP。

3） 选择DTU工作模式。该系统选择自动连接，即DTU发生掉线后会重新连接。

4） 设置DTU串口通信参数。这四个参数是波特率、数据位、停止位和校验位，为正常通信，这些参数要与下位机一致。

对地辐射仪的单片机与GPRS串口通信程序设计流程图如图2所示。

2.3.2  存儲系统程序设计

存储系统程序设计分为三步：NAND FLASH的基本操作设计;存储程序设计;数据重传程序设计。

K9F8G08U0M的特点是在没有写入任何东西前，存储阵列表现为0xFF，进行写的操作实际上就是将某些位从1置为0的过程，因此要求先擦除后写入[10]。其基本操作包括页编程、块擦除、页读取以及状态判断等。基于这些基本操作，设计出辐照度仪的存储程序以及数据重传程序。数据重传程序主要依据重传的时间，通过GPRS通信传输到上位机，其流程图如图3a）所示，数据存储的程序流程如图3b）所示。

2.3.3  远程中心上位机软件设计

野外高光谱对地辐射仪的远程中心设计为一个MFC上位机通信软件。该软件的主要功能分为三个部分：

1） 基于TCP/IP协议实现GPRS的无线远程传输通信;

2） 远程PC机对野外高光谱对地辐射仪远程基本功能控制，比如数据采集，功能模式设置;

3） 实现对采集数据进行处理、显示以及存储。

野外高光谱对地辐射仪和远程中心的无线通信是上位机的核心部分，该程序是基于TCP/IP的Socket编程。具体过程是：服务器先调用Socket（），Bind（），Listen（）函数完成初始化，再调用Accept（）函数阻塞等待，处于监听端口状态。客户端先调用Socket（）函数完成初始化，再调用Connect（），同时阻塞等待服务器应答，当客户端接收到服务器应答的SYN?ACK段后，应答一个ACK段，服务器再从Accept（）返回，随即调用Read（），读取Socket（）。当客户端有请求时，调用Write（）发送给服务器，服务器再从Read（）中返回。当没有更多的请求，客户端和服务器都调用Close（）关闭连接。

远程中心的上位机与对地辐射仪的通信主要是通过命令发送，命令的第一个字节为客户端号，后面两个为标志位，用于判别各条指令的用途，后面为数据位。整个上位机软件通信的流程如图4所示。

3  实验结果及分析

2017年5—6月，将野外高光谱对地辐射仪放置在中科院安徽光机所进行实验，验证本系统的重复性以及丢包率。从本轮实验中，选取10天GPRS传输数据进行分析，丢包率如表1所示。

这10天实验的丢包率不超过2.7%。根据传输错误文件的时间，重传相应的存储数据，经实验该数据重传功能是可行的。图5为实验重传以及数据采集成功界面。

2017年9月，野外高光谱对地辐射仪在敦煌场地进行自动观测实验。图6为9月27日下午4：00采集的敦煌地表反射率曲线图。实验期间，野外高光谱对地辐射仪自动观测功能及远程数据传输功能正常，验证了设计的合理性。

4  结  语

本文阐述了野外高光谱对地辐射仪通信系统的硬件设计以及基于GPRS传输软件上位机设计。在合肥地区的系统重复性实验中，通信丢包率保持在2.7%之内，同时验证了数据重传功能的可行性。在敦煌场地进行地表反射率的实验表明，该仪器能够实现野外基于GPRS无线传输功能，且GPRS通信系统功能稳定。本系统为自动化定标设备的数据远程实时传输提供了一种新的技术途径。

注：本文通讯作者为李新。

参考文献

[1] 邱刚刚.卫星辐射校正场自动化观测系统的研制与定标应用[D].合肥：中国科学技术大学，2017.

QIU Ganggang. Development and calibration application of sa?tellite radiation correction field automation observation system [D]. Hefei： University of Science and Technology of China， 2017.

[2] 邱刚刚，李新，韦玮，等.基于场地自动化观测技术的遥感器在轨辐射定标试验与分析[J].光学学报，2016，36（7）：9?17.

QIU Ganggang， LI Xin， WEI Wei， et al. Calibration and measurement of on?orbit radiation in remote sensing based on automatic observational technology [J]. Acta optica Sinica， 2016， 36（7）： 9?17.

[3] 张志鹏，张运杰，李新，等.基于北斗短报文的野外光谱观测设备通信系统设计[J].大气与环境光学学报，2016（1）：75?80.

ZHANG Zhipeng， ZHANG Yunjie， LI Xin， et al. Design of communication system for outdoor spectrum observation equipment based on BeiDou short telegram [J]. Autmospheric and environmental optics， 2016（1）： 75?80.

[4] 贺良华，史永乐.蓝牙技术在远程电力线通信中的应用[J].电子技术应用，2011，37（2）：135?138.

HE Lianghua， SHI Yongle. Application of Bluetooth technology in remote power line communication [J]. Journal of electro?nics technique， 2011， 37（2）： 135?138.

[5] 李昱良.基于Si4438的短程低功耗无线通信系统的设计与应用[D].西安：西安电子科技大学，2015.

LI Yuliang. Design and application of short range low power wireless communication system based on Si4438 [D]. Xian： University of Electronic Science and Technology of Xian， 2015.

[6] 蒋磊，于雷，王振翀，等.基于WiFi和ZigBee的井下人员无线跟踪与定位系统设计[J].工矿自动化，2011（7）：1?6.

JIANG Lei， YU Lei， WANG Zhenchong， et al. Design of wireless tracking and location system based on WiFi and ZigBee [J]. Industry and mine automation， 2011（7）： 1?6.

[7] Comway Electronic Corp. Comway WG?8020 GPS?GPRS DTU [EB/OL]. [2014?06?09]. https：//wenku.baidu.com/view/beea1585b9f3f90f77c61b3f.html.

[8] Maxim Intergrated Products Inc. MAX3222/MAX3232/MAX3237/ MAX3241 [EB/OL]. [2012?02?17]. https：//wenku.baidu.com/view/0310803683c4bb4cf7ecd1c1.html.

[9] Samsung Electronics. K9F8G08UXM [EB/OL]. [20010?11?22]. https：//wenku.baidu.com/view/6e2ea3e79b89680203d825bd. html.

[10] 陆林燕，王鲁静，郑正奇.NAND FLASH编程实现研究分析[J].计算机技术与发展，2008，18（3）：118?120.

LU Linyan， WANG Lujing， ZHENG Zhengqi. Research and analysis on programming implementation of NAND FLASH [J]. Computer technology and development， 2008， 18（3）： 118?120.