李沖霄 王璇

摘要：為了滿足運輸車、加油車、急救車等配發(fā)數(shù)量較大且單裝價值較低的保障平臺北斗導(dǎo)航終端一機多用使用需求，在傳統(tǒng)“網(wǎng)口終端+超短波電臺”通聯(lián)模型的基礎(chǔ)上，提出了一種基于“串口終端+超短波電臺”的通聯(lián)模型，并進一步設(shè)計了相應(yīng)的串口NAT協(xié)議。在不改變上層指控應(yīng)用使用習(xí)慣的條件下，有效解決了串口終端網(wǎng)絡(luò)路由尋址和指控名錄尋址難的問題。

關(guān)鍵詞：串口終端；超短波電臺；NAT

中圖分類號：TN73文獻標(biāo)志碼：A文章編號：1008-1739（2022）24-55-5

0引言

在工程、修理、衛(wèi)生和運輸?shù)纫恍┍Ｕ项惼脚_上，通常不上裝交換設(shè)備，而是直接上裝信息終端、超短波電臺和北斗導(dǎo)航終端等設(shè)備，基于信息終端部署指控軟件和保障業(yè)務(wù)軟件，基于超短波電臺內(nèi)部協(xié)議進行網(wǎng)絡(luò)通聯(lián)，基于北斗導(dǎo)航終端進行定位導(dǎo)航。更有甚者，受平臺集成空間緊張、保障人力缺少和建設(shè)經(jīng)費不足等原因影響，運輸車、加油車、急救車等配發(fā)數(shù)量較大且單裝價值較低的保障平臺。為了進一步壓縮上裝信息化設(shè)備數(shù)量，通常將信息終端和北斗導(dǎo)航終端合并使用，直接在北斗導(dǎo)航終端上部署指控軟件和保障業(yè)務(wù)軟件，進行一機多用。但北斗導(dǎo)航終端一機多用方式會帶來網(wǎng)絡(luò)路由和指控名錄尋址難等問題，嚴重影響通聯(lián)使用，亟待解決[1-3]。

1傳統(tǒng)通聯(lián)模型

工程、修理、衛(wèi)生和運輸?shù)纫恍┍Ｕ项惼脚_，通常上裝信息終端、超短波電臺和北斗導(dǎo)航等終端。其中，信息終端部署指控軟件和保障業(yè)務(wù)軟件，且通過以太網(wǎng)口連接超短波電臺。保障平臺之間通聯(lián)手段有2種：一是基于超短波電臺無線信道，進行保障分隊內(nèi)部近距離通聯(lián)；二是基于北斗短消息進行互通，實現(xiàn)遠距離通聯(lián)。2種通聯(lián)手段互為冗余備份，有效保證了保障分隊的通聯(lián)需求。保障業(yè)務(wù)軟件通常單裝使用，而指控軟件通常需跨平臺互通。因此，指控軟件既可以通過北斗短消息進行平臺間互通，也可以基于超短波電臺信道進行跨平臺通聯(lián)。指控軟件通過北斗短消息進行平臺間互通，不在本文研究范疇。指控軟件基于超短波電臺信道跨平臺通聯(lián)，模型主要包括網(wǎng)絡(luò)接口層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，如圖1所示。

（1）網(wǎng)絡(luò)接口層

平臺內(nèi)部，信息終端與超短波電臺通過網(wǎng)口連接，基于以太網(wǎng)協(xié)議進行互通。平臺之間，通過超短波電臺無線信道互通。

（2）網(wǎng)絡(luò)層

平臺內(nèi)部，信息終端配置IP地址，默認網(wǎng)關(guān)設(shè)置為超短波電臺IP地址。信息終端和超短波電臺之間基于IP協(xié)議進行網(wǎng)絡(luò)層尋址。平臺之間，通過超短波電臺Ad hoc路由協(xié)議進行網(wǎng)絡(luò)層尋址。

（3）應(yīng)用層

發(fā)送端指控軟件名錄地址設(shè)置為發(fā)送端信息終端IP地址，接收端設(shè)置為接收端信息終端IP地址。指控名錄基于本地信息終端IP地址尋址。

2存在的問題

傳統(tǒng)基于網(wǎng)口終端+超短波電臺的通聯(lián)模型，結(jié)構(gòu)簡單，層次清晰。指控軟件部署在信息終端上，信息終端通過以太網(wǎng)口連接超短波電臺，超短波電臺之間基于無線信道進行組網(wǎng)互聯(lián)，屬于典型的“終端+路由器”組網(wǎng)使用模式，能夠支持平臺間IP報文路由尋址以及上層指控應(yīng)用間名錄尋址[4-6]。

受平臺集成空間緊張、保障人力缺少和建設(shè)經(jīng)費不足等原因影響，運輸車、加油車、急救車等單裝價值較低且配發(fā)數(shù)量較大的保障平臺，為進一步壓縮上裝信息化設(shè)備數(shù)量，通常將信息終端和北斗導(dǎo)航終端合并使用，直接在北斗導(dǎo)航終端上部署指控軟件，進行一機多用。由于北斗導(dǎo)航終端通?；凇笆謾C”原型進行研發(fā)，對外接口通常僅有一個Type-C接口，支持充電和串口數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?，但不支持以太網(wǎng)口。因此，北斗導(dǎo)航終端和超短波電臺之間無法進行網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，進一步導(dǎo)致IP報文路由尋址在北斗導(dǎo)航終端和超短波電臺之間中斷。北斗導(dǎo)航終端串口不支持IP地址配置，進一步導(dǎo)致上層指控應(yīng)用間名錄基于本地IP地址尋址無法進行。需針對運輸車、加油車、急救車等保障平臺通聯(lián)需求，設(shè)計一種基于串口終端+超短波電臺的通聯(lián)模型，用于解決北斗導(dǎo)航終端一機多用的裝車模式通聯(lián)問題。

3串口通聯(lián)模型

串口終端+超短波電臺的通聯(lián)模型面臨的通聯(lián)難點主要在于，基于保障平臺內(nèi)部北斗導(dǎo)航終端與超短波電臺通過串口互聯(lián)的實際情況，解決網(wǎng)絡(luò)層路由尋址和指控名錄尋址的問題。

3.1串口通聯(lián)模型設(shè)計

北斗導(dǎo)航終端一機多用的裝車模式，平臺上裝北斗導(dǎo)航終端和超短波電臺[7]。其中，北斗導(dǎo)航終端部署指控軟件和保障業(yè)務(wù)軟件，并通過串口連接超短波電臺。保障平臺之間通聯(lián)的手段有2種，既可以基于超短波電臺無線信道進行互聯(lián)，也可以基于北斗短消息進行互通，2種手段互為備份。保障業(yè)務(wù)軟件通常單裝使用，指控軟件通常需跨平臺互通。指控軟件既可以通過北斗短消息進行平臺間互通，也可以基于超短波電臺信道進行跨平臺通聯(lián)[8]。本文重點研究解決指控軟件通過超短波電臺信道進行跨平臺問題。

根據(jù)上述使用需求，在傳統(tǒng)網(wǎng)口終端+超短波電臺的通聯(lián)方式基礎(chǔ)上，設(shè)計一機多用的裝車模式下，指控軟件基于串口終端+超短波電臺進行互通，模型如圖2所示[9]。

（1）網(wǎng)絡(luò)接口層

平臺內(nèi)部，北斗導(dǎo)航終端與超短波電臺通過串口連接，基于SLIP協(xié)議進行點對點通信，而不是基于以太網(wǎng)協(xié)議進行互通。平臺之間，通過超短波電臺無線信道互通。

（2）網(wǎng)絡(luò)層

平臺內(nèi)部，由于北斗導(dǎo)航終端與超短波電臺通過串口連接，導(dǎo)致北斗導(dǎo)航終端與超短波電臺之間傳統(tǒng)意義上的IP網(wǎng)絡(luò)處于割裂狀態(tài)，導(dǎo)致IP報文路由尋址在北斗導(dǎo)航終端和超短波電臺之間中斷，因此指控軟件無法基于IP網(wǎng)絡(luò)獲取接收端路由，更無法直接通過網(wǎng)絡(luò)向接收端發(fā)送指控報文。

考慮到兩端超短波電臺之間通過Ad hoc協(xié)議進行互通，具備平臺間基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)通聯(lián)環(huán)境。因此北斗導(dǎo)航終端可以基于SLIP協(xié)議封裝IP報文后，通過串口鏈路，采取握手轉(zhuǎn)發(fā)方式，將其傳輸至發(fā)送端超短波電臺。發(fā)送端超短波電臺通過Ad hoc網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進行尋址，獲取接收端路由后，發(fā)送至接收端超短波電臺。接收端超短波電臺收到IP報文后，基于SLIP協(xié)議封裝IP報文，通過串口鏈路，采取握手轉(zhuǎn)發(fā)方式，再將其傳輸至接收端北斗導(dǎo)航終端，完成網(wǎng)絡(luò)層尋址轉(zhuǎn)發(fā)。

（3）應(yīng)用層

由于北斗導(dǎo)航終端與超短波電臺之間采取握手轉(zhuǎn)發(fā)方式進行數(shù)據(jù)傳輸，指控軟件名錄無法基于串口終端（北斗導(dǎo)航終端）IP地址進行尋址。因此，北斗導(dǎo)航終端部署指控軟件名錄地址不能設(shè)置為北斗導(dǎo)航終端IP地址。

考慮到與北斗導(dǎo)航終端直連的超短波電臺IP地址可以進行尋址轉(zhuǎn)發(fā)，指控軟件名錄地址對應(yīng)IP地址可以設(shè)置為本端超短波電臺IP地址，對端名錄地址對應(yīng)IP地址可以設(shè)置為對端超短波電臺IP地址，指控軟件之間即可基于指控名錄進行報文轉(zhuǎn)發(fā)。

綜上所述，應(yīng)用層指控軟件之間基于指控名錄進行指控報文收發(fā)；網(wǎng)絡(luò)層兩端超短波電臺之間通過Ad hoc進行路由尋址和IP報文轉(zhuǎn)發(fā)；網(wǎng)絡(luò)接口層北斗導(dǎo)航終端通過串口鏈路，采用握手轉(zhuǎn)發(fā)方式，將報文傳輸至超短波電臺，超短波電臺之間基于無線信道實現(xiàn)報文透明傳輸。

3.2串口NAT協(xié)議

串口終端+超短波電臺通聯(lián)的核心在于[10]，在不改變上層指控應(yīng)用使用習(xí)慣的條件下，解決串口終端網(wǎng)絡(luò)路由尋址和指控名錄尋址問題。通過在北斗導(dǎo)航終端（串口終端）與超短波電臺之間，構(gòu)建串口NAT協(xié)議，實現(xiàn)北斗導(dǎo)航終端與超短波電臺之間基于串口鏈路，采用握手轉(zhuǎn)發(fā)方式進行報文傳輸。同時，超短波電臺預(yù)留部分指控報文專用端口資源，并設(shè)置NAT Binding轉(zhuǎn)換，如圖3所示，對報文進行協(xié)議轉(zhuǎn)換，以便于報文在平臺間基于超短波信道進行透明傳輸。

串口NAT協(xié)議設(shè)計，可基于TCP/IP NAT思想，在超短波電臺設(shè)置NAT Binding轉(zhuǎn)換，建立指控軟件業(yè)務(wù)端口與超短波電臺預(yù)留指控報文端口映射關(guān)系，并對IP報文進行IP地址和端口替換，如圖4所示。

串口NAT協(xié)議流程如下：

（1）北斗導(dǎo)航終端與超短波電臺通過串口SLIP協(xié)議，握手識別相互設(shè)備狀態(tài)和基本信息；

（2）發(fā)送端指控軟件查找接收端名錄地址（對應(yīng)IP地址為接收端超短波電臺IP地址），生成指控報文并封裝為IP報文，源IP地址和源端口分別為發(fā)送端北斗導(dǎo)航終端IP地址（無實際意義，僅作為標(biāo)識）和發(fā)送端北斗導(dǎo)航終端指控軟件所使用端口，目的IP地址和目的端口分別為接收端超短波電臺IP地址和接收端北斗導(dǎo)航終端指控軟件所使用端口；

（3）指控軟件調(diào)用系統(tǒng)資源發(fā)送指控報文后，北斗導(dǎo)航終端操作系統(tǒng)截獲報文，直接調(diào)用串口SLIP協(xié)議，采取握手轉(zhuǎn)發(fā)方式，將IP報文傳輸至發(fā)送端超短波電臺；

（4）發(fā)送端超短波電臺收到報文后，查看目的端口為指定指控報文業(yè)務(wù)端口后，依據(jù)NAT Binding轉(zhuǎn)換，對報文進行IP地址和端口替換，源IP地址和源端口分別替換為發(fā)送端電臺IP地址和電臺預(yù)留指控報文端口，目的IP地址保持不變，目的端口替換為電臺預(yù)留指控報文端口；

（5）發(fā)送端超短波電臺將IP報文轉(zhuǎn)換后，通過Ad hoc協(xié)議查找接收端超短波電臺地址，通過無線信道，將報文發(fā)送至接收端超短波電臺；

（6）接收端超短波電臺收到報文后，解封裝出IP報文；

（7）查看IP報文目的端口為電臺指控報文預(yù)留端口后，依據(jù)NAT Binding轉(zhuǎn)換，對報文進行IP地址和端口替換，源IP地址和源端口分別替換為發(fā)送端電臺IP地址和電臺指控報文預(yù)留端口，目的IP地址保持不變，目的端口替換為電臺指控報文預(yù)留端口；

（8）接收端超短波電臺調(diào)用串口SLIP協(xié)議，將IP報文傳輸至接收端北斗導(dǎo)航終端；

（9）接收端北斗導(dǎo)航終端將報文交付指控軟件，指控軟件查找名錄，確認為發(fā)送端名錄地址（對應(yīng)IP地址為發(fā)送端超短波電臺IP地址）。

3.3效能提升

相對于傳統(tǒng)基于網(wǎng)口終端+超短波電臺的通聯(lián)模型，串口終端+超短波電臺的通聯(lián)模型有如下優(yōu)點：

一是可以有效解決保障平臺互通難題。運輸車、加油車、急救車等單裝價值較低且配備數(shù)量較大的保障平臺，將信息終端和北斗導(dǎo)航終端合并使用，直接在北斗導(dǎo)航終端上部署指控軟件。在降低保障經(jīng)費，提高集成化程度的同時，也帶來了網(wǎng)絡(luò)路由和指控名錄尋址難的問題。串口終端+超短波電臺的通聯(lián)模型，可以基于串口NAT協(xié)議，解決保障平臺互通問題。

二是對上層應(yīng)用透明。串口終端+超短波電臺的通聯(lián)模型，可以在不改變上層指控應(yīng)用使用習(xí)慣的條件下，有效解決串口終端網(wǎng)絡(luò)路由尋址和指控名錄尋址難的問題。

三是基于NAT思想，創(chuàng)新性地設(shè)計了串口NAT協(xié)議。由于北斗導(dǎo)航終端，通?；凇笆謾C”模型研發(fā)，對外接口通常僅有一個Type-C接口，支持充電和串口數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?，不支持以太網(wǎng)口。因此，傳統(tǒng)基于網(wǎng)口終端+超短波電臺的通聯(lián)方式，將不再適用。針對運輸車、加油車、急救車等保障平臺通聯(lián)需求，基于串口終端和超短波電臺，在超短波電臺設(shè)置NAT Binding轉(zhuǎn)換，建立指控軟件業(yè)務(wù)端口與超短波電臺預(yù)留指控報文端口映射關(guān)系，并對IP報文進行IP地址和端口替換，解決了保障平臺一機多用的裝車模式通聯(lián)問題。

4結(jié)束語

工程、修理、衛(wèi)生、運輸?shù)纫恍┍Ｕ项惼脚_，受平臺集成空間緊張、保障人力缺少和建設(shè)經(jīng)費不足等原因，為了減少上裝設(shè)備數(shù)量、提高平臺集成化程度，將信息終端和北斗導(dǎo)航終端合并使用，直接在北斗導(dǎo)航終端上部署指控軟件，進行一機多用。針對上述使用需求，本文分析了當(dāng)前“網(wǎng)口終端+超短波電臺”通聯(lián)模型特點和存在問題，在此基礎(chǔ)上提出了一種基于串口終端+超短波電臺的通聯(lián)模型，并創(chuàng)新性地設(shè)計了相應(yīng)串口NAT協(xié)議，可以在不改變上層指控應(yīng)用使用習(xí)慣的條件下，有效解決串口終端基于超短波電臺信道進行通聯(lián)的問題。

參考文獻

[1]王一帆.基于MSP430串口通訊的智能閥門終端顯示系統(tǒng)[J].計算機產(chǎn)品與流通，2019（5）：94.

[2]陳文敏.基于U盤讀取文件機制打開超級終端串口的研究.[J].機電信息，2019（8）：22-23.

[3]郭勇，何軍. STM32單片機多串口通信仿真測試技術(shù)研究[J].無線電工程，2015，45（8）：6-9.

[4]劉杰，臧煒，梁曉鵬，等.一種新型的FPGA實現(xiàn)RS422串口通信方法[J].計算機測量與控制，2017，25（3）：191-194.

[5]李楊，龐觀士.一種串口重定向終端軟件[J].工業(yè)控制計算機，2017，30（8）：37.

[6]張雍忠，郭偉，黃莉，等.單串口全雙工一對多實時通訊遠動設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)研究[J].自動化與儀器儀表，2017（3）：38-40.

[7]龍柄全，王軍民.串口觸摸屏在電法測井?dāng)?shù)值模擬中的應(yīng)用[J].液晶與顯示，2017，32（10）：809-814.

[8]王春媚.多串口并行通信數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2017，40（4）：86-90.

[9]張磊，盧華平，王方超.基于STM32的超短波電臺模擬訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計[J].微型機與應(yīng)用，2017，36（10）：99-101.

[10]李亞軍，蓋世豪，王棟.一種基于PXI的多串口數(shù)據(jù)管理設(shè)備設(shè)計[J].無線電工程，2015，45（5）：8-11.