基于MSP430F133 嵌入式微處理器的分布式多傳感器探測節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

由于電磁波是沿直線傳播的，受地球曲率的限制以及山地的影響，使雷達(dá)探測產(chǎn)生盲區(qū)， 看不到低空與超低空飛行的目標(biāo)，所以低空目標(biāo)給雷達(dá)探測帶來困難與威脅。為了及早地發(fā) 現(xiàn)和探測中、低空，特別是超低空高速入侵的*、武裝直升機(jī)等，就要解決遠(yuǎn)程探測 目標(biāo)的問題。目前主要采用發(fā)展低空補(bǔ)盲雷達(dá)、采用升空平臺監(jiān)視雷達(dá)系統(tǒng)（如空中預(yù)警機(jī) 系統(tǒng)、系留氣球載雷達(dá)系統(tǒng)、飛艇載雷達(dá)監(jiān)視系統(tǒng)等）、改進(jìn)和提高雷達(dá)的低空探測性能等 幾種措施，提高雷達(dá)對空、對海警戒的作用距離［1］。這些措施有效地提高雷達(dá)對空、對海警 戒的作用距離，但造成了防御成本的大規(guī)模增加、雷達(dá)載體目標(biāo)暴露易遭受對方的攻擊等， 同時(shí)仍然存在著探測盲區(qū)，使安全防御系統(tǒng)存在一定的隱患。

針對以上問題，本文提出利用 MSP430F133 嵌入式微處理器設(shè)計(jì)出一種分布式多傳感 器探測節(jié)點(diǎn)，可隨機(jī)地分散地設(shè)置在雷達(dá)系統(tǒng)探測的盲區(qū)，利用GPS 系統(tǒng)授時(shí)和定位、利 用多傳感器提供觀測數(shù)據(jù)、利用GPRS 網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行多傳感器信息融合，實(shí)時(shí)進(jìn)行目標(biāo)發(fā)現(xiàn)、優(yōu)化綜合處理，獲取狀態(tài)估計(jì)、目標(biāo)屬性、行為意圖、態(tài)勢評估、威脅分析和輔助決 策等，可彌補(bǔ)雷達(dá)防御系統(tǒng)存在的不足之處，杜絕安全防御系統(tǒng)存在的隱患［2-4］。

分布式多傳感器信息融合系統(tǒng)總體框架

整個(gè)分布式多傳感器信息融合系統(tǒng)由若干個(gè)不規(guī)則分布的多傳感器探測節(jié)點(diǎn)、 INTERNET 網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)控中心服務(wù)器、交換機(jī)、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、多傳感器信息 融合終端和探測節(jié)點(diǎn)控制終端等組成，其總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

當(dāng)探測目標(biāo)進(jìn)入到多傳感器探測節(jié)點(diǎn)所能夠探測到的區(qū)域內(nèi)，探測節(jié)點(diǎn)通過通信模塊 （GPRS 模塊）把傳送數(shù)據(jù)分組，無線傳送到GPRS 網(wǎng)絡(luò)，再經(jīng)INTERNET 網(wǎng)把數(shù)據(jù)傳送 到監(jiān)控中心服務(wù)器上。

監(jiān)控中心服務(wù)器實(shí)時(shí)接收各探測節(jié)點(diǎn)傳遞過來得信息，并通過交換機(jī)與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、 應(yīng)用服務(wù)器、多傳感器信息融合終端和探測節(jié)點(diǎn)控制終端進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

信息融合終端對監(jiān)控中心服務(wù)器收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并通過其它服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換 實(shí)現(xiàn)信息融合，實(shí)時(shí)進(jìn)行目標(biāo)發(fā)現(xiàn)、優(yōu)化綜合處理，來獲取狀態(tài)估計(jì)、目標(biāo)屬性、行為意圖、 態(tài)勢*估、威脅分析和輔助決策等。

探測節(jié)點(diǎn)控制終端傳送各種指令到各探測節(jié)點(diǎn)，監(jiān)測各探測節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行狀況，并對各探 測節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

布式傳感器探測節(jié)點(diǎn)硬件部分主要由通信模塊（GPRS 模塊）、GPS 模塊、存儲模塊、 電源模塊、時(shí)鐘模塊、復(fù)位模塊、各種傳感器和嵌入式微處理器組成，其硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

微處理器選擇德州儀器公司生產(chǎn)的 16 位單片機(jī)MSP430F133，芯片處理能力強(qiáng)、運(yùn)行 速度快，采用了JTAG 技術(shù)、FLASH 在線可編程等先進(jìn)技術(shù)。其片上資源豐富，含有8KB FLASH 存儲器，并含有UART 接口，可用于異步或同步通信，同時(shí)還可通過Timer-A 軟件實(shí) 現(xiàn)串行通信。

通信模塊即 GPRS 模塊，采用索愛公司生產(chǎn)的GR47，該模塊內(nèi)嵌TCP/IP 協(xié)議，支持SMS、GPRS、CSD 等傳輸方式，并提供SIM 卡接口和三路串行數(shù)據(jù)通信接口（UART1、 UART2 和UART3）。模塊支持AT 命令集，有命令狀態(tài)和在線狀態(tài)兩種工作狀態(tài)，處于命令 狀態(tài)時(shí)，模塊接收MCU 通過串口發(fā)送的指令;處于在線狀態(tài)，即數(shù)據(jù)模式時(shí)，可進(jìn)行數(shù)據(jù) 傳輸，此時(shí)不響應(yīng)命令，直接傳送所接收到的數(shù)據(jù)。該模塊體積小，開發(fā)簡便，內(nèi)嵌TCP/IP 協(xié)議棧，使用戶不用自己開發(fā)復(fù)雜的TCP/IP 協(xié)議棧軟件，大大降低了開發(fā)難度，也最大程 度上縮短了產(chǎn)品的研發(fā)周期。該模塊需要一張開通GPRS 業(yè)務(wù)的SIM 卡，和它配套使用。

存儲模塊采用 24C256 存儲器，保存一些重要的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)在系統(tǒng)掉電后是不能丟 失的。主要存儲探測中心IP 和端口號、口令、采集數(shù)據(jù)等。 電源模塊是采用太陽能電池并加以備用的鋰電池，電源部分通過加一些必要的濾波及電 壓轉(zhuǎn)化電路，來最終輸出24V、12V 和5V 的3 組直流電，供各個(gè)傳感器和微處理器等部件 使用。

GPS 模塊利用GPS 系統(tǒng)對分布的多傳感器探測節(jié)點(diǎn)進(jìn)行授時(shí)和定位，在確定各探測節(jié) 點(diǎn)準(zhǔn)確位置的同時(shí)，保證各探測節(jié)點(diǎn)的時(shí)間的高度一致。

傳感器部分根據(jù)不同的應(yīng)用環(huán)境分別動(dòng)態(tài)地設(shè)置相應(yīng)的傳感器，高可靠性地完成目標(biāo)的 探測、發(fā)現(xiàn)、識別、定位及圖像拍攝等。隨著反偵察技術(shù)的發(fā)展，單一的傳感器探測很難有 效地探測到目標(biāo)，必須使用多傳感器進(jìn)行探測。在幾百米以下的超低空領(lǐng)域，通過紅外傳感 器、聲傳感器、震動(dòng)傳感器等基本可以有效地探測和識別進(jìn)入該區(qū)域的目標(biāo)，通過紅外熱像 儀等攝取圖像，以便更準(zhǔn)確地判斷目標(biāo)，更好地進(jìn)行信息融合。

分布式多傳感器探測節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

軟件部分主要由多傳感器數(shù)據(jù)采集和GPRS 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信兩部分組成。多傳感器探測數(shù) 據(jù)采集及處理部分實(shí)時(shí)探測和識別該區(qū)域的目標(biāo)信息，經(jīng)過微處理器轉(zhuǎn)化成相關(guān)傳送數(shù)據(jù); GPRS 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信部分實(shí)時(shí)通過GPRS 與監(jiān)控中心服務(wù)器進(jìn)行通信。

4.1 多傳感器探測數(shù)據(jù)采集及處理

多傳感器探測數(shù)據(jù)采集是指在探測節(jié)點(diǎn)運(yùn)行的一個(gè)采集周期內(nèi)，紅外傳感器、聲傳感器、 震動(dòng)傳感器等輸出的AD 轉(zhuǎn)換值。微處理器對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，如果發(fā)現(xiàn)可疑的目標(biāo) 信息，啟動(dòng)紅外熱像儀攝取目標(biāo)圖像，隨后將采集的所有參量及圖像數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控中心服 務(wù)器。

在數(shù)據(jù)傳送過程中，由于各項(xiàng)參量數(shù)據(jù)不是獨(dú)立傳送的，所以首先要采用TLV（標(biāo)識、 長度、數(shù)據(jù)）的格式對所有的數(shù)據(jù)按順序進(jìn)行編碼打包。然后，再以固定的長度對打包好的 數(shù)據(jù)進(jìn)行分塊，分塊的目的是保證每次送入網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)長度適中，易于網(wǎng)絡(luò)傳輸。之后再調(diào) 用數(shù)據(jù)傳輸子程序把每塊數(shù)據(jù)順序發(fā)送出去。

在數(shù)據(jù)傳輸子程序中，原始數(shù)據(jù)塊依次由應(yīng)用層數(shù)據(jù)傳送命令報(bào)文、傳輸層 UDP 包、 網(wǎng)絡(luò)層IP 包和鏈路層PPP 幀報(bào)文進(jìn)行封裝，然后送入GPRS 模塊，發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中。傳輸層采用了UDP（用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議） 協(xié)議，該協(xié)議是一種面向無連接的傳輸協(xié)議，其本身沒有應(yīng) 答機(jī)制和命令重發(fā)機(jī)制，屬于小的、節(jié)約資源的傳輸層協(xié)議， 傳輸速度快。而我們在應(yīng)用層采用了應(yīng)答和重發(fā)機(jī)制，所以 可以確保數(shù)據(jù)被收到。網(wǎng)絡(luò)層則采用IP 協(xié)議，IP 頭里包含 了本機(jī)IP 地址和監(jiān)測中心IP 地址，指出了數(shù)據(jù)的傳送路徑。

4.2 GPRS 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信

使用GPRS 模塊上網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，一般具有三種方式， 一是采用公網(wǎng)靜態(tài)IP，連接操作較簡單，具有較高的可靠性 和穩(wěn)定性，但是靜態(tài)IP 的申請和使用需要較高的費(fèi)用;二 是采用動(dòng)態(tài)IP 結(jié)合DNS 域名解析的方式，每次上線的IP 可能不同，但可以通過DNS 動(dòng)態(tài)域名解析在終端與后臺之 間建立關(guān)聯(lián);三是采用APN 專線接入方式，通過申請APN 專線接入GPRS 網(wǎng)絡(luò)，然后給每個(gè)模塊分配固定IP，組成一 個(gè)私有廣域網(wǎng)，這種方式也需要較高的費(fèi)用。

本系統(tǒng)采用了第二種方式獲得本身 IP，而后臺監(jiān)控中心 服務(wù)器的IP 是固定的。采用GPRS 模塊上網(wǎng)時(shí)，GPRS 模塊 首先完成撥號登陸，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)IP 方式 上網(wǎng)通信的處理流程如圖3 所示。

結(jié)束語

本文創(chuàng)新點(diǎn)是：利用GPRS 網(wǎng)絡(luò)作為遠(yuǎn)程無線數(shù)據(jù)通信平臺，可充分發(fā)揮通用無線分組 業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)勢，把遠(yuǎn)程分布的多傳感器探測節(jié)點(diǎn)所探測到的信息實(shí)時(shí)、有效地匯集在 一起，實(shí)現(xiàn)了超遠(yuǎn)距離的信息融合，可實(shí)時(shí)進(jìn)行目標(biāo)發(fā)現(xiàn)、優(yōu)化綜合處理，獲取狀態(tài)估計(jì)、 目標(biāo)屬性、行為意圖、態(tài)勢*估、威脅分析和輔助決策等。

本項(xiàng)目具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，可非常方便地布控于雷達(dá)防御系統(tǒng)的盲區(qū)，對 低空和超低空飛行的*、武裝直升機(jī)等雷達(dá)防御系統(tǒng)難以發(fā)現(xiàn)和跟蹤的目標(biāo)進(jìn)行中、 遠(yuǎn)距離的預(yù)警，可彌補(bǔ)雷達(dá)防御系統(tǒng)存在的不足之處，杜絕雷達(dá)安全防御系統(tǒng)存在的隱患。 同時(shí)，也可廣泛應(yīng)用于邊防哨卡、核電站、石油開采等重要的軍事部門和民用部門的安全防 范及國家嚴(yán)禁開采的重要的礦山資源和森林資源的濫采、濫盜和濫伐等，預(yù)期經(jīng)濟(jì)效益1000 萬元人民幣以上。

編輯：hfy