一种基于串口终端+超短波电台的通联模型设计

李冲霄 王璇

摘要：为了满足运输车、加油车、急救车等配发数量较大且单装价值较低的保障平台北斗导航终端一机多用使用需求，在传统“网口终端+超短波电台”通联模型的基础上，提出了一种基于“串口终端+超短波电台”的通联模型，并进一步设计了相应的串口NAT协议。在不改变上层指控应用使用习惯的条件下，有效解决了串口终端网络路由寻址和指控名录寻址难的问题。

关键词：串口终端；超短波电台；NAT

中图分类号：TN73文献标志码：A文章编号：1008-1739（2022）24-55-5

0引言

在工程、修理、卫生和运输等一些保障类平台上，通常不上装交换设备，而是直接上装信息终端、超短波电台和北斗导航终端等设备，基于信息终端部署指控软件和保障业务软件，基于超短波电台内部协议进行网络通联，基于北斗导航终端进行定位导航。更有甚者，受平台集成空间紧张、保障人力缺少和建设经费不足等原因影响，运输车、加油车、急救车等配发数量较大且单装价值较低的保障平台。为了进一步压缩上装信息化设备数量，通常将信息终端和北斗导航终端合并使用，直接在北斗导航终端上部署指控软件和保障业务软件，进行一机多用。但北斗导航终端一机多用方式会带来网络路由和指控名录寻址难等问题，严重影响通联使用，亟待解决[1-3]。

1传统通联模型

工程、修理、卫生和运输等一些保障类平台，通常上装信息终端、超短波电台和北斗导航等终端。其中，信息终端部署指控软件和保障业务软件，且通过以太网口连接超短波电台。保障平台之间通联手段有2种：一是基于超短波电台无线信道，进行保障分队内部近距离通联；二是基于北斗短消息进行互通，实现远距离通联。2种通联手段互为冗余备份，有效保证了保障分队的通联需求。保障业务软件通常单装使用，而指控软件通常需跨平台互通。因此，指控软件既可以通过北斗短消息进行平台间互通，也可以基于超短波电台信道进行跨平台通联。指控软件通过北斗短消息进行平台间互通，不在本文研究范畴。指控软件基于超短波电台信道跨平台通联，模型主要包括网络接口层、网络层和应用层，如图1所示。

（1）网络接口层

平台内部，信息终端与超短波电台通过网口连接，基于以太网协议进行互通。平台之间，通过超短波电台无线信道互通。

（2）网络层

平台内部，信息终端配置IP地址，默认网关设置为超短波电台IP地址。信息终端和超短波电台之间基于IP协议进行网络层寻址。平台之间，通过超短波电台Ad hoc路由协议进行网络层寻址。

（3）应用层

发送端指控软件名录地址设置为发送端信息终端IP地址，接收端设置为接收端信息终端IP地址。指控名录基于本地信息终端IP地址寻址。

2存在的问题

传统基于网口终端+超短波电台的通联模型，结构简单，层次清晰。指控软件部署在信息终端上，信息终端通过以太网口连接超短波电台，超短波电台之间基于无线信道进行组网互联，属于典型的“终端+路由器”组网使用模式，能够支持平台间IP报文路由寻址以及上层指控应用间名录寻址[4-6]。

受平台集成空间紧张、保障人力缺少和建设经费不足等原因影响，运输车、加油车、急救车等单装价值较低且配发数量较大的保障平台，为进一步压缩上装信息化设备数量，通常将信息终端和北斗导航终端合并使用，直接在北斗导航终端上部署指控软件，进行一机多用。由于北斗导航终端通常基于“手机”原型进行研发，对外接口通常仅有一个Type-C接口，支持充电和串口数据传输等功能，但不支持以太网口。因此，北斗导航终端和超短波电台之间无法进行网络互联，进一步导致IP报文路由寻址在北斗导航终端和超短波电台之间中断。北斗导航终端串口不支持IP地址配置，进一步导致上层指控应用间名录基于本地IP地址寻址无法进行。需针对运输车、加油车、急救车等保障平台通联需求，设计一种基于串口终端+超短波电台的通联模型，用于解决北斗导航终端一机多用的装车模式通联问题。

3串口通联模型

串口终端+超短波电台的通联模型面临的通联难点主要在于，基于保障平台内部北斗导航终端与超短波电台通过串口互联的实际情况，解决网络层路由寻址和指控名录寻址的问题。

3.1串口通联模型设计

北斗导航终端一机多用的装车模式，平台上装北斗导航终端和超短波电台[7]。其中，北斗导航终端部署指控软件和保障业务软件，并通过串口连接超短波电台。保障平台之间通联的手段有2種，既可以基于超短波电台无线信道进行互联，也可以基于北斗短消息进行互通，2种手段互为备份。保障业务软件通常单装使用，指控软件通常需跨平台互通。指控软件既可以通过北斗短消息进行平台间互通，也可以基于超短波电台信道进行跨平台通联[8]。本文重点研究解决指控软件通过超短波电台信道进行跨平台问题。

根据上述使用需求，在传统网口终端+超短波电台的通联方式基础上，设计一机多用的装车模式下，指控软件基于串口终端+超短波电台进行互通，模型如图2所示[9]。

（1）网络接口层

平台内部，北斗导航终端与超短波电台通过串口连接，基于SLIP协议进行点对点通信，而不是基于以太网协议进行互通。平台之间，通过超短波电台无线信道互通。

（2）网络层

平台内部，由于北斗导航终端与超短波电台通过串口连接，导致北斗导航终端与超短波电台之间传统意义上的IP网络处于割裂状态，导致IP报文路由寻址在北斗导航终端和超短波电台之间中断，因此指控软件无法基于IP网络获取接收端路由，更无法直接通过网络向接收端发送指控报文。

考虑到两端超短波电台之间通过Ad hoc协议进行互通，具备平台间基础网络通联环境。因此北斗导航终端可以基于SLIP协议封装IP报文后，通过串口链路，采取握手转发方式，将其传输至发送端超短波电台。发送端超短波电台通过Ad hoc网络协议进行寻址，获取接收端路由后，发送至接收端超短波电台。接收端超短波电台收到IP报文后，基于SLIP协议封装IP报文，通过串口链路，采取握手转发方式，再将其传输至接收端北斗导航终端，完成网络层寻址转发。

（3）应用层

由于北斗导航终端与超短波电台之间采取握手转发方式进行数据传输，指控软件名录无法基于串口终端（北斗导航终端）IP地址进行寻址。因此，北斗导航终端部署指控软件名录地址不能设置为北斗导航终端IP地址。

考虑到与北斗导航终端直连的超短波电台IP地址可以进行寻址转发，指控软件名录地址对应IP地址可以设置为本端超短波电台IP地址，对端名录地址对应IP地址可以设置为对端超短波电台IP地址，指控软件之间即可基于指控名录进行报文转发。

综上所述，应用层指控软件之间基于指控名录进行指控报文收发；网络层两端超短波电台之间通过Ad hoc进行路由寻址和IP报文转发；网络接口层北斗导航终端通过串口链路，采用握手转发方式，将报文传输至超短波电台，超短波电台之间基于无线信道实现报文透明传输。

3.2串口NAT协议

串口终端+超短波电台通联的核心在于[10]，在不改变上层指控应用使用习惯的条件下，解决串口终端网络路由寻址和指控名录寻址问题。通过在北斗导航终端（串口终端）与超短波电台之间，构建串口NAT协议，实现北斗导航终端与超短波电台之间基于串口链路，采用握手转发方式进行报文传输。同时，超短波电台预留部分指控报文专用端口资源，并设置NAT Binding转换，如图3所示，对报文进行协议转换，以便于报文在平台间基于超短波信道进行透明传输。

串口NAT协议设计，可基于TCP/IP NAT思想，在超短波电台设置NAT Binding转换，建立指控软件业务端口与超短波电台预留指控报文端口映射关系，并对IP报文进行IP地址和端口替换，如图4所示。

串口NAT协议流程如下：

（1）北斗导航终端与超短波电台通过串口SLIP协议，握手识别相互设备状态和基本信息；

（2）发送端指控软件查找接收端名录地址（对应IP地址为接收端超短波电台IP地址），生成指控报文并封装为IP报文，源IP地址和源端口分别为发送端北斗导航终端IP地址（无实际意义，仅作为标识）和发送端北斗导航终端指控软件所使用端口，目的IP地址和目的端口分别为接收端超短波电台IP地址和接收端北斗导航终端指控软件所使用端口；

（3）指控软件调用系统资源发送指控报文后，北斗导航终端操作系统截获报文，直接调用串口SLIP协议，采取握手转发方式，将IP报文传输至发送端超短波电台；

（4）发送端超短波电台收到报文后，查看目的端口为指定指控报文业务端口后，依據NAT Binding转换，对报文进行IP地址和端口替换，源IP地址和源端口分别替换为发送端电台IP地址和电台预留指控报文端口，目的IP地址保持不变，目的端口替换为电台预留指控报文端口；

（5）发送端超短波电台将IP报文转换后，通过Ad hoc协议查找接收端超短波电台地址，通过无线信道，将报文发送至接收端超短波电台；

（6）接收端超短波电台收到报文后，解封装出IP报文；

（7）查看IP报文目的端口为电台指控报文预留端口后，依据NAT Binding转换，对报文进行IP地址和端口替换，源IP地址和源端口分别替换为发送端电台IP地址和电台指控报文预留端口，目的IP地址保持不变，目的端口替换为电台指控报文预留端口；

（8）接收端超短波电台调用串口SLIP协议，将IP报文传输至接收端北斗导航终端；

（9）接收端北斗导航终端将报文交付指控软件，指控软件查找名录，确认为发送端名录地址（对应IP地址为发送端超短波电台IP地址）。

3.3效能提升

相对于传统基于网口终端+超短波电台的通联模型，串口终端+超短波电台的通联模型有如下优点：

一是可以有效解决保障平台互通难题。运输车、加油车、急救车等单装价值较低且配备数量较大的保障平台，将信息终端和北斗导航终端合并使用，直接在北斗导航终端上部署指控软件。在降低保障经费，提高集成化程度的同时，也带来了网络路由和指控名录寻址难的问题。串口终端+超短波电台的通联模型，可以基于串口NAT协议，解决保障平台互通问题。

二是对上层应用透明。串口终端+超短波电台的通联模型，可以在不改变上层指控应用使用习惯的条件下，有效解决串口终端网络路由寻址和指控名录寻址难的问题。

三是基于NAT思想，创新性地设计了串口NAT协议。由于北斗导航终端，通常基于“手机”模型研发，对外接口通常仅有一个Type-C接口，支持充电和串口数据传输等功能，不支持以太网口。因此，传统基于网口终端+超短波电台的通联方式，将不再适用。针对运输车、加油车、急救车等保障平台通联需求，基于串口终端和超短波电台，在超短波电台设置NAT Binding转换，建立指控软件业务端口与超短波电台预留指控报文端口映射关系，并对IP报文进行IP地址和端口替换，解决了保障平台一机多用的装车模式通联问题。

4结束语

工程、修理、卫生、运输等一些保障类平台，受平台集成空间紧张、保障人力缺少和建设经费不足等原因，为了减少上装设备数量、提高平台集成化程度，将信息终端和北斗导航终端合并使用，直接在北斗导航终端上部署指控软件，进行一机多用。针对上述使用需求，本文分析了当前“网口终端+超短波电台”通联模型特点和存在问题，在此基础上提出了一种基于串口终端+超短波电台的通联模型，并创新性地设计了相应串口NAT协议，可以在不改变上层指控应用使用习惯的条件下，有效解决串口终端基于超短波电台信道进行通联的问题。

参考文献

[1]王一帆.基于MSP430串口通讯的智能阀门终端显示系统[J].计算机产品与流通，2019（5）：94.

[2]陈文敏.基于U盘读取文件机制打开超级终端串口的研究.[J].机电信息，2019（8）：22-23.

[3]郭勇，何军. STM32单片机多串口通信仿真测试技术研究[J].无线电工程，2015，45（8）：6-9.

[4]刘杰，臧炜，梁晓鹏，等.一种新型的FPGA实现RS422串口通信方法[J].计算机测量与控制，2017，25（3）：191-194.

[5]李杨，庞观士.一种串口重定向终端软件[J].工业控制计算机，2017，30（8）：37.

[6]張雍忠，郭伟，黄莉，等.单串口全双工一对多实时通讯远动设备关键技术研究[J].自动化与仪器仪表，2017（3）：38-40.

[7]龙柄全，王军民.串口触摸屏在电法测井数值模拟中的应用[J].液晶与显示，2017，32（10）：809-814.

[8]王春媚.多串口并行通信数据传输系统设计[J].现代电子技术，2017，40（4）：86-90.

[9]张磊，卢华平，王方超.基于STM32的超短波电台模拟训练系统设计[J].微型机与应用，2017，36（10）：99-101.

[10]李亚军，盖世豪，王栋.一种基于PXI的多串口数据管理设备设计[J].无线电工程，2015，45（5）：8-11.