ระบบเครือข่าย APRS เบื้องต้น

เรียนรู้ระบบเครือข่าย APRS สำหรับผู้เริ่มต้น

Automatic Packet Reporting System (APRS)

 

เกริ่นนำ
      ระบบ APRS ถูกออกแบบไว้สำหรับกลุ่มนักวิทยุสมัครเล่นโดยอาศัยวัสดุอุปกรณ์ในโครงสร้างพื้นฐานเดิมนำมากลับใช้ใหม่ได้ จึงเป็นที่นิยมอย่างแพร่หลายแม้ว่าจะเป็นเทคโนโลยีเก่าก็ตาม ด้วยระบบสื่อสารที่รองรับการใช้งานได้หลากหลายรูปแบบอาทิเช่น ระบบติดตามยานพาหนะ รายงานสภาพอากาศ การแจ้งเตือนภัยพิบัติ การแจ้งตำแหน่งพิกัดจีพีเอส เป็นต้น

คำจำกัดความและความหมาย
      APRS ย่อมาจาก Automatic Packet Report System แปลตามตัวคือ ระบบรายงานข้อมูลอัตโนมัติ  โดยมีความหมายว่า เป็นระบบรับส่งข้อมูลอัตโนมัติในโหมดดิจิตอล ที่มีรูปแบบการสื่อสาร(โปรโตคอล) คือ “APRS Protocol” เปรียบเทียบได้กับภาษาพูด เมื่อใช้ภาษาเดียวกันก็จะสื่อสารกันรู้เรื่อง โปรโตคอล APRS ก็คือภาษาหนึ่งในการจัดวางรูปแบบข้อความที่จะทำให้ระบบต่าง ๆ สื่อได้ตรงกัน และสามารถสื่อสารกันได้หลายทางไม่ได้จำกัดเฉพาะทางใดทางหนึ่งเช่น ทางอินเทอร์เน็ต ทางคลื่นวิทยุ ทางเสียง สื่อบันทึก โทรศัพท์ ฯลฯ โปรโตคอล APRS จะมีหลายรูปแบบหรือหลายชนิดในการรับส่งข้อมูลเช่น รูปแบบแจ้งตำแหน่งพิกัดจีพีเอส รูปแบบข้อมูลตรวจวัดอากาศ รูปแบบข้อความ รูปแบบเดต้าล๊อกเกอร์ รูปแบบข้อความสถานะ เป็นต้น

ประโยชน์ที่ได้รับ
      ช่วยเสริมสร้างการพัฒนาของนักวิทยุสมัครเล่นสู่ยุคดิจิตอล และด้วยคุณลักษณะการใช้งานที่ได้หลากหลายจึงได้ประโยชน์จากการใช้งานตามรูปแบบนั้น ๆ ยกตัวอย่างเช่น ใช้ในรูปแบบแจ้งตำแหน่งพิกัดจีพีเอส(จีพีเอสแทร็กเกอร์) จะได้ประโยชน์ทางด้านประสิทธิภาพการเดินทาง การระบุตำแหน่งปัจจุบันทันด่วน ติดตามการเคลื่อนที่ ตลอดจนถึงการทดสอบประสิทธภาพการรับส่งของสถานีเคลื่อนที่ เป็นต้น  ในรูปแบบข้อมูลตรวจวัดอากาศ จะช่วยให้การเผยแพร่ข้อมูลตรวจอากาศไปยังสมาชิกอื่น ๆ โดยง่ายอย่างอัตโนมัติได้รับข้อมูลทันด่วน ใช้ในการเตือนภัยพิบัติ การเกษตรกรรม การท่องเที่ยว การพยากรณ์อากาศ เป็นต้น อนึ่งการเชื่อมโยงข้อมูลผ่านเครือข่ายในกิจการวิทยุสมัครเล่นที่มิได้มุ่งหวังหาผลประโยชน์ทางการค้าในด้านการให้บริการเครือข่ายหรือรับบริการเครือข่าย จึงมีต้นทุนในการสื่อสารที่ต่ำหรือฟรีนั่นเอง

เนื้อหารายละเอียด
      ในระบบ APRS นั้นมีการเชื่อมโยงได้หลากหลายรูปแบบ ขึ้นอยู่กับระบบสื่อสารและอุปกรณ์ที่นำมาใช้ในระบบ แต่โดยส่วนใหญ่แล้วจะสื่อสารผ่านคลื่นวิทยุ และอินเทอร์เน็ตเป็นหลัก สามารถยกตัวอย่างการสื่อสารได้ดังต่อไปนี้

      การรับส่งข้อมูลผ่านคลื่นวิทยุ จะดำเนินการได้โดยสร้างข้อมูลจากแหล่งต่าง ๆ ให้อยู่ในรูปโปรโตคอล APRS แล้วส่งข้อมูลนั้นให้ TNC ทำหน้าที่แปลงข้อมูลดิจตอลให้เป็นสัญญาณเสียง(แพ็คเก็จเรดิโอ) ณจึงส่งเข้าวิทยุรับส่งเพื่อส่งสัญญา คลื่นวิทยุออกอากาศ เมื่ออีกฝั่งหนึ่งได้รับคลื่นสัญญาณจะส่งสัญญาณเสียง(แพ็คเก็จเรดิโอ)  ให้กับ  TNC เพื่อถอดสัญญาณเสียงเป็นข้อมูลดิจิตอลกลับไปยังผู้รับในรูปแบบโปรโตคอล APRS แต่เนื่องด้วยการรับส่งสัญญาณผ่านคลื่นวิทยุจะมีข้อจำกัดในระยะทาง ดังนั้นจึงมีสถานีทวนสัญญาณเพิ่มขึ้นระหว่างทางเพื่อให้ทวนสัญญาณได้ไกลขึ้น เมื่อใช้ในระบบรับส่งแพ็คเก็จข้อมูลแล้วเราสามารถกลั่นกรองข้อมูลนั้นได้ จึงได้เพิ่มคำว่า “ดิจิตอล” เข้าไปนำหน้า จึงได้เป็น Digital Repeater หรือเรียกกันสั้น ๆ ว่า (ดิจิ)Digi, (ดิจิพีทเตอร์)DigiPeater แสดงได้ดังผังประกอบคำอธิบาย

       การรับส่งข้อมูลผ่านเครือข่ายอินเทอร์เน็ต จะดำเนินการได้โดยสร้างข้อมูลจากแหล่งต่าง ๆ ให้อยู่ในรูปโปรโตคอล APRS แล้วส่งข้อมูลนั้นไปยังเซิร์ฟเวอร์บริการเครือข่าย APRS-IS ส่วนสถานีอื่น ๆ ที่เชื่อมต่อกับแกนเซิร์ฟเวอร์หลักก็จะได้รับข้อมูลกลับมาด้วยเช่นกัน ซึ่งจะอยู่ในรูปแบบของ TNC2 Monitor โดยแม่ข่ายเซิร์ฟเวอร์หลักจะมีหลายตัวเพื่อสำรองระบบและกระจายข้อมูลสู่ผู้ใช้งานทั่วโลก

       ในการใช้งานจริงนั้น อุปกรณ์หลายตัวสามารถทำหน้าที่ได้หลายหน้าที่ในตัวเดียวกัน  อีกทั้งอาจทำงานอยู่ในรูปฮาร์ดแวร์หรือซอฟร์แวร์ก็ได้เช่น TNC อาจเป็นไอซีตัวหนึ่ง หรือใช้ซาวน์การ์ดคอมพิวเตอร์แล้วใช้ซีพียูประมวลผลด้วยซอฟร์แวร์ ก็ได้

       การรับส่งข้อมูลแบบผสมผสาน ระหว่างเครือข่ายวิทยุไปยังอินเทอร์เน็ตหรือในทางกลับกัน จากผังแสดงระบบ เมื่อรับสัญญาณจากคลื่นวิทยุด้วยวิทยุรับส่งแล้วส่งให้ TNC ทำการแปลงสัญญาณข้อมูล(แพ็คเก็จเรดิโอ)ให้เป็นข้อมูลโปรโตคอล APRS ส่งให้ Internet Gateway(IGate) ที่ทำหน้าที่เป็นตัวกลางส่งผ่านข้อมูลไปยังเครือข่ายอินเทอร์เน็ตเข้าสู่เครือข่ายเซิร์ฟเวอร์ APRS-IS ต่อไป เส้นทางนี้เราเรียกว่า “RF TO INET” ในทางกลับกัน ข้อมูลจากเครือข่ายกลาง APRS-IS ก็จะส่งผ่านเครือข่ายอินเทอร์เน็ตมายัง IGate แล้วถูกคัดกรองส่งไปยัง TNC แปลงข้อมูลโปรโตคอล APRS ให้เป็นสัญญาณเสียงส่งให้วิทยุรับส่งทำหน้าที่ส่งสัญญาณออกอากาศไปยังผู้รับต่อไป เส้นทางนี้เราเรียกว่า “INET TO RF“

       การใช้งานสถานีแทร็กเกอร์ จากตัว GPS Receiver ทำหน้าที่รับสัญญาณ GPS จากดาวเทียมส่งข้อมูล GPS ในรูปแบบโปรโตคอล NMEA ไปให้ตัว TRACKER ซึ่งอุปกรณ์ตัวนี้จะมีสองส่วนอยู่ในตัวเดียวกันคือ ส่วนที่ทำหน้าที่ Tracking จะนำข้อมูลโปรโตคอล NMEA ของ GPS มาประมวลผลแล้วจัดให้อยู่ในรูปของโปรโตคอล APRS จากนั้นก็จะทำการแปลงข้อมูล APRS เป็นสัญญาณเสียงในส่วนของ TNC แล้วส่งเข้าวิทยุรับส่งเพื่อส่งสัญญาณออกอากาศต่อไป

      สถานีตรวจวัดอากาศอัตโนมัติ (WX) จากตัวสถานีตรวจวัดอากาศที่มีเซ็นเซอร์คอยตรวจวัดสภาพอากาศโดยมีดาต้าล๊อกเกอร์ทำหน้าที่แปลงข้อมูลให้อยู่ในรูปมาตรวัด แล้วส่งไปให้ WX-Gateway จะทำหน้าที่จัดเรียงข้อมูลให้อยู่ในรูปโปรโตคอล APRS จากนั้นก็จะทำการแปลงข้อมูลเป็นสัญญาณเสียงที่ TNC แล้วส่งเข้าวิทยุรับส่งเพื่อส่งสัญญาณออกอากาศต่อไป

      ข้อมูลทั้งหมดนั้นเราจะเรียกว่าแพ็คเก็จเรดิโอ ในหนึ่งเฟรมข้อมูลนั้น จะประกอบด้วยโปรโตคอล APRS, AX.25, HDLC และเข้ารหัสสัญญาณด้วย NRZI ถึงจะนำบิทข้อมูลไปสร้างความถี่เสียง AFSK หรือในทางกลับกัน ตามลำดับ เพื่อให้ง่ายต่อความเข้าใจโปรโตคอลจึงใช้รูปแบบ TNC2 Monitor เป็นหลัก และให้มองมันเป็นเพียงรูปแบบข้อความ จะทำให้เข้าใจได้ง่ายขึ้น ซึ่งจะถูกจัดอยู่ในรูป

:
ตัวอย่างเช่น  >,,:TEST STATUS

      จากรูปแบบข้างต้นจะเห็นว่า เราจะแบ่งออกเป็น 2 ส่วนง่าย ๆ คือส่วนหัวจากโปรโตคอล AX.25 และส่วนของข้อมูลโปรโตคอล APRS ที่จะถูกคั่นด้วยตัวอักษร “:” ในส่วนหัวสถานีต้นทางกับปลายทางจะถูกคั่นด้วยเครื่องหมาย “>” และตามด้วยเครื่องหมาย “,” เพื่อระบุเส้นทางหรือข้อกำหนดแพ็คเก็จ ในส่วนข้อมูลโปรโตคอล APRS ตัวอักษรแรกจะใช้ระบุชนิดรูปแบบของข้อมูล ต่อจากนั้นจะเป็นข้อมูลตามรูปแบบโปรโตคอล APRS ที่กำหนดไว้ โดยแต่ละส่วนอธิบายโดยได้ดังนี้
      SOURCE คือ นามเรียกขานต้นทาง มีได้ไม่เกิน 6ตัวอักษร อาจตามด้วย SSID ได้ 0-15 เพื่อระบุสถานะการใช้งานของสถานี (ให้ดูจากตารางข้อกำหนดใช้งาน SSID ประกอบ)
      DEST คือ นามเรียกขานปลายทาง มีได้ไม่เกิน 6ตัวอักษร อาจตามด้วย SSID ได้ 0-15 ส่วนใหญ่จะไม่ถูกใช้ แต่คงมีการใช้งานจาก MIC-E ที่จะใช้ส่วนนี้เป็นส่วนหนึ่งการบีบอัดข้อมูล และในส่วน SSID ของปลายทางนี้ จะมีไว้สำหรับระบุเส้นทาง เช่น HS5TQA>APRSTH-1 จะใช้เส้นทางเป็น WIDE1-1  (ไม่ต้องกำหนด WIDE1-1 ใน PATH)
      PATH คือ เส้นทางที่ข้อมูลจะถูกส่งออกไป หรือเป็นข้อกำหนดการส่งข้อมูล มีได้ไม่เกิน 8 ชื่อ ขนาดไม่เกิน 6 ตัวอักษร เช่น RELAY, TCPIP, IGATE, RFONLY, WIDE, TRACE, qAx เป็นต้น
      APRS DATA คือส่วนของข้อมูลโปรโตคอล APRS ซึ่งจะมีการจัดรูปแบบตามการใช้งานในด้านต่าง ๆ โดยให้อ่านจากคู่มือ APRS เป็นตัวอ้างอิงประกอบ ยกตัวอย่างได้ดังนี้

ตัวอย่าง โดยสถานี >HS5TQA APNN01WIDE1-1TEST STATUS

ตัวอย่าง โดย! ชี้ตารางสัญลักษณ์ เป็นอักษรชี้ในตาราง 
>,:!N10024.34 >A=000066

ตัวอย่าง กำหนดพิกัดจีพีเอสแล้วตามด้วยข้อมูลตรวจวัดอากาศ
>,:1342.24N/10020.77E_022/000g000t080p246h87b10110