一種內河船舶監控通信系統的設計與實施

2011-02-09 01:57:08余明艷王貴恩支和才

制造業自動化 2011年4期

余明艷，王貴恩，支和才

（廣東交通職業技術學院，廣州 510800）

0 引言

目前我國內河航運信息化管理的程度不高，內河航運企業對運營船舶的監管通過船載移動電話進行信息交流，不利于航運高效管理，且通信成本較高。同時，內河航運安全的監控大多還處于人工操作階段，即在航道上設置若干助航標志，主要依靠船舶駕駛人員的經驗來保障航行的安全性，駕駛人員的勞動強度很大，存在較大的安全隱患。因此，隨著內河航行作業的船舶數量和運輸量大幅度上升，產生了諸如船只動態數據管理、水上安全監控與保障、緊急事故處理、水上油品、化學品和危險品的污染監測、防治處理等一系列問題。目前這些系列問題主要依靠航道管理部門人員的人工監管來實現，管理效率低下，容易造成監管不到位的情況。

圖1 內河船舶監控通信系統拓樸圖

一種內河船舶通信監控系統，包括GPS衛星、監控中心、中轉基站服務器、安裝在船舶上的船載遠程終端，其系統的拓樸結構如圖1所示。船載遠程終端接收GPS衛星的發送信號，確定船舶的實時地理位置，通過中轉基站將信息發送到處于岸基的監控中心，由監控中心的通信子系統、監控子系統、GIS子系統等進行一系列協同數據傳送、分析、處理后向船載遠程終端發出預警信息，示意船舶正處于危險區域，提醒船員做好防范工作，確保安全通過危險區域。該系統實現了對內河船舶的航行路線、航行速度、內部系統、到港時間等進行實時監控管理，有效解決了船舶駕駛過程中船舶故障預警、船舶航線安全預警等一系列難點問題，進一步提高了內河船舶航行的安全性。

1 嵌入式船載遠程終端的設計與實現

1.1 嵌入式船載遠程終端的硬件設計

針對內河船舶通信管理的實際[8]，為了將內河船舶的位置、航向以及警報等信息實時地傳送到監控計算機[4]，設計開發了基于GPS/GPRS技術、嵌入式系統和現代控制技術的船載遠程終端，船載遠程終端硬件設計圖如圖2所示。船位和預警信息經過處理器，由移動通信網絡發送到監控中心，監控計算機從串行端口讀出數據進行地圖匹配和顯示。監控中心的管理和調度信息通過移動通信網絡以短信息（SMS）的形式發送到遠程終端，并在液晶屏上顯示。該系統的硬件設計主要包括ARM微處理器、GPRS模塊、GPS模塊、數據采集模塊、現場調試模塊、鍵盤、顯示器、報警器、執行器等部分。

圖2 船載遠程終端硬件設計圖

1.1.1 ARM微處理器

本系統采用W77E58微處理器，其內部包含32KB的E2PROM和1KB的SRAM，可以省去外部擴展存儲器。具有2個增強型串口和1個調試接口，12級中斷和3個16位定時/計數器，外部數據訪問周期可編程，因而完全滿足本系統的要求。

本系統集成了SIEMENS公司的MC35i模塊作為GPRS解決方案，該模塊支持EGSM900和GSM1800雙頻；支持數字、語音、短消息和傳真；數據交換最高速率為9.6kbps；支持電壓范圍從5V至24V，低功耗；采用工業接口GSM Phase2/2+標準，內部包含針對GPRS/CDMA的PPP-TCP/IP協議棧。集成了標準的RS232接口以及SIM卡，可以由微處理器用AT命令通過串口進行設置。因而采用MC35i模塊與本系統的串行端口相連接，使硬件部分簡單實用，遠程通信的開發主要集中在軟件方面。

1.1.2 GPRS模塊

GPRS模塊具體采用MC35i模塊作為GPRS解決方案，支持EGSM900和GSM1800雙頻；支持數字、語音、短消息和傳真；數據交換最高速率為9.6kbps；支持電壓范圍從5V至24V，低功耗；采用工業接口GSM Phase2/2+標準，內部包含針對GPRS/CDMA的PPP-TCP/IP協議棧。集成了標準的RS232接口以及SIM卡，可以由微處理器用AT命令通過串口進行設置。因而采用MC35i模塊與本系統的串行端口相連接，使硬件部分簡單實用。

1.1.3 GPS模塊

GPS模塊具體為GPS15模塊，為并行12通道GPS接收機，可同時跟蹤12顆衛星、定位精度高、功耗低。結構緊湊、易于應用、接收機信息可方便的顯示于顯示單元或PC機上。全屏蔽封裝、具備優秀抗電磁干擾特性。用戶無需初始化，安裝完畢接收機即可自動傳送導航數據。3.3V供電電壓。該模塊單點定位精度小于15m，導航速度精度小于0.05m/s，串口波特率4800bps~9600bps，定位數據輸出更新率1Hz。

船舶GPS定位采用GARMIN公司的GPS15模塊，為并行12通道GPS接收機，可同時跟蹤12顆衛星、定位精度高、功耗低。結構緊湊、易于應用、接收機信息可方便的顯示于顯示單元或PC機上。全屏蔽封裝、具備優秀抗電磁干擾特性。用戶無需初始化，安裝完畢接收機即可自動傳送導航數據。3.3V供電電壓。該模塊單點定位精度小于15m，導航速度精度小于0.05m/s，串口波特率4800bps~9600bps，定位數據輸出更新率1Hz。

1.1.4 數據采集模塊信號采集端口

數據采集模塊預留8個通用I/O口，其中輸入端口4位，輸出端口4位，可作為船舶報警信息輸入量和警報信號輸出量與處理器的接口。

1.1.5 液晶顯示器

顯示器每屏最多可顯示32個漢字字符和128個英文或數字字符。顯示內容分為初始化、船舶位置信息、時間信息和短信息等四個頁面，可通過專用按鍵進行翻頁操作。其中，船舶位置信息頁面可顯示當前船舶的經度、緯度、航速和航向，時間信息顯示當前北京時間和公歷年、月、日等。若收到來自監控中心4的短信息，頁面會有提示，可通過專用按鍵操作顯示。

1.1.6 鍵盤

鍵盤包括復位、翻頁、上翻、下翻、發送5個按鍵。復位按鍵用于船載遠程終端的熱啟動，可使系統復位重新運行；翻頁按鍵與上翻、下翻按鍵配合使用，用于切換查看液晶顯示主界面、日期時間界面和短信息界面；發送按鍵用于切換自動發送/停止自動發送定位信息功能，每按下一次則切換自動發送/停止自動發送；報警按鍵對應3個級別的警報發送，按下相應按鍵則發送相關級別的警報信息。

1.1.7 現場調試模塊

現場調試模塊方便用戶以后對船載遠程終端2進行部分參數更改，以適應不同時候不同環境的系統需求。

圖3 主程序流程圖

1.2 船載遠程終端的程序設計

在船位推算方法輔助GPS進行船舶定位的基礎上[5][6]，設計了遠程終端的微處理器程序，共分為初始化、GPS定位信息接收、GPRS通信信息的發送和接收[2]、顯示控制、按鍵處理、定位信息處理和推算等幾個功能模塊，主程序流程如圖3所示。

GPRS的發送和接收控制采用串行中斷方式，通過AT指令進行短信息操作3，如設置短信格式為 AT+CMGF，設置短信存儲載體為 AT+CPMS，設置短信接收提示方式為AT+CNMI，發送短信為AT+CMGS，顯示短信為AT+CMGL。短信息發送采用PDU（用戶分組數據單元）格式，用戶數據最長可用到140字節。

為了提高數據傳輸的加密和解密功能，監控中心發送英文和數字則短信息前加“*”，如“*AAA123或*321Aa”，而發送中文則信息前加“**”，并轉換為GB2312碼，如發送“有臺風”信息則應轉換為“**D3D0CCA8B7E7”。

按照信息功能和類別，遠程終端發送的信息分為三種情況，即定位信息、報警信息和查位信息。

1.2.1 船舶定位信息

在終端系統處于自動發送狀態時（發送指示燈亮），終端以短信息方式向監控中心自動發送船位等GPS信息，格式如下：

“$GPRMC,004004,A,2301.0039,N,11320.3514,E,,,010110,2.0,W*