一種內(nèi)河船舶監(jiān)控通信系統(tǒng)的設(shè)計與實施

2011-02-09 01:57:08余明艷王貴恩支和才

制造業(yè)自動化 2011年4期

關(guān)鍵詞：船舶信息

余明艷，王貴恩，支和才

（廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣州 510800）

0 引言

目前我國內(nèi)河航運信息化管理的程度不高，內(nèi)河航運企業(yè)對運營船舶的監(jiān)管通過船載移動電話進(jìn)行信息交流，不利于航運高效管理，且通信成本較高。同時，內(nèi)河航運安全的監(jiān)控大多還處于人工操作階段，即在航道上設(shè)置若干助航標(biāo)志，主要依靠船舶駕駛?cè)藛T的經(jīng)驗來保障航行的安全性，駕駛?cè)藛T的勞動強(qiáng)度很大，存在較大的安全隱患。因此，隨著內(nèi)河航行作業(yè)的船舶數(shù)量和運輸量大幅度上升，產(chǎn)生了諸如船只動態(tài)數(shù)據(jù)管理、水上安全監(jiān)控與保障、緊急事故處理、水上油品、化學(xué)品和危險品的污染監(jiān)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(jiān)管來實現(xiàn)，管理效率低下，容易造成監(jiān)管不到位的情況。

圖1 內(nèi)河船舶監(jiān)控通信系統(tǒng)拓樸圖

一種內(nèi)河船舶通信監(jiān)控系統(tǒng)，包括GPS衛(wèi)星、監(jiān)控中心、中轉(zhuǎn)基站服務(wù)器、安裝在船舶上的船載遠(yuǎn)程終端，其系統(tǒng)的拓樸結(jié)構(gòu)如圖1所示。船載遠(yuǎn)程終端接收GPS衛(wèi)星的發(fā)送信號，確定船舶的實時地理位置，通過中轉(zhuǎn)基站將信息發(fā)送到處于岸基的監(jiān)控中心，由監(jiān)控中心的通信子系統(tǒng)、監(jiān)控子系統(tǒng)、GIS子系統(tǒng)等進(jìn)行一系列協(xié)同數(shù)據(jù)傳送、分析、處理后向船載遠(yuǎn)程終端發(fā)出預(yù)警信息，示意船舶正處于危險區(qū)域，提醒船員做好防范工作，確保安全通過危險區(qū)域。該系統(tǒng)實現(xiàn)了對內(nèi)河船舶的航行路線、航行速度、內(nèi)部系統(tǒng)、到港時間等進(jìn)行實時監(jiān)控管理，有效解決了船舶駕駛過程中船舶故障預(yù)警、船舶航線安全預(yù)警等一系列難點問題，進(jìn)一步提高了內(nèi)河船舶航行的安全性。

1 嵌入式船載遠(yuǎn)程終端的設(shè)計與實現(xiàn)

1.1 嵌入式船載遠(yuǎn)程終端的硬件設(shè)計

針對內(nèi)河船舶通信管理的實際[8]，為了將內(nèi)河船舶的位置、航向以及警報等信息實時地傳送到監(jiān)控計算機(jī)[4]，設(shè)計開發(fā)了基于GPS/GPRS技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)和現(xiàn)代控制技術(shù)的船載遠(yuǎn)程終端，船載遠(yuǎn)程終端硬件設(shè)計圖如圖2所示。船位和預(yù)警信息經(jīng)過處理器，由移動通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到監(jiān)控中心，監(jiān)控計算機(jī)從串行端口讀出數(shù)據(jù)進(jìn)行地圖匹配和顯示。監(jiān)控中心的管理和調(diào)度信息通過移動通信網(wǎng)絡(luò)以短信息（SMS）的形式發(fā)送到遠(yuǎn)程終端，并在液晶屏上顯示。該系統(tǒng)的硬件設(shè)計主要包括ARM微處理器、GPRS模塊、GPS模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、現(xiàn)場調(diào)試模塊、鍵盤、顯示器、報警器、執(zhí)行器等部分。

圖2 船載遠(yuǎn)程終端硬件設(shè)計圖

1.1.1 ARM微處理器

本系統(tǒng)采用W77E58微處理器，其內(nèi)部包含32KB的E2PROM和1KB的SRAM，可以省去外部擴(kuò)展存儲器。具有2個增強(qiáng)型串口和1個調(diào)試接口，12級中斷和3個16位定時/計數(shù)器，外部數(shù)據(jù)訪問周期可編程，因而完全滿足本系統(tǒng)的要求。

本系統(tǒng)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?jǐn)?shù)字、語音、短消息和傳真；數(shù)據(jù)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(yè)接口GSM Phase2/2+標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)部包含針對GPRS/CDMA的PPP-TCP/IP協(xié)議棧。集成了標(biāo)準(zhǔn)的RS232接口以及SIM卡，可以由微處理器用AT命令通過串口進(jìn)行設(shè)置。因而采用MC35i模塊與本系統(tǒng)的串行端口相連接，使硬件部分簡單實用，遠(yuǎn)程通信的開發(fā)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?jǐn)?shù)字、語音、短消息和傳真；數(shù)據(jù)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(yè)接口GSM Phase2/2+標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)部包含針對GPRS/CDMA的PPP-TCP/IP協(xié)議棧。集成了標(biāo)準(zhǔn)的RS232接口以及SIM卡，可以由微處理器用AT命令通過串口進(jìn)行設(shè)置。因而采用MC35i模塊與本系統(tǒng)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(jī)，可同時跟蹤12顆衛(wèi)星、定位精度高、功耗低。結(jié)構(gòu)緊湊、易于應(yīng)用、接收機(jī)信息可方便的顯示于顯示單元或PC機(jī)上。全屏蔽封裝、具備優(yōu)秀抗電磁干擾特性。用戶無需初始化，安裝完畢接收機(jī)即可自動傳送導(dǎo)航數(shù)據(jù)。3.3V供電電壓。該模塊單點定位精度小于15m，導(dǎo)航速度精度小于0.05m/s，串口波特率4800bps~9600bps，定位數(shù)據(jù)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(jī)，可同時跟蹤12顆衛(wèi)星、定位精度高、功耗低。結(jié)構(gòu)緊湊、易于應(yīng)用、接收機(jī)信息可方便的顯示于顯示單元或PC機(jī)上。全屏蔽封裝、具備優(yōu)秀抗電磁干擾特性。用戶無需初始化，安裝完畢接收機(jī)即可自動傳送導(dǎo)航數(shù)據(jù)。3.3V供電電壓。該模塊單點定位精度小于15m，導(dǎo)航速度精度小于0.05m/s，串口波特率4800bps~9600bps，定位數(shù)據(jù)輸出更新率1Hz。

1.1.4 數(shù)據(jù)采集模塊信號采集端口

數(shù)據(jù)采集模塊預(yù)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(shù)字字符。顯示內(nèi)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(jìn)行翻頁操作。其中，船舶位置信息頁面可顯示當(dāng)前船舶的經(jīng)度、緯度、航速和航向，時間信息顯示當(dāng)前北京時間和公歷年、月、日等。若收到來自監(jiān)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(fù)位、翻頁、上翻、下翻、發(fā)送5個按鍵。復(fù)位按鍵用于船載遠(yuǎn)程終端的熱啟動，可使系統(tǒng)復(fù)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(fā)送按鍵用于切換自動發(fā)送/停止自動發(fā)送定位信息功能，每按下一次則切換自動發(fā)送/停止自動發(fā)送；報警按鍵對應(yīng)3個級別的警報發(fā)送，按下相應(yīng)按鍵則發(fā)送相關(guān)級別的警報信息。

1.1.7 現(xiàn)場調(diào)試模塊

現(xiàn)場調(diào)試模塊方便用戶以后對船載遠(yuǎn)程終端2進(jìn)行部分參數(shù)更改，以適應(yīng)不同時候不同環(huán)境的系統(tǒng)需求。

圖3 主程序流程圖

1.2 船載遠(yuǎn)程終端的程序設(shè)計

在船位推算方法輔助GPS進(jìn)行船舶定位的基礎(chǔ)上[5][6]，設(shè)計了遠(yuǎn)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(fā)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(fā)送和接收控制采用串行中斷方式，通過AT指令進(jìn)行短信息操作3，如設(shè)置短信格式為 AT+CMGF，設(shè) 置短信存儲載體為 AT+CPMS，設(shè)置短信接收提示方式為AT+CNMI，發(fā)送短信為AT+CMGS，顯示短信為AT+CMGL。短信息發(fā)送采用PDU（用戶分組數(shù)據(jù)單元）格式，用戶數(shù)據(jù)最長可用到140字節(jié)。

為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)募用芎徒饷芄δ埽O(jiān)控中心發(fā)送英文和數(shù)字則短信息前加“*”，如“*AAA123或*321Aa”，而發(fā)送中文則信息前加“**”，并轉(zhuǎn)換為GB2312碼，如發(fā)送“有臺風(fēng)”信息則應(yīng)轉(zhuǎn)換為“**D3D0CCA8B7E7”。

按照信息功能和類別，遠(yuǎn)程終端發(fā)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(tǒng)處于自動發(fā)送狀態(tài)時（發(fā)送指示燈亮），終端以短信息方式向監(jiān)控中心自動發(fā)送船位等GPS信息，格式如下：

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