物聯網系泊船舶運動監測系統方案設計

苑曉龍，邱占芝

(大連交通大學 軟件學院，遼寧 大連 116028)*

物聯網系泊船舶運動監測系統方案設計

苑曉龍，邱占芝

(大連交通大學 軟件學院，遼寧 大連 116028)*

研究了港口碼頭系泊船舶運動監測系統的方案設計問題，提出一種基于物聯網技術的系泊船舶運動監測系統設計的方案，闡述了系統構成和監測軟件的設計思想.數據感知層采用射頻識別和傳感器兩大核心技術實現數據采集，網絡層采用無線局域網技術傳輸監測數據和控制命令，應用層采用串口通信技術接收和發送數據.模型試驗表明了系統方案和采用技術的有效性和可行性.

船舶運動監測;方案設計;物聯網;數據傳輸;串口通信

0 引言

隨著世界海運市場競爭日益激烈，提高效率成為當務之急.由于海浪、海流、風力等海洋環境要素的不斷變化，導致系泊船舶靠泊時極易產生橫移、縱移、升沉三個方向上的位移與橫搖、縱搖、艏搖三個方向上的轉動，過大的位移和搖轉會延長船舶在港內系泊時間，增加相應的費用;甚至使得靠泊作業難以進行，更嚴重的情況是船舶與碼頭或碼頭裝卸設備發生碰撞而造成經濟損失.因此，研究和開發系泊船舶運動監測系統具有重要的現實意義和推廣價值.

物聯網技術的提出，為船舶運動監測系統的實現提供了可靠的技術基礎.物聯網分為三層:感知層、網絡層和應用層［1］.感知層主要是識別物體，采集信息;網絡層負責傳遞和處理感知層獲取的信息;應用層是物聯網和用戶的接口，它與行業需求相結合，從而實現物聯網的智能應用.

1 系統總體設計

1.1 系統需求與目標

系統采用射頻識別、傳感器與串口通信技術，實現監測船舶運動和海洋環境信息，并依據監測信息發出對應的控制指令.系統實現相關信息的管理，方便工作人員查詢和分析信息.該系統有系統維護模塊、船舶距離模塊、船舶運動信息模塊、船舶運動視頻監測模塊、海洋環境信息模塊以及報警信息模塊六大項功能(如圖1所示).

系統接收海洋環境信息、碼頭船舶距離和船舶六個自由度的運動數據后實時顯示在大屏幕上，即實現對船舶運動和海洋環境數據的動態實時監測，同時將這些監測數據存儲到數據庫中.從而使得PDA監測終端可以通過無線局域網絡接口接收到數據庫中的數據.

當船舶的位移超出正常范圍或船舶與碼頭距離過近時，系統發出聲光報警，將報警信息記錄在數據庫中.同時根據報警信息內容自動解析產生控制指令，將報警信號和控制指令通過無線局域網絡傳輸至每個與系統連接的手持PDA設備中.現場操作人員遵照指令調節纜繩的長度，情況嚴重時甚至自動脫纜，船舶逃逸.

船舶運動監測采用多角度視頻監測方式，視頻信號通過無線局域網絡傳輸至系統中，采用國際電聯的H.261編碼的方式對視頻進行編碼，采用磁盤存儲陣列方式存儲視頻信息，同時將視頻信息顯示在大屏幕上.為節省磁盤空間，監測視頻在系統中存儲一段時間后自動壓縮備份存儲.多角度視頻監測可以更加清晰、直觀的顯示出船舶的位置變化.

增加歷史數據查詢功能，工作人員查詢某時間段內碼頭系泊船舶的監測數據或者海洋環境數據，系統不僅將查詢出的數據用曲線圖或者柱狀圖直觀的顯示出來，也可以將這些數據導出至Excel表格或者直接打印，供工作人員對這些數據進行分析.系統自動定時地對數據庫進行備份，防止數據丟失，確保監測數據的安全.

圖1 系統功能結構圖

1.2 系統方案與設計

系統的結構組成圖(如圖2所示)是船舶在碼頭系泊過程中，船舶運動(橫移、縱移、升沉、橫搖、縱搖、艏搖)以及船舶與碼頭之間距離等船舶數據，水深、海浪、風速風向和流速流向等海洋環境數據由位于碼頭上不同種類的傳感器感知并由數據采集器采集之后通過無線局域網絡傳輸到監測系統中.由監測系統軟件端完成各項數據的處理、記錄和顯示.這些數據信息的接收、顯示和存儲等操作組成了物聯網的應用層，實現了物聯網的智能應用.

從系統的頂層數據流圖(如圖3所示)可以看出，船舶運動與海洋環境信息由傳感器感知后和監測視頻信息一起傳輸至系統中，系統實時顯示這些信息.工作人員輸入自身信息，系統通過用戶信息和用戶權限的驗證賦予其相應訪問權限，從而查看實時監測信息.對于通過系統驗證擁有查詢歷史監測數據權限的用戶，系統處理查詢請求之后從數據庫取出滿足條件的歷史監測數據，并在相應界面中以圖形直觀顯示供工作人員查看和分析.

圖2 系統結構組成圖

圖3 頂層數據流圖

2 系統的主要技術

碼頭系泊船舶運動監測系統是在射頻識別和傳感器兩大物聯網核心技術的支撐下而實現的.同時，激光和無線網絡技術的發展，把這些技術應用在碼頭系泊船舶運動監測系統上，使其更加可靠、準確、方便、直觀的監測各種所需數據，提高系泊船舶安全性.

2.1 射頻識別(RFID)和傳感器網絡系統

系統賦予每艘船舶一個獨一無二的EPC(電子產品代碼，Electronic Product Code)代碼，船舶所對應的船舶長度、寬度、高度、噸位、吃水等物理屬性以及名稱、船型、國籍等信息存儲在互聯網上EPCIS(EPC Information Service)服務器中.船舶到達碼頭后即可根據它的EPC標簽從互聯網上的EPCIS服務器中查詢此船舶的屬性信息，從而選擇最優的泊位使得船舶靠泊.

射頻識別RFID(Radio Frequency Identification)是一種非接觸式的智能自動識別技術，通過無線射頻方式進行非接觸雙向數據通信，識別目標并獲取相關的數據.射頻識別技術具有同時識別多個標簽、識別精度高、抗干擾能力強、識別速度快等優勢.無源RFID產品主要工作頻率有低頻(125 ～134.2 kHz)、高頻(13.56 MHz)、超高頻(915 MHz);有源RFID產品具有遠距離自動識別的特性，主要工作頻率有超高頻915 MHz、微波2.45 GHz;半有源RFID產品，結合有源RFID和無源RFID產品的優勢，在低頻125 kHz頻率的觸發下，讓微波2.45 GHz發揮優勢，識別距離可達幾百米.根據碼頭泊位與船舶之間的距離，系統選用半有源RFID產品來識別船舶上的EPC標簽.

該系統涉及到的傳感器可分為兩類，一類稱為海洋環境傳感器:測量水深傳感器、波浪傳感器、風速風向傳感器、流速流向傳感器;另一類稱為船舶運動傳感器:激光測距傳感器、傾角傳感器.這些傳感器的數據輸出端口為RS232、RS485、RS422等串口.傳感器網絡是由大量部署在監測區域的傳感器節點感知周圍環境信息，并以子組網多跳的形式進行通信的一種網絡系統.該監測系統使用射頻識別技術(RFID)感知船舶信息，傳感器網絡系統感知海洋環境要素和船舶運動變化的數據，從而組成了物聯網的感知層.

2.2 數據采集和傳輸

本系統涉及的傳感器種類較多，因此采用接口分離設計，使監測節點具有多種傳感器接口.系統采用的數據采集器可將多通道傳感器信號無縫的過渡到各類以太網中，而且采用標準MODBUS RTU協議，服務器端可以通過任何支持該協議的軟件與遠端的任意節點的現場傳感器信號進行數據交流.同時數據采集器還具有2個擴展智能串口，可以方便的配接擴展智能串口設備，實現監測系統與遠端設備的數據交互，可方便接入或更換各種傳感器，便于系統移植和升級.

信號的輸入采用RS232、RS485、RS422等串口，信號的輸出可以選用串口通信、有線以太網、無線局域網絡，也可以采用GPRS或CDMA網絡連接的方式將信號傳輸到系統中.本系統采用無線局域網絡將數據傳輸到軟件系統，然后系統接收數據，顯示、存儲數據等操作.

無線局域網相對于有線網絡具有靈活性和移動性、安裝便捷、易于進行網絡規劃和調整、故障定位容易、易于擴展等優點.由于碼頭泊位布線較為復雜、手持設備PDA的移動性等特點，而且泊位與主控制室的距離在無線局域網絡的距離范圍之內，雖然它的數據傳輸較慢，但也足以滿足本系統的數據通信量.無線局域網絡相比于GPRS或CDMA網絡可以節省一部分開支.數據采集器和無線局域網絡在本系統中充當了網絡層的角色，將感知層感知到的數據傳送至監測系統中進一步的處理.

2.3 數據接收和處理

數據采集器與監測系統通過無線局域網進行通信，需要使用數據采集器提供的網由－配置工具配置監測系統所在計算機的IP地址和數據交互接口.監測系統根據實際傳感器的信息添加對應的虛擬串口.監測系統可以通過虛擬數據采集串口與每個傳感器進行數據“透傳”.每個傳感器的真實串口都對應一個虛擬的串口，監測系統通過Win32 API提供的相關串口通信函數即可實現與各傳感器的數據輸出串口進行通信.不同的虛擬串口自動傳輸數據的周期是不同的，因此將串口通信函數封裝在一個實現了多線程接口的類中，對每一個串口啟動一個單獨的線程來并行接收數據，保證系統數據的實時性.

系統采用SQLServer2005數據庫存儲實時監測獲得的海洋環境要素信息和船舶運動六個自由度的運動等數據信息.由于實時監測的需要，系統會存儲大量數據.因此不僅要建立基本的數據表，還要利用索引和主、外鍵關聯等優化數據查詢速度.系統使用了數據分區技術，數據分區是把大量的數據用接近平均分配的方法存儲到一組數據分區里，而且保證每個分區的數據都可以加載到系統中.在SQLServer2005中通過使用表與索引建立的分區，可以降低在使用分區視圖管理數據庫時的復雜性.SQLServer2005提供了使用數據行作為最小的分區單位的水平范圍分區功能，提高了數據查詢的速度以及管理效率.

3 原形系統模擬

原形系統主界面實現了系泊船舶運動視頻監控、運動信息和海洋環境信息動態實時顯示(如圖4所示).界面最上方顯示根據船舶EPC標簽讀取到的船舶相關信息和船舶與碼頭之間的距離;主界面顯示船舶三個不同視角的實時視頻信息(本次模擬試驗僅顯示一個視角)，下方實時顯示船舶六個自由度的運動數據;左方顯示風、浪、流等海洋環境信息.當船舶運動過大出現安全隱患時，報警燈發出聲光報警，提醒現場人員采取相關措施保證系泊船舶的安全，避免造成較大的經濟損失.(系統的運動數據都采用模擬數據.)

圖4 系統主界面圖

4 結論

本文主要介紹基于物聯網的射頻識別和傳感器兩大核心技術的碼頭系泊船舶運動監測系統，提供了不同種類的傳感器感知時刻變化的海洋環境和船舶運動信息，并將感知到的數據傳輸至監測系統中，實現對其數據變化的動態實時監測.采用無線局域網絡傳輸數據，省去了復雜的碼頭泊位布線.該系統極大限度的保證系泊船舶作業時的安全，大約提高單個泊位經濟收入的5% ～8%，具有廣闊的推廣價值和應用前景.

［1］程玉.物聯網技術及其在我國面臨的挑戰［J］.軟件，2011，15(5):109-111.

［2］寧喚聲，徐群玉.全球物聯網發展及中國物聯網建設若干思考［J］.電子學報，2010，15(11):2591-2598.

［3］LIU YONG MIN，LIU SHUAI，LINI.The Architecture of Internet of Things(IOT)［C］.2011 International Conference on Computer，Electrical，and Systems Sciences，and Engineering(CESSE 2011)，2011:4-28，561-564.

［4］王成，王志新.基于無線局域網的大型風電場遠程監測系統［J］.電網與清潔能源，2009，25(12):75-77.

［5］朱飛祥，張英俊，趙莉.基于無線網絡的船舶監測系統的設計與實現［J］.中國航海，2008，25(6):135-138.

［6］張均東，閆慧琦，余劍翔.基于CAN總線的船舶監測系統設計［J］.測控技術，2003，22(10):24-27.

Scheme Design of Mooring Ship Motion Monitoring Systems Based on The Internet of Things

YUAN Xiao-long，QIU Zhan-zhi

(Software Institute，Dalian Jiaotong University，Dalian 116028，China)

The scheme design problem of ship motion monitoring system for wharf mooring is studied.The design scheme of mooring ship motion monitoring system based on the internet of things technology is proposed，and the system configuration and the design idea of monitoring software are introduced.The Data-aware layer adopts RFID and sensing technologies to acquire data from the natural world，and the network layer adopts WLAN to transmit the monitoring data and control commands，while the application layer adopts the serial communication technology to receive and send data.The model test show the effectiveness and feasibility of the system schema and used technology.

ship motion monitoring;scheme design;internet of things;data transmissions;serial port communication

A

1673-9590(2013)06-0112-05*

2013-03-20

國家自然科學基金資助項目(61074029);遼寧省科學研究計劃資助項目(2011216007)

苑曉龍(1989－)，男，碩士研究生;邱占芝(1960－)，女，教授，博士，主要從事網絡控制方面的研究

E-mail:longjianzhiyun@163.com.