基于嵌入式技術的船岸一體化管理平臺設計與開發

汪益兵，聶建濤

(1. 浙江國際海運職業技術學院 航海工程學院， 浙江 舟山 316021；2. 大連陸海科技股份有限公司， 遼寧 大連 116023)

0 引言

隨著船舶自動化程度的不斷提高和計算機網絡系統技術的飛速發展，船舶自動化系統正在向船舶信息集成化方向發展，各船舶航運企業紛紛建立船舶信息監控管理系統.該系統通常能自動集成船舶運行的重要信息數據，通過衛星傳輸實現船舶與航運公司之間的信息交換、航運公司對船舶的監控和管理，促進船岸一體化管理平臺建設進程，提高管理層的調度、經營和決策能力，提升船舶航運安全性和港口運輸能力.[1-5]現有船岸一體化管理平臺對船舶的信息采集多集中于船舶航行的動態信息，并局限于對具體的設備進行采集，對于船舶上的其他類型傳感器數據無法進行統一處理.另外，現有船岸一體化管理平臺多采用陸地上通用的計算機設備，不能適應特殊的船舶航行環境，且與傳感器的設備信息之間沒有隔離保護，設備電源也未采用隔離保護措施.在船岸一體化管理平臺中采用嵌入式技術，統一采集和傳輸協議，可滿足對更多不同類型信息的采集和傳輸；具有應急電源保障的24 V直流電源供電和電源隔離保護，對傳感器的信號接口進行隔離保護，提高系統工作的穩定性和抗干擾性.[6-7]

所謂嵌入式技術,就是綜合計算機技術、自動控制技術、通信技術等開發智能化產品,實現產品故障診斷、自動報警、本地監控或遠程監控，達到管理的網絡化、數字化、信息化和現代化.在船岸一體化管理平臺中采用嵌入式技術，可實現功能：(1)利用現行的國際標準和行業標準(IEC-61162，NMEA0183和NMEA2000)，對船舶常用傳感器/設備輸出的信息進行采集、存儲和遠程傳輸的協議封裝.(2)在協議封裝的基礎上，設計協議的擴展規則.在該規則下，對沒有國際標準和行業標準的非標準的非交互式傳感器/設備的信息進行采集、存儲和遠程傳輸的協議封裝.(3)實現對非標準的交互式傳感器/設備的信息采集、存儲和遠程傳輸的協議封裝.(4)實現預警按鈕和用戶自定義按鈕的功能.(5)實現采集信息的顯示與查詢、報警信息的屏幕顯示.

1 嵌入式船岸一體化管理平臺設計與開發

嵌入式船岸一體化管理平臺由嵌入式計算機硬件和嵌入式軟件組成.

1.1 嵌入式計算機硬件設計與開發

嵌入式船岸一體化管理平臺硬件系統的整體結構見圖1.

圖1 嵌入式船岸一體化管理平臺硬件系統組成

該平臺硬件系統的核心是嵌入式船舶信息綜合采集與傳輸設備，在第2節進行具體介紹.船舶導航設備是指符合IEC-61162或NMEA0183標準的船舶導航設備，如船舶自動識別系統(Automatic Identification System,AIS)、全球定位系統(Global Positioning System,GPS)、計程儀、測深儀、風速/風向儀、陀螺羅經、自動舵、雷達等船舶常用設備.非標準的非交互式傳感器/設備包括具有只讀信號輸出的傳感器/設備，如機艙集控系統輸出的船舶主機運轉信息(如主機轉速、排氣溫度等)、燃油消耗信息、船舶輔機的發電參數等.這些只讀信息以一定的周期對外提供，不需要與數據的接收方進行協議交互，提供數據的方式是ASCII碼或二進制數據流.船上冷凍艙室、存油水艙的傳感器屬于非標準的交互式傳感器/設備，這些傳感器/設備采集的信息需要進行交互式查詢.嵌入式船舶信息綜合采集與傳輸設備可以從計算機網絡獲取用戶自定義的需要采集的數據，同時也可以通過船舶計算機網絡訪問船舶衛星通信設備，進行船岸之間的遠程通信和數據傳輸.[8]在船上通常使用AMOSMail或Rydex的個人計算機作為電子郵件網關，網關提供標準的電子郵件POP/SMTP服務.船舶衛星通信設備是指目前常用的船舶衛星通信設備，例如：支持IP通信服務的VSat設備和銥星設備或海上寬帶設備Inmarsat-FBB，支持MPDS的Inmarsat-F，支持ISDN的Inmarsat-F/B，支持存儲轉發短消息通信的Inmarsat-C/Mini-C等.[2,9-11]

1.2 嵌入式軟件設計與開發

嵌入式船岸一體化管理平臺軟件由通信模塊、采集模塊、WEB設置與管理模塊組成，見圖2.

圖2 嵌入式軟件結構

1.2.1 采集模塊

采集模塊負責讀取所連接的采集設備的相關類型和接口配置信息，根據配置文件中的參數初始化相關采集設備，提取需要的采集設備的數據，對數據進行編碼并寫入緩存中.從設備的配置文件中讀取所采集設備的配置信息，該信息對設備進行采集所要使用的標準協議、非標準非交互和非標準交互中的某種方式進行描述.

1.2.2 通信模塊

通信模塊負責讀取所連接的通信設備的相關類型和接口配置及通信通道的配置信息，根據配置文件中的參數初始化相關通信設備，輪詢查看是否有新的等待發送的信息包命令，并解析新的信息包命令，根據報文命令調用相關的需要采集的設備的數據(從緩存中讀取要采集的設備的數據)，之后對數據進行編碼，選擇通信信道，驅動通信設備，發送編碼后的數據.從設備的配置文件中讀取使用通信和傳輸設備的配置信息，根據需要對傳輸的設備信息進行傳輸協議的封裝，采用標準或非標準的封裝方式進行編碼，選擇通信設備和通信方式發送到指定的目的地址.

1.2.3 WEB設置與管理模塊

嵌入式平臺軟件通過嵌入式的WEB服務提供設備配置與管理界面.在設備安裝調試時，可以通過連接到本設備的計算機用瀏覽器對設備進行配置；同時也可以對連接到本設備的傳感器/設備進行調試.具體的實現流程是，從設備的配置文件中讀取配置信息，通過設備中的嵌入式WEB服務器(即BOA，一個小巧高效的WEB服務器)在WEB瀏覽器中顯示.根據登錄用戶的權限控制，只讀用戶只能查看配置信息，維護管理用戶可以對所采集的設備和傳輸設備進行配置修改，確認后寫入配置文件，從而更改設備的運行參數.通過該模塊可以根據配置文件對船舶上需要的采集傳感器/設備的數據采集方式和通信方式進行配置，實現對不同類型信息的采集和傳輸.

WEB設置與管理模塊主要包括讀配置文件模塊和寫配制文件模塊.通過IE瀏覽器輸入控制器的IP地址，登錄控制器的設置頁面(控制器有BOA)，BOA引導控制器調用相關的功能模塊.讀配置文件模塊讀取所有的配置信息，所有配置信息通過BOA傳遞到WEB瀏覽器上，通過WEB瀏覽器對控制器進行設置.對設備的配置進行維護后，保存設置時會調用寫配置文件模塊.

2 嵌入式船舶信息綜合采集與傳輸設備

該設備負責船舶航行信息的采集和管理，隨時從AIS,船舶保安警報系統(Ship Security Alert System,SSAS),船舶局域網的文件服務器或其他采集軟件服務器等采集船舶數據信息；及時解析來自地面站的指令,并根據指令要求執行相應的操作.[7]該設備主要由觸摸屏、預警按鈕、用戶自定義功能按鈕、以太網接口、多個串行口、對串行口進行信號隔離的模塊、電源隔離模塊等組成，見圖3.

電源隔離模塊采用直流中心電壓為24 V支持12～36 V的寬電壓隔離供電方案，以適應船舶通信應急電源的供電特點.本設備符合船舶通信電源的設計和使用規范，并得到船舶通信應急電源的支持，同時也避免或減少因電源產生的信號干擾.信號隔離模塊對接入設備的串行口進行隔離保護，避免不同設備之間的信號干擾，同時提高設備對船舶環境的適應能力.

以太網接口用于連接船舶計算機網絡或支持以太網接口的船舶衛星通信設備.通過網絡連接，既可以通過網絡采集用戶自定義的數據，又可以通過以太網與船舶衛星通信設備連接進行船岸遠程數據通信.[9,12]

觸摸屏提供設備的人機界面，對采集的信號進行顯示，對設定預警和報警門限的傳感器信息進行相應的預警和報警.預警按鈕用于人工報警，可以預設置報警內容和報警的目的地址.用戶根據預先的設定，在報警情況出現時按下該按鈕，可以將報警信息發送到陸地的用戶公司端.用戶也可以通過自定義功能按鈕定義信息發送的內容和目的地址；通過瀏覽器設置和配置設備運行參數、符合船舶設備顯示規范的屏幕顯示配色方案和亮度.

圖3 嵌入式船舶信息綜合采集與傳輸設備結構

3 采集、傳輸協議設計

采集協議的封裝按照原始數據透明傳輸的原則，在原始數據的基礎上增加協議頭(Header)、船舶標識(通常采用船舶的海上移動識別(Maritime Mobile Service Identify, MMSI)9位碼)、設備標識.采集的信息傳輸到岸端后再提取和還原，并進行解析.這種透明傳輸可以得到傳感器/設備的原始數據，減少中間處理環節，從而降低信息處理的復雜度，提高對采集設備的兼容性，使設備可以適應各類船舶、多種設備及信息的采集與傳輸.

船舶常用的符合IEC-61162或NMEA0183標準的船舶導航設備采集和遠程傳輸的協議封裝內容包括：協議頭，船舶標識，采集與處理的時間戳(Time-Stamp)，傳感器/設備的標識ID，一個標準、完整的符合IEC-61162或NMEA0183標準的信息內容的語句和協議尾(Tail)等.

對非標準的非交互式傳感器/設備的輸出信息進行協議封裝時，在協議頭標識出該信息為非標準信息；采集信息由一個或多個以200 Byte的ASCII字符串或二進制數據塊組成，這些信息傳輸到岸端后再提取和還原，并進行解析.

對于非標準的交互式傳感器/設備只能按照不同設備生產廠家的輸出協議采用定制開發的方法進行數據采集.其具體處理流程：在配置文件初始化采集設備后，根據設備定義的交互式查詢邏輯定制開發采集的模塊，經過采集設備數據編碼后存入緩存.在非標準交互式的采集數據封裝上，采用非標準的非交互式傳感器/設備輸出信息的封裝協議進行封裝.

4 結束語

嵌入式船岸一體化管理平臺通過創新的軟硬件平臺設計，具有適應多種類型傳感器/設備的信息采集、抗干擾能力強、工作穩定和可靠等特點；支持船到岸報警和用戶自定義信息發送等功能，能自動、快速地對遠程請求作出響應，通信效率高，減少人為操作失誤的可能性；實現對參數的遠程修改以及遠程維護和管理.

嵌入式船岸一體化管理平臺能提升平臺的通用性、可靠性和安全性，在為岸基提供船舶實時信息的同時，進一步實現岸基對船舶的遠程監控和對船隊的優化管理，提高對突發事件的處理能力，是今后船舶自動化發展的一個主要方向，在船舶運輸業、海上救助、海洋船舶監察、海洋考察、遠洋漁業、海洋勘探和海洋勘查等領域具有廣泛的應用前景.[13-15]

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