基于VHF的船舶監(jiān)視平臺的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

姚平香

(青島遠(yuǎn)洋船員學(xué)院 航海系，山東 青島266071)

隨著近年來水上運(yùn)輸?shù)目焖侔l(fā)展，航行于內(nèi)河和近海水域的船舶越來越密集，船舶航行安全問題非常突出。在這種情況下，利用現(xiàn)代高新技術(shù)開發(fā)一套對船舶實(shí)行動態(tài)實(shí)時(shí)管理的船舶監(jiān)控系統(tǒng)成為當(dāng)前的迫切需求。

鑒于目前大多數(shù)船舶已經(jīng)安裝了VHF設(shè)備，因此在研究嵌入式μC/OS-Ⅱ?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，結(jié)合VHF技術(shù)、GPS技術(shù)、GIS技術(shù)和遠(yuǎn)程控制技術(shù)［1-2］，設(shè)計(jì)并開發(fā)了一種近海/內(nèi)河船舶監(jiān)視系統(tǒng)及其應(yīng)用平臺，為船舶提供有效的定位跟蹤、狀態(tài)監(jiān)視、指揮調(diào)度、報(bào)警求助及遠(yuǎn)程控制等服務(wù)。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成示意

1 系統(tǒng)組成及功能

船舶監(jiān)控系統(tǒng)主要由中心監(jiān)控平臺、船舶終端平臺和專用通信網(wǎng)絡(luò)組成。監(jiān)控中心和船舶終端之間通過VHF收發(fā)信機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，從而實(shí)現(xiàn)監(jiān)控中心對船舶的動態(tài)監(jiān)控，同時(shí)能實(shí)現(xiàn)監(jiān)控中心和船舶終端間的話音和信息的互相傳遞等。船舶監(jiān)控系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)見圖1。

2 船舶監(jiān)控系統(tǒng)硬件架構(gòu)

基于VHF的近海船舶監(jiān)控系統(tǒng)硬件平臺可以分成兩種:船舶終端平臺和監(jiān)控中心平臺。從硬件設(shè)備上來看，船舶終端平臺和監(jiān)控中心平臺都包括VHF接收信機(jī)、GPS接收機(jī)、多串口通信控制器，不同的是監(jiān)控中心硬件平臺還需要連接上位機(jī)和專用報(bào)警系統(tǒng)。所以從硬件設(shè)計(jì)的角度看，船舶終端平臺和監(jiān)控中心的ARM核心控制板開發(fā)可以合二為一，即開發(fā)專用的多串口嵌入式通信控制板。

2.1 船舶終端平臺設(shè)計(jì)

船舶終端平臺由船舶VHF收發(fā)信機(jī)、GPS接收機(jī)和嵌入式通信控制器組成。它們之間通過串口連接，其組成見圖2。

圖2 船舶終端組成

GPS接收機(jī)接收衛(wèi)星發(fā)來的船舶位置，通過串口送往通信控制器。多串口通信控制器是整個(gè)終端平臺的核心部件，它接收并處理船舶的位置、狀態(tài)、報(bào)警等數(shù)據(jù)，通過VHF發(fā)射機(jī)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心;同時(shí)它還識別并執(zhí)行來自于監(jiān)控中心的下發(fā)命令。船舶終端單元的觸發(fā)報(bào)警通過I/O口外接按鍵與通信控制器相連，并通過驅(qū)動通信控制板的LED和蜂鳴器實(shí)現(xiàn)報(bào)警提示。

設(shè)計(jì)中，V H F 收發(fā)信機(jī)模塊采用S C A D A 數(shù)字電臺，兼用作主站和子站，采用半雙工工作方式，具有數(shù)據(jù)吞吐量大，傳輸距離遠(yuǎn)，支持全透明實(shí)時(shí)傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn);GPS接收機(jī)采用韓國POLARISA型高靈敏度低功耗的GPS模塊，支持DGPS功能。

2.2 監(jiān)控中心平臺設(shè)計(jì)

監(jiān)控中心平臺主要由VHF收發(fā)信機(jī)電臺、嵌入式通信控制器、GPS接收機(jī)、報(bào)警器、上位機(jī)等組成，它們之間的連接也是通過串口進(jìn)行的。其組成見圖3。

圖3 監(jiān)控中心組成

圖3 中的VHF收發(fā)信機(jī)也采用SCADA數(shù)字電臺，用于與船舶電臺進(jìn)行語音通信及數(shù)據(jù)傳輸;上位機(jī)選用PC或筆記本電腦來實(shí)現(xiàn)。

SCADA數(shù)字電臺將來自船載監(jiān)控終端相關(guān)位置、狀態(tài)等信息，通過串口送至多串口通信控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、處理后，送到上位機(jī)上與電子海圖進(jìn)行匹配，并在電子海圖上實(shí)時(shí)顯示船舶的位置與動態(tài)。當(dāng)檢測到船載監(jiān)控終端的報(bào)警信息時(shí)，則給以報(bào)警提示。這樣，監(jiān)控中心就可以直觀實(shí)時(shí)地掌握船舶的動態(tài)信息。同時(shí)管理人員可以通過GIS軟件對指定船舶/船隊(duì)下發(fā)控制命令，實(shí)現(xiàn)對船舶的遠(yuǎn)程跟蹤、監(jiān)視、調(diào)度等操作。同時(shí)，監(jiān)控中心具有大型數(shù)據(jù)庫的支持，可以對船舶的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和存儲，以便進(jìn)行事后查詢和軌跡回放。

2.3 多串口通信控制器設(shè)計(jì)

近海船舶監(jiān)控系統(tǒng)專用多串口通信控制板功能模塊包括:電源電路、晶振與復(fù)位電路、JTAG電路、SDRAM存儲器、Flash存儲器，串口接口電路、串口擴(kuò)展電路、GPS電路，結(jié)構(gòu)框圖見圖4。其它模塊都以串口或I/O口形式外接于最小系統(tǒng)，這樣便于系統(tǒng)的升級與維護(hù)。

3 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 船舶終端軟件設(shè)計(jì)

船舶終端的軟件部分主要由系統(tǒng)層和應(yīng)用層組成。系統(tǒng)層首先以源碼公開及可移植性強(qiáng)的μC/OS-Ⅱ?yàn)椴僮飨到y(tǒng)進(jìn)行移植［3］，再對內(nèi)核擴(kuò)展形成一個(gè)簡單高效的操作系統(tǒng);應(yīng)用層設(shè)計(jì)是在操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對船舶動態(tài)數(shù)據(jù)的采集、處理，以及數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。

圖4 嵌入式通信控制器硬件結(jié)構(gòu)

船舶終端平臺的通信軟件功能包括:解析GPS接收到的時(shí)間、經(jīng)度、緯度、速度、方向角，以及船舶MMSI、狀態(tài)等數(shù)據(jù)，按照專用的通信協(xié)議打包成專用數(shù)據(jù)包，經(jīng)過CRC校驗(yàn)后，發(fā)送至監(jiān)控系統(tǒng)中心通信控制器;接收、解析和執(zhí)行來自監(jiān)控中心的指令。

3.2 中心通信控制器軟件設(shè)計(jì)

在船舶監(jiān)控系統(tǒng)中，監(jiān)控中心通信控制器軟件功能包括:接收來自各個(gè)船舶的數(shù)據(jù)(包括數(shù)據(jù)幀、報(bào)警幀、應(yīng)答幀等)，進(jìn)行校驗(yàn)和解析，將有用信息按照規(guī)定的有線通信協(xié)議打包轉(zhuǎn)發(fā)給上位機(jī)進(jìn)行處理;接收來自監(jiān)控中心上位機(jī)的命令數(shù)據(jù)，將命令信息按照專用的通信協(xié)議打包成命令幀廣播給各個(gè)船舶電臺，實(shí)現(xiàn)對船舶的監(jiān)視、控制、調(diào)度和管理功能。

3.3 監(jiān)控中心管理軟件開發(fā)

監(jiān)控中心管理軟件設(shè)計(jì)主要是采用了VC與MaPInfo相結(jié)合的開發(fā)模式［4］，監(jiān)控中心管理軟件把船舶的位置實(shí)時(shí)匹配到監(jiān)控中心的電子地圖上，通過圖形圖像的動態(tài)顯示，可形象、直觀地描述被監(jiān)控船舶的位置及狀態(tài)，并可通過點(diǎn)擊操作，實(shí)現(xiàn)對所轄船舶/船隊(duì)監(jiān)視、控制、調(diào)度、管理功能。移動目標(biāo)監(jiān)控中心管理軟件的功能見圖5。

圖5 監(jiān)控中心軟件管理功能

1)接收船舶終端信息。監(jiān)控中心管理軟件通過中心通信控制板連接無線電臺，實(shí)時(shí)接收來自各個(gè)船舶電臺的數(shù)據(jù)(信息幀、報(bào)警幀、應(yīng)答幀等)。

2)電子地圖顯示。根據(jù)中心收到的各個(gè)船舶電臺的信息，不同船舶的位置都以特定的符號展示在電子地圖上，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)電子地圖的放大、縮小、漫游、分層顯示等功能。

3)船舶遠(yuǎn)程控制。系統(tǒng)管理員通過管理系統(tǒng)操作，選擇特定船舶/船隊(duì)及參數(shù)設(shè)定，下發(fā)命令幀，實(shí)現(xiàn)對船舶的遠(yuǎn)程控制。

4)緊急報(bào)警求助處理。接受來自船舶電臺的報(bào)警、求助信息，在電子地圖上重點(diǎn)顯示，并驅(qū)動監(jiān)控中心的聲光報(bào)警裝置提醒管理人員及時(shí)救助。

5)數(shù)據(jù)庫存取操作。操作員可根據(jù)用戶需要顯示相關(guān)船舶的歷史運(yùn)行軌跡、存入或調(diào)出某艘船的所載貨物類型、航線、所屬公司、船籍國等信息。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)并開發(fā)的基于VHF的船舶終端平臺監(jiān)控系統(tǒng)可有效實(shí)現(xiàn)對近海船舶電臺的實(shí)時(shí)定位、跟蹤、狀態(tài)監(jiān)視、指揮調(diào)度、報(bào)警求助和遠(yuǎn)程控制等功能。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)具有組網(wǎng)方便，控制方式簡單，易于工程實(shí)現(xiàn)和實(shí)時(shí)監(jiān)控等優(yōu)點(diǎn)。而且本終端運(yùn)營費(fèi)用低廉，既可以安裝在大型船舶上，也可安裝在漁船等小型船舶上，這樣既能提高小型船舶在近海/內(nèi)海作業(yè)的安全性，又方便相關(guān)部門對各種船舶的監(jiān)管，因此具有很高的實(shí)用價(jià)值。

［1］劉紅屏，王化民.GMDSS原理與綜合業(yè)務(wù)［M］.大連:大連海事大學(xué)出版社，2008.

［2］段 新，褚 健，施一明.船舶綜合數(shù)字信息系統(tǒng)研究與探討［J］.中國造船，2010(1):183-189.

［3］陶定雄，劉益成.基于ARM的便攜式智能儀器的設(shè)計(jì)［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2008，9(2):96-97.

［4］姚平香，婁世平.AIS集成監(jiān)視平臺的軟硬件設(shè)計(jì)及GIS功能的實(shí)現(xiàn)［J］.中國造船，2012(3):194-198.