船舶油耗遠程監管系統的設計

魏小星，徐軼群，郭濤

（集美大學輪機工程學院，福建廈門361021）

船舶油耗遠程監管系統的設計

魏小星，徐軼群，郭濤

（集美大學輪機工程學院，福建廈門361021）

基于STM32嵌入式和傳感測量技術，將船舶的航行參數、主機基本運行參數和船舶各大動力裝置的燃油消耗數據進行集中采集并傳給岸端的數據管理服務中心，采用WAMP開發了一套基于WEB具有良好人機界面的，B/S架構的船舶油耗數據中心管理系統，實現了更加直觀的船舶遠程動態監管，也能為船東高效的解決船舶油耗數據分析統計等一系列問題。

0　引言

船舶作為交通運輸中運力最大的運輸工具，燃油消耗成本占其運營成本的40%~60%。近年來，由于全球經濟危機的沖擊，世界原油價格不斷上漲，船東及租船人對燃油費用及管理倍加關注[1]。然而在船舶運輸過程中，由于承運方很難做到全程跟蹤監管，船員盜竊船舶燃油等物資的現象屢有發生，同時大多數船舶還是采用傳統的人計量燃油消耗方式，油耗數據時效差、誤差大，基本已不能滿足燃油精細化管理的需求。本系統集成應用衛星定位系統、傳感測量、物聯網等多項技術實現對船舶燃油的遠程實時監管，方便管理者統計運營成本，提高工作效率以及船東的綜合效益。

1　系統概述及總體方案

船舶油耗遠程監管系統主要由船載信息采集終端以及岸基數據管理服務中心兩大部分構成。其中船載終端包括智能數字燃油流量計、轉速采集模塊、GPS定位模塊及數據采集網關等，岸基油耗數據管理服務中心主要由數據服務器和WEB應用服務器組成。系統拓撲結構如圖1所示。

1.1系統構成

1）燃油流量計：安裝在燃油系統中，負責將實船的燃油消耗數據轉換為數字信號。由于船舶普遍主要采用低質重油，粘度較高，故系統中采用安全性高且適用于高黏度液體的容積式齒輪流量計，該流量計含有變送器和計數機構，可測量系統的瞬時耗油量和累計耗油量。

2）GPS模塊：獲取運行船舶的位置動態信息（經度、緯度、航速、航向等），由采集網關處理后將信息發送給數據中心，方便管理者實時掌握船舶動態信息，有效分析油耗與航行的關系。

3）采集網關：采集網關安裝在運行船舶上，在整個系統中的功能類似于“中央傳感器”[2]。它需要將下層現場各數據儀表、傳感等裝置的數據信息定時集中采集并處理，然后通過有線、無線或衛星網絡傳給岸端數據服務中心。

圖1　系統拓撲結構圖

1.2總體方案設計

船舶油耗實時監測與管理系統的功能實現依賴于硬件和軟件兩大部分，二者缺一不可。系統開發過程中硬件設計和軟件設計是相互關聯的，有時也是交叉進行的。船端負責對各類儀表數據進行采集，其關鍵是制定采集網關與各硬件設備的通信與傳輸方案以及相關程序的設計；岸端數據中心的工作主要是搭建船舶各類數據信息的數據庫，以及開發基于B/S架構的WEB應用。

2　系統硬件通訊方案設計

系統的硬件設計主要集中于船端部分。采集網關是硬件層的“中央處理器”，可以根據現場儀表的協議要求靈活編程。網關采用STM32微控制器作為核心處理單元，外圍擴展了IO模塊、以太網、RS485/232、CAN端口、3G無線通訊等功能模塊，以實現其采集、存儲、通訊等相關功能，其總體結構如圖2所示。

圖2　采集網關總體結構圖

2.1油耗采集通信

本系統采用的燃油流量計自帶變送器及發信器，帶有RS485通訊接口，支持MODBUS RTU協議數據傳輸功能。MODBUS是一種完全公開透明的主從串行異步通信協議，廣泛應用在各工業領域中。

根據流量計的接口特征，網關采用USART串口通訊。STM32外設眾多，它擁有一套完善的時鐘系統控制每個外設工作，因此與流量計通信前必須配置相應時鐘并完成初始化工作。串口配置一般步驟如下[3]：

1)串口時鐘使能，GPIO時鐘使能；

2)設置引腳復用器映射：調用GPIO_PinAFConfig函數；

顏姨是米多兄妹倆的監護人。自從米多的雙親去世后，她就一直照顧他們。不過，因為從事外貿工作，顏姨總是“飛”來“飛”去，在家的時間非常有限。

3)GPIO初始化設置：要設置模式為復用功能；

4)串口參數初始化：設置波特率，字長，奇偶校驗等參數；

5)開啟中斷并且初始化NVIC，使能中斷；6)使能串口；

7)編寫中斷處理函數。

結合網關工作原理以及MODBUS協議特點，采集網關定時通過串口向流量計發送請求數據幀，等待串口中斷，并接收流量計的響應幀，從中解析包括設備地址、累計流量、瞬時流量等有效數據，然后保存在本地FLASH中。采集流量計數據程序流程圖3所示。

2.2GPS定位通信

與采用MODBUS主從通信的流量計不同，GPS模塊一上電后就會連續的按照一定時間給上位機發送一定格式的數據，這些數據采用了GPS導航統一的標準NMEA-0183協議。數據提供了多種形式包括GPGSV、GPGLL、GPRMC、GPVTG等。GPRMC為推薦最小信息，包含了定位、航速、航向等有效信息，極其適用于船舶定位，其數據帖結構如下：

圖4　獲取定位數據程序流程圖

$GPRMC,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8 >,<9>,<10>,<11>,<12>*hh(CR)(LF)

其中<3><4>為緯度信息<5><6>為經度信息<7>為航速信息<8>為航向信息。

STM32提供了多達6個USART串口，網關與GPS定位模塊依然采用串口通信，獲取有效數據的流程如圖4所示。數據解析函數代碼如下：

3　遠程監測管理系統軟件建立

本油耗遠程監測管理系統采用B/S架構，管理人員通過瀏覽器即可進入操作界面，登錄后通過WEB界面向服務器發請求，服務器端處理業務請求后，對數據庫進行一列的增刪改查操作，將最終數據信息組織成HTML文件利用HTTP協議返回給客戶瀏覽器。整個軟件系統的實現基于WAMP環境（Windows+Apache+Mysql+PHP），系統的服務端來實現后臺數據與業務的邏輯，只有少部分邏輯事務在前端處理，如利用JS調用第三方地圖的API等。

3.1數據庫系統設計

Mysql是目前市場上主流的開源免費的中小型關系型數據庫管理系統，本系統數據庫不僅需要存儲網關發送的各儀表原始數據，還需要存儲對原始數據分類分項后的數據，另外也要存儲船舶資料、船東及用戶資料、權限等基本信息。針對這一需求，數據庫遵守三范式設計規范創建了用戶表(user)、船公司表（company）、船舶表（ship）、原始數據表（original_data）、刻鐘表（quarter）、小時表（hour）、月表（moth）、年表（year）等。其中用戶表屬于權限系統管理子系統，船公司表和船舶表屬于基本船舶信息子系統，原始數據表和刻鐘、小時、月、年等歷史數據表屬于數據管理子系統。

雖然各表之間獨立存在，但卻又相互關聯，如公司表與用戶表，公司表與船舶表、船舶表與各數據表之間都是一對多的關系，它們之間都是通過外接保證相互之間的關聯，這種關聯可以實現指定公司的用戶只能訪問本公司的船舶信息及數據，同時這種設計也實現了數據庫系統的“高內聚、低耦合”，極大的方便了后期的維護管理工作。圖5為數據庫系統的基本模型圖。

3.2人機界面設計

監測管理系統基于B/S架構，以動態網頁的人機界面形式更加真實的向用戶展示所需要的數據庫信息。本系統采用PHP編程語言來實現動態網頁的開發，它是一種運行在服務器端的面向對象的動態腳本語言，負責處理用戶提交的請求，同時作為Mysql的客戶端與數據庫進行關聯交互。

項目采用了面向對象思想的一種設計典范-MVC（視圖、模型、控制）框架思想，也就是將業務邏輯與數據顯示分離。在服務端后臺設計的過程中封裝了實現對數據庫增刪改查基本操作功能的DB類，針對數據庫中不同表的業務邏輯也封裝了對應的繼承了DB類的Table子類，另外還有大量諸如實現列表分頁等功能的常用類。這樣不僅可以提高代碼的復用性及開發效率，并且可以減少后期的維護工作，還方便后期系統擴展和二次開發[4]。

PHP主要實現了后臺的業務邏輯和數據庫操作，為了能給用戶提供更加良好和直觀的的前臺操作界面，系統項目在充分利用div+css布局的基礎上也大量使用了JavaScript腳本技術。例如，為了讓用戶直觀的了解船舶動態信息，在系統中嵌入了基于JS腳本技術的地圖模塊。鑒于岸端管理系統僅使用地圖的定位功能，所以在開發過程中暫時沒有使用電子海圖API，而是采用了免費的百度地圖API，以下為定位標示和航向顯示的主要腳本程序。

mymap.addOverlay(marker);//將矢量定位標示添加在地圖中。

4　結語

在“互聯網+”以及“大數據”時代的背景下，對船舶的基本信息以及油耗數據進行遠程監測管理也將會是航運業發展的一個重要發展方向[5]。船舶的遠程監管、有利于船東更加直觀的掌握船舶實時動態信息、方便船舶的調度和管理工作，同時對船舶油耗數據庫的進行深入開發，聯合油耗數據和各項運行參數挖掘分析，可為船東制定船舶節能和輪機保養方案提供有效數據參考，這樣響應了節能減排的號召，也實現了企業綜合效益的最大化。

[1]陶秀.船舶燃油消耗狀況實時遠程監測系統的設計[D].武漢:武漢理工大學,2008.

[2]李洪亮.車輛油耗實時監測與信息管理系統研究[D].吉林:東北林業大學,2014.

[3]劉火良.STM32庫開發實戰指南[M].北京:機械工業出版,2013.

[4]傳智播客高教產品研發部.PHP程序設計基礎教程[M].北京:中國鐵道出版社,2014.

[5]鄭士君.遠洋船舶在線監控系統的研究[J].中國航海,2008,31(4):335-340.

Design of Remote Fuel Consumption Managementsystem for Aship

Wei Xiaoxing,Xu Yiqun,Guo Tao
(Marine Engineering,Jimei University Institute,Xiamen 360121,Fujian,China)

Based onsTM32 embedded andsensor measurement technology,theship navigation parameters, the basic operating parameters of main engine and the fuel consumption details ofship's major power plant are centralzedly collected andsent to data managementservices center onshore.Data center managementsystem of theship fuel consumption with B/Sstructure and good man-machine interface is developed based on WAMP,which achieves intuitive dynamicship remotesupervision task and efficientlysolutes the analysis of fuel consumption ofVessel forshipowner.

navigation parameters;fuel consumption ofship;remote management

TP274

A

1003-4862（2015）10-0045-05

2015-07-25

魏小星（1987-），男，碩士研究生，遠洋高級輪機員。研究領域：輪機工程。

關健詞：航行參數船舶油耗遠程監管