面向船舶健康監測的智能網關設計與實現

錢燦軍，曹毓華，房崇鑫

(1.揚州萬方電子技術有限責任公司，江蘇 揚州 225006；2.揚州大學 信息工程學院，江蘇 揚州 225127)

0 引言

隨著傳感器技術、網絡技術和無線通信技術的高速發展，無線傳感器網絡得到了廣泛應用[1]。無線傳感器網絡是由多個無線傳感器節點作為基礎搭建起來的系統框架，通過各種集成化的微型傳感器節點[2]協作地獲取對象相關數據[3]，利用自組織無線通信網絡[4]將所感知信息傳送到匯聚節點[5]，最終將數據傳達到信息中心[6]。

本文基于無線傳感器網絡技術，設計了一種無線傳感器智能網關，能夠很好地解決有線/無線異構網絡互連互通問題。該網關的特點是可以對不同網絡的通信協議進行轉換翻譯，將不同消息格式、不同通信協議[7]或不同結構類型[8]的網絡互連起來，實現不同網絡協議間數據包的發送和接收。該研究能解決新一代船舶智能監控系統中的信息采集、傳輸關鍵技術，對船舶機艙關鍵部位如動力系統、通信系統和導航系統[9]等性能數據進行實時收集和處理，建立船舶健康數據庫[10]，找出設備性能變化趨勢，提前對設備故障進行預測和告警，延長設備使用壽命。

1 智能網關方案設計

本文基于無線傳感器網絡和以太網技術，設計了監控與預警系統中的無線傳感器節點的智能網關設備。智能網關設備是無線傳感器網絡的區域簇頭[11]，其作為無線傳感器網絡的區域中心節點，是無線傳感器網絡之間及無線傳感器網絡與外部網絡之間通信的關鍵。

1.1 智能網關的主要研究

從智能網關中多種主流無線數據傳輸協議和預處理功能出發，對智能網關設備的關鍵技術進行研究。

1.1.1 多種主流無線數據傳輸協議

智能網關設備的多協議[12]主要包括兩方面：一是能夠支持不同無線傳輸協議傳感器節點的接入、信息匯聚和消息格式轉換；二是能夠采用多種傳輸方式將本區域節點信息上傳信息中心。

針對船舶綜合監測需要采集的信息種類較多，涉及的各類專用傳感器種類[13]也比較繁雜，不同種類的傳感器常常采用不同的通信傳輸方式。因此，智能網關需要能夠支持多種主流無線傳感器傳輸協議，如藍牙、ZigBee等。不同種類傳感器采集到的信息在智能網關處匯集并進行消息格式轉換，然后按照管理系統的要求，重新封裝成為需要的格式，通過無線傳輸方式上傳給信息中心。研究的重點有以太網/藍牙網關、以太網/ZigBee網關等。

無線傳感器網絡構成如圖1所示。多個ZigBee、藍牙節點組成某個區域傳感器網絡。由于監控節點到信息中心，二者之間需要利用遠/近距離傳輸，使各個監控節點采集的數據，逐層通過ZigBee、藍牙節點匯集到智能網關處。智能網關再通過無線/有線傳輸協議上傳給信息中心，在信息中心對收到的信息進行進一步的智能處理。

圖1 無線傳感器網絡構成

1.1.2 預處理功能

采用分布式與集中式[15-16]相結合的處理方式，將各個傳感器采集到的信息在節點或節點的簇頭[17]處先進行處理。如果是告警級別較低的事件，則直接通知執行節點進行相應的燈光警告、聲音警告等處理，然后將處理后的告警信息類型上傳給信息中心。如果在節點或簇頭處處理時，認為是高等級告警事件或僅憑本地信息難以識別告警信息的具體類型時，再將該信息上傳信息中心，等待信息分發平臺給出下一步命令，預處理示意如圖2所示。

圖2 預處理示意

1.2 數據轉發與協議轉換

本文設計的智能網關主要通過ZigBee協議、藍牙協議和IEEE802.3協議這3種常用的協議實現數據轉發和協議轉換兩大功能，智能網關協議棧結構如圖3所示。

圖3 智能網關協議棧結構

智能網關上的協議棧以以太網的TCP/IP協議棧[18]作為主體，轉換過程為：智能網關數據發送時將ZigBee網絡或藍牙網絡的幀格式轉換為以太網的幀格式，數據接收時將以太網的幀格式轉換為ZigBee網絡或藍牙網絡[19]的幀格式，通過這種轉換機制完成不同網絡協議棧的轉換。不僅如此，ZigBee網絡和藍牙網絡之間也可以通過智能網關協議棧進行中轉傳輸，以TCP/IP協議棧的TCP/UDP傳輸層、IP網絡層和IEEE802.3 LLC層作為中轉介質，可實現ZigBee網絡和藍牙網絡間數據傳輸。因此，本文設計的智能網關不僅可以使ZigBee網絡和藍牙網絡接入以太網，而且在ZigBee網絡和藍牙網絡間也可以進行數據通信。

1.3 面向船舶的網關具體應用

通過智能網關實現了船舶機艙關鍵部位無線傳感器網絡的數據采集和傳輸，船舶信息處理中心收到各部位關鍵性能數據后，動態建立船舶健康指標數據庫，對關鍵性能指標不間斷監測。通過對船舶相關大數據進行深度挖掘和特征提取，如圖4所示。找出設備性能變化趨勢，提前對設備可能出現的故障隱患進行預測和告警。必要時及時對船舶設備進行維修和保養，從而能夠降低設備使用和保障費用，延長設備使用壽命。

圖4 船舶性能數據采集、挖掘、呈現示意

2 網關硬件設計

智能網關硬件平臺的設計方案較多，為滿足船舶機艙區域內無線網關的設計需求，從以下幾方面對硬件平臺主要參考指標進行了設計分析，從而優選符合設計要求的最佳設計方案。

① 主控芯片處理性能。處理器性能是由多種因素決定的，如最大時鐘頻率、寄存器大小、指令執行方式、Flash存儲空間和IO空間分配等。本文所述網關中不需要挑選速度最快的處理器，而是在于選取能夠完成業務需求的處理器和輸入/輸出子系統。為了方便船舶機艙區域監控節點部署，主控芯片選用體積小、功耗低和設計方便的處理器。

② 外圍芯片性能指標。嵌入式處理器一般都集成了豐富的外設，而外設支持多、外圍芯片少的設計方案能夠節省大量的硬件設計開發周期，只需要簡單阻容或邏輯電容即可完成設計要求。

③ 軟件開發工具及調試工具。確定了主控處理器及外圍芯片設計，選擇合適的開發工具和調試工具，可以加快對智能網關設備設計。

由于無線網絡是基于IP協議的，所以主控制器在以太網通信時要發送符合IP協議的數據包。本網關使用ARM、DSP等復雜指令集處理器，配合μC/OS-II或者Linux等嵌入式操作系統，也能較容易地實現TCP/IP協議。主控制器中至少需要實現一部分IP協議， 同時設備成本合理，開發難度適中。

智能網關硬件平臺組成如圖5所示。智能網關主控制器為LM3S8962，TI的LM3S8000系列控制器基于ARM?CortexTM-M3技術[20]，是業界領先的高可靠性實時微處理器MCU產品，與ARM架構MCU中的以太網解決方案完美結合，其主頻50 MHz，內置64 KB SDRAM，256 KB FLASH，JTAG調試，具備以太網、UART、CAN、I2C、SPI等接口。其數據收發節點模塊采用ZigBee模塊和藍牙模塊，可以在低功耗的環境下進行信息傳達工作。

圖5 智能網關硬件平臺組成

3 網關軟件設計

針對面向船舶健康的智能網關的軟件設計，其中包含數據節點軟件設計、傳感器采集程序設計和通信程序設計。利用三者的結構銜接構成信息傳輸與監測的功能。

3.1 節點軟件設計

智能網關節點軟件設計包括ZigBee、藍牙節點軟件設計。ZigBee節點組網的實現需要ZigBee的Z-Stack協議棧支持，具有分層式結構。協議棧的實現需要系統抽象層的配合，后置拓展的程序是建立在協議棧和操作系統的基礎上。ZigBee的組網實現由協議棧的網絡層負責，在應用層設計相應的程序。本文在應用層完成采集傳感器數據，經過封裝后無線傳輸到ZigBee的協調器節點上。

藍牙節點的協議棧是BlueZ，BlueZ的協議棧分為內核區和用戶區兩部分，內核區包括BlueZ核心協議和驅動程序等，其中BlueZ-kernel和BlueZ-libs軟件包實現了主機控制接口和套接字功能。而在用戶區通過對智能網關的具體設計要求，利用庫函數自主開發實現藍牙設備的初始化、查詢等控制功能。

3.2 傳感器采集程序設計

傳感器數據的采集以溫濕度采集為例。要實現溫濕度數據讀取[21]，以MCU作為主機，MCU連接到傳感器，測試傳感器的響應，開始準備輸出數據。接著輸出40 bit數據(數據含義如表1所示)，高位先輸出。

表1 40位數據對應含義

3.3 通信程序設計

上一節完成了對傳感器數據的讀取，本節實現溫濕度的周期發送。App_ProcessEvent 函數用戶應用程序輪詢函數，由操作系統不斷檢查是否相關事件觸發，觸發之后執行對應的任務。其中 SAMPLEAPP_SEND_PERIODIC_MSG_EVT 為周期事件觸發標志，每次觸發事件之后還需要添加下一次觸發事件。

發送溫濕度給網關需要一個通信協議，這樣網關接收到節點協調器才能指定到具體節點。因此制定通信協議如表2所示。其中消息頭和消息尾是固定的，節點編號是下載程序時給每個節點分配的一個不同于其他節點的編號，數據長度代表后續有效數據的長度。后面接著2個字節的濕度、2個字節的溫度，最后是校驗值和消息尾。 校驗值采用的是校驗和。

表2 協調器發送數據格式

4 船舶健康監測服務器設計與實現

4.1 服務器硬件設計

服務器采用國產申威多核處理器、自主體系架構及國產基礎軟件研發成果，其特點是可以提供數據處理、存儲及管理功能。服務器主板主要由申威多核處理器、申威IO套片、PCI-E橋片PEX8747、網絡控制器T5ASIC40G、管理控制器ATS2400等組成，其原理如圖6所示。

圖6 服務器主板原理

通過CPU的內存控制器提供8個DDR通道，最大可配置64 GB內存。通過PEX8747擴展多路PCI-E接口；提供1路PCIE2.0×4接口，用于連接申威套片；提供1路PCIE2.0×1接口，用于連接管理控制器AST2400；提供2路PCIE3.0×8接口，擴展2路PCIE插槽，可用于接插RAID卡。通過網絡控制器T5ASIC40G提供1路40 Gb/s網絡接口和1路1 Gb/s網絡接口，連接到前面板，其中40 Gb/s網絡接口用于業務數據的傳輸，1 Gb/s網絡接口用于運維管理數據的傳輸。通過AST2400提供1路VGA接口，連接到前面板，同時AST2400還能采集主板狀態信息，通過IIC接口傳輸給采集處理模塊。通過申威套片提供2路USB3.0接口和2路SATA接口，其中USB接口通過前面板對外，SATA接口放置的主板內部。

服務器主板三維圖如圖7所示。

圖7 服務器主板三維圖

4.2 服務器軟件設計

4.2.1 前端采集軟件

前端采集軟件實時采集船舶機艙關鍵部位性能數據，采集數據經過協議解析和加解密過程得到的數據導入內存數據庫。通過結構化表格方法對內存數據庫中持久化功能層導入關系型數據庫。最終所有數據均通過管道方式加載到存儲數據庫。前端采集軟件架構如圖8所示。

圖8 前端采集軟件架構

數據源經過前端采集設備以協議的形式進行實時分析。協議分析主要為數據預處理、數據加解密、協議解析、數據抽取4個過程。數據預處理為數據的過濾、分類和校驗。協議解析需要使用到流處理引擎，根據需要選擇實時性要求，實時性要求越高對硬件性能要求越高。加解密過程是對帶有密級信息進行安全檢驗。數據抽取是經過分析后的數據進行合并匯總與區分。

4.2.2 健康數據挖掘、檢索軟件

健康數據挖掘的任務是發現知識，發現事物發展的動態規律和模式，再基于當前數據和得到的規律與模式，對事物的后續發展進行推斷和預測。健康數據檢索的任務是快速訪問及模糊定位。通過對關鍵信息建立索引，并實時更新索引庫，可以加快查詢效率及查詢準確性。

健康數據挖掘及檢索框架如圖9所示。

圖9 健康數據挖掘及檢索框架

4.3 硬件實物

船舶健康監測服務器實物如圖10所示。服務器上部為顯示、控制單元，下部為服務器計算、存儲和管理單元，整機體積小、重量輕、功耗低，便于船舶無線傳感器智能網關數據采集和健康監測環境使用。

圖10 船舶健康監測服務器實物

5 結束語

本文完成了無線傳感器智能網關和健康數據監測服務器的軟硬件平臺設計，實現了以太網/藍牙網關、以太網/ZigBee網關的數據轉發和協議轉換功能，實時收集和處理船舶機艙關鍵部位性能數據，建立船舶健康數據庫，對設備故障進行預測和告警。另外，研究的智能網關設備具有通用性，在監測區域部署多節點傳感器進行數據信息采集、傳輸場合均能可靠使用，如在機場、倉庫和碼頭等區域監測應用，市場潛力巨大，具有廣泛的應用推廣價值。