劉克中，熊 跡，呂植勇，杜 柯，趙華偉

(1．武漢理工大學(xué)航運(yùn)學(xué)院，湖北 武漢 430063;2．武漢理工大學(xué)智能運(yùn)輸系統(tǒng)研究中心，湖北 武漢 430063;3．武漢理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430063)

近年來(lái)，船舶載運(yùn)貨物的事故時(shí)常發(fā)生，因此加強(qiáng)對(duì)船舶載運(yùn)貨物的遠(yuǎn)程監(jiān)控已經(jīng)成為一個(gè)日益重要的問題。目前船舶集成遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主要是通過(guò)海事衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同步通信的，在經(jīng)濟(jì)投入方面相對(duì)較大。隨著無(wú)線蜂窩通信技術(shù)逐步成熟，其在相同信息傳輸量上的費(fèi)用只有海事衛(wèi)星的1/4，而且技術(shù)上要求更低。因此基于GPRS技術(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)［1－4］已經(jīng)成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一，并已有許多研究成果應(yīng)用于實(shí)踐。但是，現(xiàn)有的系統(tǒng)未將GPRS網(wǎng)絡(luò)與大規(guī)模有線網(wǎng)絡(luò)如Internet有機(jī)結(jié)合起來(lái)，融合多種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在設(shè)計(jì)上也尚不完整，未能充分挖掘網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用為系統(tǒng)業(yè)務(wù)帶來(lái)的增值空間［5－7］。

針對(duì)船載貨物狀態(tài)，筆者提出了一種基于GPRS通信技術(shù)與Web/WAP網(wǎng)絡(luò)服務(wù)相結(jié)合的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)架，將無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與大規(guī)模有線網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，擴(kuò)展了通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用范圍，提高了整個(gè)系統(tǒng)的靈活性和穩(wěn)定性［8］。同時(shí)，該系統(tǒng)結(jié)合B/S網(wǎng)絡(luò)瀏覽模式，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加完整，對(duì)貨物狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備的管理更加方便和靈活。

1 系統(tǒng)總統(tǒng)設(shè)計(jì)

將基于GPRS和Web/WAP的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)分為遠(yuǎn)程監(jiān)控終端(remote monitoring terminal，RMT)和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控平臺(tái)(Web monitoring flat，WMF)2個(gè)部分。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，虛線左邊是RMT，包含了GPS接收模塊、傳感器采集模塊、GPRS傳輸模塊、圖像采集模塊，以及基于LPC2368芯片的控制模塊;虛線右邊所示為網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控平臺(tái)應(yīng)用B/S網(wǎng)絡(luò)模式對(duì)SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行操作并將數(shù)據(jù)庫(kù)中所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，同時(shí)也可以通過(guò)B/S形式對(duì)圖像采集模塊進(jìn)行控制。

圖1 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

2 船載貨物狀態(tài)數(shù)據(jù)采集與處理

2．1 船載貨物狀態(tài)數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。在當(dāng)前采集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的同時(shí)，交由數(shù)據(jù)分析處理模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

圖2 數(shù)據(jù)采集模塊示意圖

船舶貨物狀態(tài)數(shù)據(jù)根據(jù)大宗貨物類型可以分為集裝箱、散雜貨和液貨。因此，貨物狀態(tài)數(shù)據(jù)采集根據(jù)這3種不同類型貨物進(jìn)行。①集裝箱貨物狀態(tài)數(shù)據(jù):對(duì)集裝箱船舶貨物狀態(tài)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)可由電子積載圖來(lái)明確表示;②雜散貨物狀態(tài)數(shù)據(jù):對(duì)大宗散貨(糧食、化肥、工業(yè)原料等)，在貨艙安裝溫度和濕度傳感器以監(jiān)視散狀貨物狀態(tài);③液化氣和油品數(shù)據(jù):專用液化氣船和油船都有本船監(jiān)控系統(tǒng)，包括油/氣艙監(jiān)控系統(tǒng)、油氣濃度監(jiān)控系統(tǒng)等。通過(guò)數(shù)據(jù)接口獲取數(shù)據(jù)，主要有:各艙室的油/氣溫度、壓力、液位和惰性氣體濃度等。

2．2 數(shù)據(jù)分析處理

數(shù)據(jù)分析處理模塊結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。數(shù)據(jù)有效性檢驗(yàn)的實(shí)質(zhì)是濾除非法數(shù)據(jù)和無(wú)效數(shù)據(jù)。有效性檢驗(yàn)包括:數(shù)據(jù)時(shí)效的準(zhǔn)確性檢驗(yàn)、數(shù)據(jù)量值的范圍檢驗(yàn)、異常數(shù)據(jù)檢驗(yàn)。數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換是將不同量綱的數(shù)據(jù)一律轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)量綱數(shù)據(jù)，以及統(tǒng)一數(shù)據(jù)類型。數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的分類與標(biāo)識(shí)按照數(shù)據(jù)功能實(shí)現(xiàn)不同分類。

圖3 數(shù)據(jù)分析處理模塊結(jié)構(gòu)示意圖

2．3 數(shù)據(jù)傳輸控制

數(shù)據(jù)傳輸控制結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。數(shù)據(jù)傳輸控制系統(tǒng)是將數(shù)據(jù)分類后需要傳輸?shù)奖O(jiān)控中心的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密、壓縮和打包，然后通過(guò)無(wú)線通信終端(GPRS系統(tǒng))發(fā)送到監(jiān)控中心。同時(shí)對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行流控制，實(shí)現(xiàn)透明傳輸。

圖4 數(shù)據(jù)傳輸控制結(jié)構(gòu)示意圖

3 遠(yuǎn)程監(jiān)控終端硬件設(shè)計(jì)

RMT主要完成船載貨物狀態(tài)的傳感數(shù)據(jù)收集、分析、過(guò)濾和傳輸工作。它主要包括傳感數(shù)據(jù)采集模塊、圖像采集模塊、CAN總線模塊、GPS定位模塊、數(shù)據(jù)處理控制模塊和GPRS傳輸模塊6個(gè)部分。

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。圖5中以STC12C5A32S2芯片為主要處理器的數(shù)據(jù)采集模塊為前端采集監(jiān)測(cè)單元，部署在各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，負(fù)責(zé)船舶貨物狀態(tài)數(shù)據(jù)的收集與過(guò)濾，前端采集監(jiān)測(cè)單元通過(guò)CAN總線模塊將采集到的數(shù)據(jù)和GPS模塊的定位數(shù)據(jù)傳輸給以主處理器為L(zhǎng)PC2368的數(shù)據(jù)處理控制單元，通過(guò)這個(gè)控制單元將前端數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)單元所收集到的貨物狀態(tài)數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS模塊傳送到網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控平臺(tái)的網(wǎng)頁(yè)界面上。

圖5 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

STC12C5A32S2芯片工作頻率為0～35 MHz;有最高可達(dá)62 k字節(jié)片內(nèi)Flash程序存儲(chǔ)器;1 280字節(jié)片內(nèi)RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器;8通道10位高速ADC;高速SPI串行通信端口;全雙工異步串口(UART);通用I/O口(36個(gè));符合前端監(jiān)測(cè)單元的要求?？刂茊卧诵奶幚砥鳛長(zhǎng)PC2368芯片，該芯片模塊可以嵌套μCOS－II操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)可以對(duì)串口攝像頭進(jìn)行控制，并實(shí)施拍攝、存儲(chǔ)、發(fā)送/傳輸?shù)裙δ?。?dāng)前端采集監(jiān)測(cè)單元將收集到的數(shù)據(jù)通過(guò)CAN總線模塊傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理控制單元時(shí)，數(shù)據(jù)處理控制單元根據(jù)傳輸協(xié)議要求給不同模塊采集到的數(shù)據(jù)分配不同的格式，然后控制GPRS模塊的MC55芯片將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絀nternet網(wǎng)絡(luò)中，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控中心也可以通過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò)向控制單元發(fā)送控制命令，使LPC2368芯片能夠通過(guò)串口控制攝像頭的拍攝操作以及圖像壓縮存儲(chǔ)功能。

GPRS模塊和數(shù)據(jù)處理控制單元之間的數(shù)據(jù)通信主要是通過(guò)端口TXD0與TXD1之間、RXD0與RXD1之間的數(shù)據(jù)傳輸來(lái)完成的。

與GPRS模塊的通信都是通過(guò)AT_COMMAD命令來(lái)完成的，向GPRS模塊發(fā)送AT指令則會(huì)返回該條指令的回復(fù)信息。AT指令以“AT”開頭，以＜CR＞＜LF＞結(jié)尾，不區(qū)分大小寫。每條指令執(zhí)行后返回的信息，包括接收到的來(lái)自另一方的信息都是以＜CR＞＜LF＞開頭，以＜CR＞＜LF＞結(jié)尾。

GPRS模塊內(nèi)嵌了TCP/IP協(xié)議棧，使得通過(guò)命令驅(qū)動(dòng)GPRS模塊上Internet網(wǎng)絡(luò)時(shí)將會(huì)變得十分方便。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4．1 模塊軟件框架設(shè)計(jì)

軟件采用標(biāo)準(zhǔn)的C語(yǔ)言構(gòu)造，KeilC51編譯器編譯。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括兩個(gè)部分:一是單片機(jī)對(duì)各個(gè)功能芯片的控制字的寫入;二是GPRS數(shù)據(jù)接收發(fā)程序設(shè)計(jì)［9］。

4．1．1 圖像采集程序設(shè)計(jì)

考慮到對(duì)圖像采集模塊的控制，選擇的型號(hào)為GXT－M201的串口攝像頭是一款具有視頻采集和圖像壓縮功能的攝像頭，具有30萬(wàn)像素CMOS攝像頭，最大分辨率為640×480，是一個(gè)內(nèi)含有拍攝控制、視頻捕捉、圖像數(shù)據(jù)采集、圖像JPEG壓縮和串口通信等功能齊全的圖像采集設(shè)備。LPC控制單元通過(guò)串口以約定的協(xié)議對(duì)攝像頭進(jìn)行控制。LPC控制單元與攝像頭是一種主從關(guān)系，攝像頭的操作命令由LPC控制單元發(fā)出，LPC控制單元可以控制攝像頭的輸出格式、分辨率。攝像頭向LPC控制單元發(fā)送響應(yīng)消息。圖像采集模塊的采集流程圖如圖6所示。

缺鉀發(fā)生原因：首先與土壤及氣候因素有關(guān)，砂質(zhì)土、紅壤和沖積土等土壤鉀的含量較低，砂質(zhì)土壤或有機(jī)質(zhì)含量低的土壤鉀易于流失。其次，含鈣、鎂量高的土壤，由于鈣和鎂的頡頏作用，使鉀的有效性降低。此外干旱也會(huì)導(dǎo)致土壤中鉀的有效性降低。最后，柑橘園長(zhǎng)期不施鉀肥或鉀肥用量不足，也會(huì)導(dǎo)致土壤中鉀的缺乏。

攝像頭輸出的圖像格式為JPEG。圖像分辨率為 640×480、320×240、160×120。圖像分辨率越高，則圖像數(shù)據(jù)量越大。

4．1．2 GPRS 模塊數(shù)據(jù)發(fā)送程序

圖6 JPEG圖像采集流程

LPC控制單元將GPS的地理位置信息和各監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的信息儲(chǔ)存在RAM中。通過(guò)AT指令控制GPRS模塊發(fā)送短信，將監(jiān)控信息傳給遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。限于篇幅只列出主要AT指令程序［10］。

打開TCP連接:

AT^SISO=1;//寫入數(shù)據(jù)

AT^SISW=1，20;//要發(fā)送字節(jié)

12345678901234567890;//收到 20個(gè)數(shù)據(jù)后，MC55將自動(dòng)發(fā)送出去

AT^SISC=1;//關(guān)閉TCP連接

4．2 網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)軟件框架設(shè)計(jì)

系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)為μCOS－II操作系統(tǒng)，使用C語(yǔ)言進(jìn)行開發(fā)。系統(tǒng)通過(guò)貨物狀態(tài)數(shù)據(jù)采集群采集到各個(gè)監(jiān)控點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)信息，并對(duì)其進(jìn)行處理之后將處理結(jié)果通過(guò)Internet或GPRS發(fā)送至遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)。軟件結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。

圖7 軟件結(jié)構(gòu)圖

4．3 統(tǒng)一接口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)使用主從式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其中包括統(tǒng)一接口設(shè)計(jì)、模塊化設(shè)計(jì)。所謂主從式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是以一臺(tái)設(shè)備為主控設(shè)備，其他設(shè)備為從設(shè)備的結(jié)構(gòu)，主控設(shè)備負(fù)責(zé)管理所有的從設(shè)備并負(fù)責(zé)與客戶端交互，從設(shè)備負(fù)責(zé)采集監(jiān)控點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)信息并將這些信息處理后發(fā)送到主控設(shè)備。其優(yōu)點(diǎn)是可以在主控設(shè)備不變動(dòng)的前提下隨意添加從設(shè)備，擴(kuò)展性強(qiáng)，編程方便，與外界的通信全部由主控設(shè)備來(lái)完成，這樣不必為每一個(gè)設(shè)備都配備一個(gè)通信設(shè)備，從而降低系統(tǒng)的成本。圖8所示為統(tǒng)一接口結(jié)構(gòu)圖。

圖8 統(tǒng)一接口設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

該系統(tǒng)所有的監(jiān)控中心(Web端、手機(jī)軟件端、短信端)均使用相同的指令訪問LPC控制單元設(shè)備，LPC控制單元負(fù)責(zé)監(jiān)控中心和前端監(jiān)測(cè)單元所有的數(shù)據(jù)通信，相當(dāng)于一個(gè)數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)服務(wù)器，將監(jiān)控中心發(fā)來(lái)的命令經(jīng)過(guò)解析后發(fā)送到前端監(jiān)測(cè)單元，然后把前端監(jiān)測(cè)單元反饋的信息轉(zhuǎn)發(fā)給監(jiān)控中心。

4．4 Web/WAP監(jiān)控模塊的實(shí)現(xiàn)

Web/WAP監(jiān)控模塊采用B/S模式進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用Web/WAP瀏覽器對(duì)多個(gè)監(jiān)控點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控，將獲取的貨物狀態(tài)數(shù)據(jù)放入數(shù)據(jù)庫(kù)中，然后根據(jù)數(shù)據(jù)類型分類，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)查詢和曲線擬合等功能。同時(shí)可實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)監(jiān)控點(diǎn)的監(jiān)控包括信息顯示和遠(yuǎn)程控制兩個(gè)功能。信息顯示包括對(duì)多個(gè)監(jiān)控場(chǎng)合的實(shí)時(shí)圖片、時(shí)間、溫度和濕度等信息的顯示，當(dāng)監(jiān)控場(chǎng)合有異常時(shí)，相應(yīng)的監(jiān)控窗口會(huì)有文字閃爍、語(yǔ)音等報(bào)警信息。Web/WAP頁(yè)面接受采集的圖像和傳感器的各種數(shù)據(jù)，更改監(jiān)控場(chǎng)合的溫度、濕度、煙霧和紅外等報(bào)警參數(shù)。更改圖像采集模塊傳送來(lái)圖像的大小、清晰度和幀速等參數(shù)，更改短信報(bào)警的號(hào)碼。監(jiān)控中心軟件體系結(jié)構(gòu)如圖9所示。

4．5 Web的應(yīng)用平臺(tái)

圖9 監(jiān)控中心軟件體系結(jié)構(gòu)

在WebGIS的開發(fā)平臺(tái)上，采用B/S結(jié)構(gòu)，極大地簡(jiǎn)化了客戶機(jī)的工作，降低了對(duì)客戶機(jī)性能的要求，不需要在客戶端安裝任何插件。無(wú)論是PC還是工作站，用戶打開Web瀏覽器，就可以漫游地圖、搜索地理信息和訪問多種數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)等。

由于試驗(yàn)設(shè)備的限制，整個(gè)系統(tǒng)設(shè)備用公路移動(dòng)載體為實(shí)驗(yàn)協(xié)作體，圖10顯示的是在Google地圖上的B/S在線監(jiān)控模式，圖中的黑色細(xì)線條為遠(yuǎn)程監(jiān)控終端的移動(dòng)軌跡回放。

圖10 基于Google地圖的軌跡回放

5 結(jié)論

介紹了一種基于GPRS和Web/WAP的船載貨物狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，構(gòu)建了結(jié)合移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)與Internet網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)框架，對(duì)系統(tǒng)各組成部分的功能和設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)描述，并重點(diǎn)分析了遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)，隨著GPRS技術(shù)的廣泛應(yīng)用，基于GPRS和Internet網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)將會(huì)有更大的應(yīng)用前景和空間。

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