湯 雷 張 勇 應曉慧

（1.中國艦船研究設計中心 武漢 430064）（2.武漢船舶通信研究所 武漢 430064）

1 引言

隨著社會的進步，越來越多的貨物將會以船載的方式在海上和內(nèi)河上運輸，船載的方式給我們帶來便利的同時，也帶了新的安全隱患，近年來，船舶載運貨物的事故時常發(fā)生，因此加強對船舶載運貨物的遠程監(jiān)控已經(jīng)成為一個日益重要的問題。

目前船舶集成遠程監(jiān)控系統(tǒng)主要是通過海事衛(wèi)星實現(xiàn)數(shù)據(jù)同步通信的，在經(jīng)濟投入方面相對較大。隨著無線蜂窩通信技術的逐步成熟，其在相同信息傳輸量上的花銷費用只有海事衛(wèi)星的四分之一，而且技術上也要求更低。所以，基于GPRS的遠程監(jiān)控系統(tǒng)在船舶貨物狀態(tài)監(jiān)控方面能很好得以應用，并有著廣泛的市場前景。

因此基于GPRS技術的遠程監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)成為當前研究的熱點之一，并已有許多研究成果應用于實踐。但是，現(xiàn)有的系統(tǒng)未將GPRS網(wǎng)絡與大規(guī)模有線網(wǎng)絡如Internet有機結合起來。融合多種異構網(wǎng)絡系統(tǒng)的優(yōu)點在設計上也尚不完整，未能充分挖掘網(wǎng)絡的廣泛應用為系統(tǒng)業(yè)務帶來的增值空間［1～3］。GPRS作為無線數(shù)據(jù)業(yè)務的承載，充分融合了GSM 無線技術和IP 等網(wǎng)絡技術，GPRS具有數(shù)據(jù)傳輸速率高、永遠在線、按流量計費等優(yōu)點。GPRS 提供了高效、低成本的無線分組數(shù)據(jù)業(yè)務，特別適用于間斷的，突發(fā)性的或頻繁的、少量的數(shù)據(jù)傳輸，已被廣泛應用于基于無線移動網(wǎng)絡的遠程監(jiān)控系統(tǒng)［4～7］。

針對船載貨物狀態(tài)本文提出了一種基于GPRS通信技術與Web／WAP網(wǎng)絡服務相結合的遠程監(jiān)控系統(tǒng)構架。將無線網(wǎng)絡與大規(guī)模有線網(wǎng)絡互聯(lián)，擴展了通信網(wǎng)絡的應用范圍，并提高了整個系統(tǒng)的靈活性和穩(wěn)定性［8］。同時，系統(tǒng)結合了B／S這種網(wǎng)絡瀏覽模式，使得系統(tǒng)結構更加完整，而且對貨物狀態(tài)遠程監(jiān)控設備的管理更加方便和靈活。

2 系統(tǒng)總統(tǒng)設計

將基于GPRS和Web／WAP的遠程監(jiān)控系統(tǒng)分為兩個部分，分別是：遠程監(jiān)控終端（Remote Monitoring Terminal，RMT）、網(wǎng)絡監(jiān)控平臺（Web Monitoring Flat，WMF）。系統(tǒng)結構如圖1所示，虛線左邊是遠程監(jiān)控終端（RMT），遠程監(jiān)控終端包含了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。網(wǎng)絡監(jiān)控平臺應用B／S網(wǎng)絡模式對SQL SERVER 數(shù)據(jù)庫進行操作，并將數(shù)據(jù)庫中所采集的數(shù)據(jù)進行顯示，同時也可以通過B／S形式對圖像采集模塊進行控制。

圖1 遠程監(jiān)控系統(tǒng)

3 船載貨物狀態(tài)數(shù)據(jù)采集與處理

3.1 船載貨物狀態(tài)數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集模塊結構如圖2所示。采集的當前數(shù)據(jù)存儲的同時，交由數(shù)據(jù)分析處理模塊進行數(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)這三種不同類型貨物進行。1）集裝箱貨物狀態(tài)數(shù)據(jù)：對集裝箱船舶貨物狀態(tài)的動態(tài)數(shù)據(jù)可由電子積載圖來明確表示。2）雜散貨物狀態(tài)數(shù)據(jù)：對大宗散貨（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)、油份濃度監(jiān)控系統(tǒng)等。通過數(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、惰性氣體濃度等。

3.2 數(shù)據(jù)分析處理

數(shù)據(jù)分析處理模塊結構示意圖如果3所示。所采集的數(shù)字數(shù)據(jù)并非都是有效數(shù)據(jù)，進行有效性檢驗實質(zhì)是濾除非法數(shù)據(jù)和無效數(shù)據(jù)。有效性檢驗包括：數(shù)據(jù)時效的準確性檢驗、數(shù)據(jù)量值的范圍檢驗、異常數(shù)據(jù)檢驗。數(shù)據(jù)格式轉換是將不同量綱的數(shù)據(jù)一律轉換成標準量綱數(shù)據(jù)，以及統(tǒng)一數(shù)據(jù)類型。數(shù)字數(shù)據(jù)的分類與標識按照數(shù)據(jù)功能實現(xiàn)不同分類。

3.3 數(shù)據(jù)傳輸控制

數(shù)據(jù)傳輸控制結構示意圖如圖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)進行加密、壓縮、打包，然后通過無線通信終端（GPRS系統(tǒng)）發(fā)送到監(jiān)控中心。同時對圖像數(shù)據(jù)進行流控制，實現(xiàn)透明傳輸。

4 遠程監(jiān)控終端硬件設計

遠程監(jiān)控終端（Remote Monitoring terminal，RMT）主要做船載貨物狀態(tài)的傳感數(shù)據(jù)收集、分析、過濾以及傳輸工作。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、GPRS傳輸模塊六個部分。

圖3 數(shù)據(jù)分析處理模塊結構示意圖

圖4 數(shù)據(jù)傳輸控制結構示意圖

系統(tǒng)硬件結構框圖，如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)硬件結構

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)測單元，部署在各個監(jiān)測點，負責船舶貨物狀態(tài)數(shù)據(jù)的收集與過濾，前端采集監(jiān)測單元通過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LPC2368的數(shù)據(jù)處理控制單元，通過這個控制單元將前端數(shù)據(jù)采集監(jiān)測單元所收集到的貨物狀態(tài)數(shù)據(jù)通過GPRS模塊傳送到網(wǎng)絡監(jiān)控平臺的網(wǎng)頁界面上。

STC12C5A32S2芯片工作頻率：0MHz～35MHz；有最高可達62K 字節(jié)片內(nèi)Flash 程序存儲器；1280 字節(jié)片內(nèi)RAM 數(shù)據(jù)存儲器；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）。符合前端監(jiān)測單元的要求，

控制單元核心處理器為LPC2368芯片，該芯片模塊可以嵌套μCOS-II操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)可以對串口攝像頭進行控制，并實施拍攝、存儲、發(fā)送／傳輸?shù)裙δ?。當前端采集監(jiān)測單元將收集到的數(shù)據(jù)通過CAN 總線模塊傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理控制單元時，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)絡中，同時網(wǎng)絡監(jiān)控中心也可以通過Internet網(wǎng)絡向控制單元發(fā)送控制命令，使LPC2368芯片能夠通過串口，控制攝像頭的拍攝操作以及圖像壓縮存儲功能。

這里選用的GPRS模塊是西門子的MC55。GPRS模塊和數(shù)據(jù)處理控制單元之間的數(shù)據(jù)通信主要是通過端口TXD0和TXD1之間，RXD0與RXD1之間的數(shù)據(jù)傳輸來完成的。

和GPRS模塊的通信都是通過AT＿COMMAD 命令來完成的，向GPRS模塊發(fā)送AT 指令則會返回該條指令的回復信息。AT 指令以“AT”開頭，以〈CR〉〈LF〉結尾，不區(qū)分大小寫。每條指令執(zhí)行后返回的信息，包括接收到的來自另一方的信息都是以〈CR〉〈LF〉開頭，以〈CR〉〈LF〉結尾。

AT 指令總的來說可以分為四種類型，測試指令、讀取指令、寫入指令和執(zhí)行指令。各個公司生產(chǎn)的不同的GPRS模塊所使用的AT 指令會有所差別。

GPRS模塊內(nèi)嵌了TCP／IP協(xié)議棧，這在通過命令驅動GPRS模塊上Internet網(wǎng)絡時將會變得十分方便。

5 系統(tǒng)軟件設計

5.1 模塊軟件框架設計

軟件采用標準的C 語言構造。KeilC51 編譯器編譯。系統(tǒng)軟件設計包括兩個部分：一是單片機對各個功能芯片的控制字的寫入；二是GPRS數(shù)據(jù)接收發(fā)程序設計［9］。

5.1.1 圖像采集程序設計

考慮到對圖像采集模塊的控制，選擇的型號為GXTM201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 萬像素CMOS 攝像頭，最大分辨率為640＊480，是一個內(nèi)含有拍攝控制、視頻捕捉、圖像數(shù)據(jù)采集、圖像JPEG 壓縮、串口通訊等功能齊全的圖像采集設備。LPC控制單元通過串口以約定的協(xié)議對攝像頭進行控制。LPC控制單元與攝像頭是一種主從關系，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)送響應消息。圖6所示的是圖像采集模塊的采集流程圖。

圖像格式：攝像頭輸出的圖像格式為JPEG。

圖像分辨率：640＊480、320＊240、160＊120。圖像分辨率越高，則圖像數(shù)據(jù)量越大。

5.1.2 GPRS模塊數(shù)據(jù)發(fā)送程序

LPC控制單元將GPS的地理位置信息和各監(jiān)控節(jié)點的信息儲存在RAM 中。通過AT 指令控制GPRS模塊發(fā)送短信，將監(jiān)控信息傳給遠程監(jiān)控中心。限于篇幅只列出用到的主要AT 指令程序［10～11］。

打開TCP連接：

圖6 JPEG 圖像采集流程

5.2 網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)軟件框架設計

系統(tǒng)開發(fā)平臺為μCOS-II操作系統(tǒng)，使用C等語言進行開發(fā)。系統(tǒng)通過貨物狀態(tài)數(shù)據(jù)采集群采集到各個監(jiān)控點的現(xiàn)場信息，并對其進行處理之后將處理結果通過Internet或GPRS發(fā)送至遠程監(jiān)控平臺。軟件結構圖如圖7所示。

圖7 軟件結構圖

5.3 統(tǒng)一接口結構設計

系統(tǒng)使用主從式結構設計，其中包括統(tǒng)一接口設計、模塊化設計。所謂主從式結構設計是以一臺設備為主控設備，其它設備為從設備的結構，主控設備負責管理所有的從設備并負責與客戶端交互，從設備負責采集監(jiān)控點的現(xiàn)場信息并將這些信息處理后發(fā)送到主控設備。其優(yōu)點是可以在主控設備不變動的前提下隨意添加從設備，擴展性強，編程方便，與外界的通訊全部由主控設備來完成，這樣不必為每一個設備都配備一個通訊設備，從而降低系統(tǒng)的成本。圖8所示為同一接口結構圖。

圖8 統(tǒng)一接口設計

本系統(tǒng)所有的監(jiān)控中心（Web端、手機軟件端、短信端）均使用相同的指令訪問LPC控制單元設備，LPC 控制單元負責監(jiān)控中心和前端監(jiān)測單元所有的數(shù)據(jù)通信，相當于一個數(shù)據(jù)中轉服務器，將監(jiān)控中心發(fā)來的命令經(jīng)過解析后發(fā)送到前端監(jiān)測單元，然后把前端監(jiān)測單元反饋的信息轉發(fā)給監(jiān)控中心。

5.4 Web／WAP監(jiān)控模塊的實現(xiàn)

Web／WAP監(jiān)控模塊采用B／S 模式進行設計，利用Web／WAP瀏覽器隊多個監(jiān)控地點進行監(jiān)控，這些監(jiān)控地點首先會把對貨物狀態(tài)監(jiān)測的數(shù)據(jù)放入數(shù)據(jù)庫中，然后根據(jù)數(shù)據(jù)類型分類，對數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)查詢，曲線擬合等功能。同時對多個監(jiān)控地點的監(jiān)控包括信息顯示和遠程控制兩個功能。信息顯示包括對多個監(jiān)控場合的實時圖片、時間、溫度、濕度、等信息的顯示，當監(jiān)控場合有異常時，相應的監(jiān)控窗口會有文字閃爍、語音等報警信息。Web／WAP頁面接受采集的圖像和傳感器的各種數(shù)據(jù)，更改監(jiān)控場合的溫度、濕度、煙霧、紅外等報警參數(shù)。更改圖像采集模塊傳送來圖像的大小、清晰度、幀速等的參數(shù)，更改短信報警的號碼。

圖9 監(jiān)控中心軟件體系結構

5.5 Web的應用平臺

在WebGIS的開發(fā)平臺上，采用Browser／Server結構，極大地簡化了客戶機的工作，降低了對客戶機性能的要求，不需要在客戶端安裝任何插件。無論是PC 還是工作站，用戶打開Web瀏覽器，就可以進行漫游地圖、搜索地理信息、訪問多種數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)等。

由于試驗設備的限制，整個系統(tǒng)設備用公路移動載體為實驗協(xié)作體，如圖10顯示的是在Google地圖上的B／S在線監(jiān)控模式，圖中的黑色線條為遠程監(jiān)控終端的移動軌跡回放。

圖10 基于Google Maps的軌跡回放

6 結語

介紹了一種基于GPRS和Web／WAP的船載貨物狀態(tài)的遠程監(jiān)控系統(tǒng)，構建了結合移動網(wǎng)絡與Internet網(wǎng)絡的系統(tǒng)框架，對系統(tǒng)各組成部分的功能和設計進行了詳細的描述，并重點分析了遠程監(jiān)控系統(tǒng)的硬件和軟件設計，隨著GPRS技術的廣泛應用，基于GPRS和Internet網(wǎng)絡服務的遠程監(jiān)控系統(tǒng)將會有更大的應用前景和空間。

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