● 文|中國交通通信信息中心 李晶晶 張永超 徐丹

基于海事衛(wèi)星M2M的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

● 文|中國交通通信信息中心 李晶晶 張永超 徐丹

摘 要：本文分析了在極端環(huán)境下的野外勘測、管道、設(shè)備智能監(jiān)控等應(yīng)用場景的需求，研究基于海事衛(wèi)星通信技術(shù)的M2M應(yīng)用解決方案。本方案利用海事衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的全球覆蓋性，以及終端的便攜性，實(shí)現(xiàn)了傳感器設(shè)備與海事衛(wèi)星終端嵌入集成的一體化設(shè)計(jì)。方案中設(shè)計(jì)了基于海事衛(wèi)星無線通信技術(shù)的M2M產(chǎn)品架構(gòu)，包括數(shù)據(jù)采集模塊，衛(wèi)星通信模塊，以及應(yīng)用平臺的軟件體系結(jié)構(gòu)。本文充分論證了其產(chǎn)品的先進(jìn)性，及在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：海事衛(wèi)星 M2M 物聯(lián)網(wǎng)

一、概述

海事衛(wèi)星（Inmarsat）是全球第一個(gè)建設(shè)并形成全球通信覆蓋能力的移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)。從1982年提供服務(wù)開始，經(jīng)多次技術(shù)升級和發(fā)展，海事衛(wèi)星已從第一代的模擬信號通信，發(fā)展到第二代、第三代的數(shù)字通信，再到第四代IP寬帶通信。海事衛(wèi)星服務(wù)領(lǐng)域也從海上遇險(xiǎn)安全，延伸到航空安全和陸地應(yīng)急安全服務(wù)，成為可基本覆蓋全球、提供全天候、多種通信業(yè)務(wù)的國際移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)。

北京海事衛(wèi)星地面站從1992年開始就與Inmarsat合作，提供海事衛(wèi)星在中國的落地接續(xù)服務(wù)，是我國陸地、海上和航空公眾用戶接入國際海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)的唯一關(guān)口站。第四代海事衛(wèi)星北京關(guān)口站已于2013年12月開通運(yùn)行，為我國用戶提供符合國際標(biāo)準(zhǔn)的通信服務(wù)。本文基于對海事衛(wèi)星的數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)的研究,結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際中的實(shí)際需求,提出了基于海事衛(wèi)星M2M的數(shù)據(jù)采集解決方案。

M2M是機(jī)器對機(jī)器（Machine-To-Machine）通信的簡稱，它涵蓋了所有實(shí)現(xiàn)在人、機(jī)器、系統(tǒng)之間建立通信連接的技術(shù)和手段。目前M2M重點(diǎn)在于機(jī)器對機(jī)器的無線通信，是現(xiàn)階段物聯(lián)網(wǎng)的最普遍的應(yīng)用形式。

M2M需要依賴高可靠的通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)采集并傳輸?shù)綉?yīng)用平臺，因此在極端環(huán)境下的M2M應(yīng)用場景則更需要基于可靠的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)支持。因此我們認(rèn)為基于海事衛(wèi)星通信技術(shù)的M2M產(chǎn)品能夠?qū)崿F(xiàn)全球覆蓋及高效的數(shù)據(jù)傳輸。為了幫助企業(yè)遠(yuǎn)程管理監(jiān)控分布于各大洋區(qū)或內(nèi)陸偏遠(yuǎn)區(qū)域內(nèi)的船舶、車輛、管道等設(shè)施的狀態(tài)和環(huán)境狀況，我們開展了此項(xiàng)目的研究，目的是讓客戶更方便、直觀的管理自己的設(shè)備，為運(yùn)營提供決策依據(jù)。通過給設(shè)備加裝M2M衛(wèi)星終端設(shè)備，可獲取GPS、環(huán)境溫度、壓力等一系列外界環(huán)境信息，這些信息可主動(dòng)或被動(dòng)通過海事衛(wèi)星鏈路發(fā)送至地面服務(wù)器，服務(wù)器應(yīng)用程序?qū)@些數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘、分析、整理，并以客戶需要的方式直觀的提供給企業(yè)客戶。

二、應(yīng)用方案

1．應(yīng)用領(lǐng)域

（1）公共安全

1) 作為全球海上遇險(xiǎn)與安全系統(tǒng)（GMDSS）的一部分，海事衛(wèi)星因其全球覆蓋、性能穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)，在公共安全領(lǐng)域發(fā)揮了不可替代的作用。通過M2M應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)對救援目標(biāo)、救援設(shè)備實(shí)時(shí)跟蹤、監(jiān)測，提高救援效率。

2)特定區(qū)域的無人監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測，實(shí)時(shí)感應(yīng)數(shù)據(jù)傳回，異動(dòng)報(bào)警等功能。

（2）環(huán)境監(jiān)測

1)重點(diǎn)污染源實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過對重點(diǎn)區(qū)域部署的相關(guān)M2M設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)對河流、山川、大氣的實(shí)時(shí)監(jiān)測，為環(huán)境管理、污染控制、環(huán)境規(guī)劃、提供客觀的科學(xué)依據(jù)，提高環(huán)保執(zhí)法的現(xiàn)代化水平。

2)我國海域、河流較多，水文監(jiān)測異常重要，結(jié)合M2M設(shè)備可實(shí)現(xiàn)無人值守的水文站點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)水流速度、水面高度、水質(zhì)、流量、潮位、降水量等參數(shù)的實(shí)時(shí)匯總，為防汛減災(zāi)、洪水預(yù)警、災(zāi)情評估提供決策數(shù)據(jù)。

3)氣象站、遙感測繪站的數(shù)據(jù)采集傳回。

（3）智能交通

1)重點(diǎn)船舶、車輛、運(yùn)輸品的實(shí)時(shí)監(jiān)控，如出現(xiàn)延遲、路線偏離等情況可以向監(jiān)測站報(bào)警。

2)運(yùn)輸類車輛、船舶統(tǒng)一調(diào)度，通過傳感器探測車輛或船舶的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)貨物的統(tǒng)一調(diào)度分配，提高車輛運(yùn)行效率。

3)公共交通工具、出租車的定位監(jiān)控，通過對城市公共交通工具的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析，不但可以實(shí)現(xiàn)車輛監(jiān)控服務(wù)，還可以形成一張城市交通路況圖，為市民提供出行依據(jù)。

（4）石油化工

1)石油化工設(shè)備往往在比較偏僻的地點(diǎn)、運(yùn)維監(jiān)控難度較大，通過M2M設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控、管理。

2)在石油化工管道中安裝傳感器，對管道的壓力、流速等信息進(jìn)行采集，通過對這些數(shù)據(jù)的綜合分析，可以實(shí)時(shí)掌握管道運(yùn)行狀況，實(shí)現(xiàn)無人監(jiān)控。

3)對存儲及運(yùn)輸?shù)挠推芳盎て愤M(jìn)行檢測，通過傳感器實(shí)時(shí)檢測相關(guān)指標(biāo)，監(jiān)控站對傳回?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析整理，便于實(shí)時(shí)的對產(chǎn)品進(jìn)行決策調(diào)整。

2． 系統(tǒng)構(gòu)成

M2M 技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)當(dāng)前最主要的技術(shù)手段，包括實(shí)現(xiàn)機(jī)器設(shè)備間組網(wǎng)、通信以及信息處理和應(yīng)用操作的所有相關(guān)技術(shù)，因此涉及的關(guān)鍵技術(shù)較多，涵蓋了諸如網(wǎng)絡(luò)通信、計(jì)算機(jī)軟件開發(fā)、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)、微機(jī)電、數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)挖掘等多個(gè)領(lǐng)域，主要有以下幾個(gè)部分組成：

（1） 數(shù)據(jù)采集設(shè)備

實(shí)現(xiàn)M2M的首要條件是從機(jī)器/設(shè)備中獲取數(shù)據(jù)，然后通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送出去。因此設(shè)備需具備基本的數(shù)據(jù)采集功能，并可以通過集成的通信模塊將采集完成的數(shù)據(jù)發(fā)送出去，設(shè)備也可以根據(jù)通信模塊接收的指令信息完成遠(yuǎn)程的操作控制管理。

（2）衛(wèi)星通信設(shè)備

衛(wèi)星通信設(shè)備是使數(shù)據(jù)采集設(shè)備獲得通信和聯(lián)網(wǎng)能力的模塊，主要進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的提取、整理并發(fā)送至互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，是整個(gè)M2M方案的核心部分?；诤Ｊ滦l(wèi)星的M2M通信設(shè)備主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

1)支持嵌入和分離兩種模式與采集設(shè)備基礎(chǔ)，可以在生產(chǎn)采集設(shè)備時(shí)將通信模塊嵌入，也可以通過標(biāo)準(zhǔn)的接口實(shí)現(xiàn)與采集設(shè)備的外掛式連接。

2)支持多種數(shù)據(jù)通信方式，如移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)(CDMA、LTE等)和海事衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)通信時(shí)可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)情況自動(dòng)識別切換。

3)具備數(shù)據(jù)編程接口，可以根據(jù)實(shí)際需要針對不同的采集設(shè)備進(jìn)行預(yù)編程，以實(shí)現(xiàn)智能化管理。

4)設(shè)備低功耗設(shè)計(jì)，只有在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)才被喚醒，滿足極端環(huán)境下的工作要求。

（3）平臺與應(yīng)用

平臺及應(yīng)用主要用于對采集傳回的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并友好的展示給用戶。用戶同時(shí)也可以給終端設(shè)備發(fā)送控制指令，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程管理控制。其中平臺部分主要包含數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、設(shè)備管理等功能，應(yīng)用程序提供給企業(yè)客戶各類型終端使用，可以方便企業(yè)對自己設(shè)備的管理及監(jiān)控

3． 系統(tǒng)架構(gòu)

（1） 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)反映出網(wǎng)中各實(shí)體的結(jié)構(gòu)關(guān)系，是建設(shè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的第一步，是實(shí)現(xiàn)各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的基礎(chǔ)。

圖1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖

衛(wèi)星通信終端，通過RS232、RS485/J1708在內(nèi)的多種接口與數(shù)據(jù)采集終端相連，并將采集數(shù)據(jù)通過衛(wèi)星鏈路發(fā)送至服務(wù)器。終端具有唯一編碼，可初始化衛(wèi)星鏈路，根據(jù)需要保持管理連接狀態(tài)。

海事衛(wèi)星，提供衛(wèi)星通信鏈路，支持全球海、陸、空全天候通信服務(wù)，滿足偏遠(yuǎn)及通信不發(fā)達(dá)地區(qū)的通信需求。

地面站，通過衛(wèi)星天線接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)發(fā)至內(nèi)部網(wǎng)。

內(nèi)部網(wǎng)，將衛(wèi)星數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，通過路由、交換等設(shè)備將數(shù)據(jù)按業(yè)務(wù)類型傳送至不同服務(wù)器。完成數(shù)據(jù)鏈路的轉(zhuǎn)換。

IGWS服務(wù)器，該服務(wù)器為消息隊(duì)列服務(wù)器，對外提供Web服務(wù)，是對外服務(wù)的基礎(chǔ)。

數(shù)據(jù)處理服務(wù)器，負(fù)責(zé)監(jiān)聽IGWS實(shí)時(shí)消息，對消息分揀、分類、整理、加工為數(shù)據(jù)庫格式并持久化。

數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，主要提供數(shù)據(jù)庫服務(wù)，保存處理后的消息數(shù)據(jù)，并提供數(shù)據(jù)分析查詢等服務(wù)。

WEB服務(wù)器，提供Web服務(wù)，用于采集數(shù)據(jù)的管理，加工、定制、展示等。同時(shí)也提供系統(tǒng)管理、用戶查看等管理功能。

網(wǎng)絡(luò)管理平臺，可對服務(wù)器參數(shù)進(jìn)行調(diào)整的網(wǎng)絡(luò)管理終端。

WEB用戶，包括系統(tǒng)管理員，企業(yè)用戶等，均可通過內(nèi)網(wǎng)或外網(wǎng)登陸WEB頁面進(jìn)行操作管理。

（2）軟件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)按照業(yè)務(wù)邏輯劃分為3層：接入層、業(yè)務(wù)邏輯層、數(shù)據(jù)層，如圖2所示。

圖2軟件結(jié)構(gòu)圖

接入層的應(yīng)用程序與服務(wù)端的應(yīng)用程序是相對獨(dú)立的。接入層只負(fù)責(zé)發(fā)送服務(wù)請求，服務(wù)如何實(shí)現(xiàn)則完全由業(yè)務(wù)邏輯層負(fù)責(zé)。接入層是系統(tǒng)與外部進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的平臺，由接入邏輯構(gòu)成。接入邏輯分為界面邏輯和接口服務(wù)。對于系統(tǒng)使用者，提供多樣化的界面邏輯，實(shí)現(xiàn)對業(yè)務(wù)邏輯的共享；對于與系統(tǒng)相聯(lián)的外部系統(tǒng)，向業(yè)務(wù)平臺提供一組接口服務(wù)，包括協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)封裝等功能，業(yè)務(wù)平臺通過接口服務(wù)完成與外部系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換。接入層的存在，使內(nèi)部系統(tǒng)的改進(jìn)和變化被掩蓋起來，有利于保證核心的業(yè)務(wù)系統(tǒng)的安全和獨(dú)立。

業(yè)務(wù)邏輯層是系統(tǒng)的業(yè)務(wù)邏輯實(shí)現(xiàn)層，是系統(tǒng)的核心部分，它接收來自表現(xiàn)層的功能請求，是實(shí)現(xiàn)各種業(yè)務(wù)功能的邏輯實(shí)體。邏輯實(shí)體在實(shí)現(xiàn)上表現(xiàn)為各種功能組件。這些功能組件是對象化的組件模塊，可實(shí)例化，并通過繼承重用；每個(gè)對象對外提供服務(wù)的接口保持相對獨(dú)立，利于開發(fā)和維護(hù)。業(yè)務(wù)邏輯層由開放型的應(yīng)用中間件和各種業(yè)務(wù)功能組件組成，業(yè)務(wù)邏輯層把對數(shù)據(jù)庫的各種基本操作和業(yè)務(wù)流程的功能組件抽象出來，定義為相應(yīng)的編程接口。業(yè)務(wù)邏輯層能夠支持符合特定需求的應(yīng)用，能夠方便地支撐應(yīng)用系統(tǒng)的二次開發(fā)，有助于構(gòu)建高效的集成化應(yīng)用環(huán)境。

通用服務(wù)包括日志管理、異常處理、系統(tǒng)監(jiān)控、認(rèn)證鑒權(quán)的功能，通用服務(wù)的內(nèi)容是各個(gè)業(yè)務(wù)邏輯中不可缺少的部分。

數(shù)據(jù)層存放并管理各種系統(tǒng)數(shù)據(jù)。應(yīng)用系統(tǒng)的最終功能映射為對數(shù)據(jù)庫中表和記錄的操作，數(shù)據(jù)層實(shí)現(xiàn)對各種數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)源的訪問，并使得業(yè)務(wù)邏輯層的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)更集中于系統(tǒng)本身的功能。數(shù)據(jù)層由數(shù)據(jù)訪問層和數(shù)據(jù)源構(gòu)成，數(shù)據(jù)源包括：數(shù)據(jù)庫、內(nèi)存數(shù)據(jù)、消息隊(duì)列、磁盤文件等。數(shù)據(jù)訪問層負(fù)責(zé)封裝對數(shù)據(jù)源的訪問，并使得業(yè)務(wù)邏輯層的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)更集中于系統(tǒng)本身的功能。

數(shù)據(jù)訪問層的存在屏蔽了業(yè)務(wù)邏輯層對底層數(shù)據(jù)存儲形式的依賴，使應(yīng)用系統(tǒng)能夠適應(yīng)多種類型的數(shù)據(jù)庫。

（3） 接口標(biāo)準(zhǔn)

通信模塊與數(shù)據(jù)采集模塊可以采用串口RS-232進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，RS-232-C是美國電子工業(yè)協(xié)會（Electronic Industry Association,EIA）制定的一種串行物理接口標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)有25條信號線，包括一個(gè)主通道和一個(gè)輔助通道，可實(shí)現(xiàn)不同設(shè)備間的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收。通過制定通信接口規(guī)范，可以將不同類型的采集終端的數(shù)據(jù)匯聚到通信模塊中進(jìn)行統(tǒng)一收發(fā)管理。

軟件平臺間通過Web Service提供跨平臺訪問接口，使用XML作為系統(tǒng)間接口數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)，可實(shí)現(xiàn)企業(yè)用戶對數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)訪問以及對采集終端的遠(yuǎn)程管理。

三、關(guān)鍵技術(shù)

1．衛(wèi)星通信集成

基于海事衛(wèi)星的M2M需要支持與現(xiàn)有終端設(shè)備的無縫集成，因此需兼容現(xiàn)有設(shè)備的通信協(xié)議，如標(biāo)準(zhǔn)的RS-232等，不支持的設(shè)備可通過其他轉(zhuǎn)接設(shè)備進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

如要實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的遠(yuǎn)程管理，則需要針對設(shè)備開發(fā)相應(yīng)的觸發(fā)機(jī)制，制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范。

2． 軟件實(shí)現(xiàn)的選型

因終端的數(shù)據(jù)需要給不同的企業(yè)和客戶展示及管理，所有用戶不需要進(jìn)行二次開發(fā)即可方便的管理自身設(shè)備及數(shù)據(jù)，因此軟件設(shè)計(jì)需體現(xiàn)“軟件及服務(wù)”的理念，針對不同的用戶可以很方便的協(xié)調(diào)系統(tǒng)資源方便企業(yè)的管理和部署。

結(jié)合項(xiàng)目的海量數(shù)據(jù)以及用戶的訪問特性，傳統(tǒng)的企業(yè)級應(yīng)用開發(fā)平臺可能不能滿足這種高并發(fā)的數(shù)據(jù)訪問服務(wù)要求，因此軟件需按照互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)級別進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)，以達(dá)到高可用、高并發(fā)的訪問要求。

3．IPv6使M2M滿足下一代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)需要

M2M的技術(shù)出現(xiàn)，使得數(shù)以億計(jì)的M2M設(shè)備進(jìn)入通信網(wǎng)絡(luò)，IPv4地址將不能滿足大量終端設(shè)備的地址需求，下一代互聯(lián)網(wǎng)將以IPv6地址解析為主，IPv6采用128位地址長度，幾乎可以不受限制地提供地址給終端設(shè)備。海事衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)和終端設(shè)備對IPv6的支持，也正是基于海事衛(wèi)星的M2M產(chǎn)品架構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)。

四、結(jié)論

現(xiàn)階段物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域已進(jìn)入智能化時(shí)代，智能的M2M應(yīng)用要實(shí)現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理需要高可用的信息交換和通信網(wǎng)絡(luò)。隨時(shí)隨地的接入需求越來越迫切，在陸地移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋不到的地方，海事衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)正發(fā)揮著不可替代的作用，隨著衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)帶寬的不斷擴(kuò)大、資費(fèi)的不斷降低，海事衛(wèi)星則可以廣泛應(yīng)用與物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，解決在極端環(huán)境下的通信需求，基于海事衛(wèi)星技術(shù)的M2M應(yīng)用具有通信和采集一體化的特點(diǎn)，在未來M2M應(yīng)用市場將有很大的發(fā)展空間。

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