徐 凱,李 燕

(1.上海海事大學(xué) 上海國際航運研究中心航運信息化研究室，上海 200082； 2.同濟大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院計算機系，上海 201804)

基于Arduino的AIS數(shù)據(jù)分布式采集研究

徐 凱1,李 燕2

(1.上海海事大學(xué) 上海國際航運研究中心航運信息化研究室，上海 200082； 2.同濟大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院計算機系，上海 201804)

為了解決船舶自動識別系統(tǒng)(automatic identification system, AIS)數(shù)據(jù)的分布式采集，使全球AIS消息報文接收、解碼、封裝、轉(zhuǎn)發(fā)操作的安裝成本更低、穩(wěn)定性更好、安全性更高、維護工作量更小；通過采用以Arduino嵌入式平臺為核心結(jié)合外圍電子器件開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)解碼器組成分布式采集網(wǎng)絡(luò)，并采用C語言將合理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法直接在MCU上編程實現(xiàn)，來取代以x86架構(gòu)和操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)解碼器;通過實驗可以證明，采用Arduino技術(shù)的AIS網(wǎng)絡(luò)解碼器的解碼效率能夠滿足AIS基站發(fā)送數(shù)據(jù)的速率要求，解碼內(nèi)容正確，能按照約定的網(wǎng)絡(luò)傳輸格式轉(zhuǎn)發(fā)消息內(nèi)容，可應(yīng)用于全球AIS數(shù)據(jù)的分布式采集中;該成果具有功耗更低、運行更穩(wěn)定、成本更低廉等優(yōu)點，對需要大量使用網(wǎng)絡(luò)解碼器來構(gòu)建的AIS數(shù)據(jù)分布式采集網(wǎng)絡(luò)具有重大現(xiàn)實意義。

船舶；自動識別系統(tǒng)；解碼；分布式采集；Arduino

0 引言

2000年開始，國際海事組織要求航行于國際航線的300總噸以上船舶和公約國中航行于國內(nèi)航線的500總噸以上船舶安裝船舶智能識別系統(tǒng)(automatic identification system, AIS)設(shè)備[1]。AIS設(shè)備通過VHF (very high frenquency)無線電波向周圍20海里內(nèi)的船舶和港口定時廣播船舶靜態(tài)、動態(tài)信息。由于AIS設(shè)備的已高度普及，目前全球有超過40萬條船舶的數(shù)據(jù)可以被采集。掌握和分析這些船舶軌跡數(shù)據(jù)，不僅有助于提升海事數(shù)據(jù)應(yīng)用水平，解決船舶避碰、船舶流量監(jiān)控、泊位和錨地?fù)矶卤O(jiān)控等問題，還有可能通過機器學(xué)習(xí)和人工智能方法實現(xiàn)全球大宗商品貿(mào)易流向、集裝箱班輪運行分析、運力分布情況分析等經(jīng)濟運行分析問題，一些國外金融機構(gòu)也利用AIS數(shù)據(jù)的深度學(xué)習(xí)分析大宗商品期貨市場行情，從而在量化對沖基金交易中實現(xiàn)豐厚的商業(yè)價值。因此，全面、實時的獲取全球AIS數(shù)據(jù)并進行大數(shù)據(jù)分析，具有非常重要的研究價值。

1 AIS數(shù)據(jù)分布式采集研究現(xiàn)狀

2006年以前，關(guān)于AIS的解碼和應(yīng)用方面的研究主要集中于單機[2-3]，未形成網(wǎng)絡(luò)化的分布式應(yīng)用。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，AIS數(shù)據(jù)分布式采集網(wǎng)絡(luò)迅速發(fā)展了起來。分布在島嶼、沿海、內(nèi)河岸邊的大量基站和低軌道衛(wèi)星接收的AIS消息，先由網(wǎng)絡(luò)解碼器解碼內(nèi)容，再通過分布式網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)揭黄鸩⒓写鎯4]。

圖1 AIS數(shù)據(jù)的分布式采集網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

通過分布式網(wǎng)絡(luò)每天可以采集到大量船舶位置信息， 2015年9月1日一天內(nèi)接收到的AIS數(shù)據(jù)包含396311條不同的MMSI，其中包含IMO號碼的靜態(tài)數(shù)據(jù)為82658條，有船名的船舶約有281055條，有效軌跡點超過20000000條。

圖2 根據(jù)AIS數(shù)據(jù)的全球船舶分布情況概覽圖

為了構(gòu)建這樣的分布式采集網(wǎng)絡(luò)，紀(jì)賢標(biāo)等人(2007)描繪了AIS信息分布式采集系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，研究了信息幀的動態(tài)解碼、轉(zhuǎn)換[5]；沈愛弟等人(2008)將其應(yīng)用到舟山港務(wù)局海事信息監(jiān)測系統(tǒng)中，通過3個采集節(jié)點實現(xiàn)了對整個舟山港區(qū)的覆蓋，其中網(wǎng)絡(luò)解碼器采用x86架構(gòu)的工控機實現(xiàn)[6]；李亮等人(2007)和初秀民等人(2010)為解決x86架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)解碼器數(shù)據(jù)吞吐量瓶頸，先后研究了基于Windows操作系統(tǒng)的多線程解碼程序[7-8]；王艷軍等人(2011)采用Atmega128單片機實現(xiàn)了對AIS和北斗數(shù)據(jù)的整合，但數(shù)據(jù)解碼任務(wù)仍由x86架構(gòu)上位機完成[9]。上述研究中，實現(xiàn)AIS解碼和轉(zhuǎn)發(fā)的網(wǎng)絡(luò)解碼器都采用x86架構(gòu)。

2012年后，AIS信息分布式采集的研究逐漸離開解碼問題，轉(zhuǎn)向傳輸、存儲等問題。張正平等人(2013)提出基于Key-Value型數(shù)據(jù)庫的AIS數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)模型[10]；劉旭(2014)研究了AIS數(shù)據(jù)分布式采集中船舶間無線自組網(wǎng)(AD hoc)的標(biāo)識、發(fā)現(xiàn)、路由協(xié)議和算法[11]。

由于AIS分布式數(shù)據(jù)采集需要在全球各地安裝成百上千個AIS接收基站和網(wǎng)絡(luò)解碼器，采用價格高昂的x86架構(gòu)解碼器不僅會耗費巨大成本，也存在耗電量大、體積大等問題。同時，采用x86架構(gòu)意味著要在操作系統(tǒng)層面實現(xiàn)軟件解碼功能，增加了網(wǎng)絡(luò)攻擊、數(shù)據(jù)竊取、軟件故障等方面的風(fēng)險。因此，本文認(rèn)為有必要研究穩(wěn)定、高效、節(jié)能、廉價的嵌入式網(wǎng)絡(luò)解碼器。

2 嵌入式網(wǎng)絡(luò)解碼器

2.1 嵌入式網(wǎng)絡(luò)解碼器的功能

嵌入式網(wǎng)絡(luò)解碼器的功能(見圖3)主要包括：

(1)利用串口接收AIS報文，實現(xiàn)接收緩沖隊列，并完成AIS子報文的拼接；

(2)利用單片機實現(xiàn)對AIS報文的解碼與解碼，將有用的信息保存在內(nèi)存結(jié)構(gòu)體中；

(3)將需要發(fā)送的信息和時間戳一起封裝在MTP(Multi-target Packet, 多目標(biāo)報文)報文中[4]，并利用UDP協(xié)議發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上的指定IP地址。

圖3 AIS數(shù)據(jù)分布式采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 AIS報文解碼原理

AIS消息廣播的傳輸速率為9600bit/s，因此岸臺基站接收報文后可通過串口線路將AIS報文數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)[2]。

AIS消息類型共有27種，其中第1,2,3類消息是船舶動態(tài)消息，包含精確船位、航向、航速(矢量線)、轉(zhuǎn)向速度等信息，第5類消息是船舶靜態(tài)消息，包含船名、呼號、船型、船長等信息。上述四類消息就是進行全球船舶航跡信息采集時需要解碼的AIS消息類型。

由于AIS廣播單條消息的語句長度限制在82個字節(jié)，當(dāng)報文數(shù)據(jù)長度過長時需要分解為多條發(fā)送。每條被拆分發(fā)送的AIS消息中都會包含拆分的總條數(shù)(不超過9個)和每條子消息編號，并用由0到9循環(huán)的消息鑒別號區(qū)分是否為同一組消息。

2.2.1 動態(tài)消息解碼

動態(tài)消息采用“暗碼”傳輸，以“!”字符開頭，例如第1、2、3類消息的樣例：

!AIVDM,1,1,,A,16:>AF5P?w4?wv0pA;,0*25

在上述消息中各部分由逗號作為分隔符分開，“!AIVDM”是消息標(biāo)識符，隨后的“1”表示該條消息的總句數(shù)，下一個“1”表示該消息是本組的第一句，后面兩個分別是消息鑒別號和通信信道。中間的“16:>AF5P?w4?wv0pA;”就是消息中壓縮信息的“暗碼”內(nèi)容。尾部的“0*25”中“0”表示前面壓縮的消息內(nèi)容中尾部填充的比特數(shù)，“25”是十六進制表示的CRC校驗碼。

2.2.2 靜態(tài)消息解碼

第5類消息包含船舶的靜態(tài)和航行相關(guān)信息，其解碼過程與動態(tài)消息解碼類似。但由于其報文內(nèi)容過長，通常會被拆分成兩條消息發(fā)送，需要在消息接收后根據(jù)消息鑒別號來組裝和還原報文內(nèi)容。

例如下面兩條消息是來自消息鑒別號為“8”的同一組消息，該組消息共2條，依次是：

!AIVDM,2,1,8,A,569>;gP0000088``001TTpN0QD4000000 000000t4IU7=4cG0@10H32@C`3l,0*79

!AIVDM,2,2,8,A,T1CQp30B@00,2*1A

經(jīng)過組裝還原后，完整的壓縮信息為：

569>;gP0000088``001TTpN0QD4000000000000t4IU7=4cG0@10H32@C`3l T1CQp30B@00

2.2.3 暗碼轉(zhuǎn)為明碼

通過將“暗碼”字符用6位ASCII碼的二進制值來替換，可以將暗碼表示的信息變?yōu)槎M制的字符串，再按照ITU-R M.1371規(guī)范定義的消息格式來解碼[12]。

3 基于Arduino的嵌入式網(wǎng)絡(luò)解碼器研究

3.1 嵌入式網(wǎng)絡(luò)解碼器的數(shù)據(jù)流

嵌入式網(wǎng)絡(luò)解碼器的數(shù)據(jù)流向如圖4所示。

圖4 網(wǎng)絡(luò)解碼器的數(shù)據(jù)流向圖

3.2 硬件性能測算與選型

3.2.1 微控制單元選型

微控制單元(microcontroller unit, MCU)選型決定了嵌入式網(wǎng)絡(luò)解碼器的計算能力。常見AIS基站的串口波特率為38400，根據(jù)香農(nóng)定理帶寬為4.8 kB/s，每個字符被接收后需要經(jīng)過“讀寄存器”、“字符比較”兩個單周期指令和程序分支選擇邏輯，約需10 kHz級計算量； 1、2、3、5類消息約占所有AIS消息的50%～80%，約35條/秒，將這些消息存儲在String中逐個解碼，約需50 kHz級計算量和3.5 kB內(nèi)存空間；MTP報文的長度較長(靜態(tài)報文256B、動態(tài)報文128B)，數(shù)據(jù)隊列空間需256×10+128×20=4 kB；校驗計算和生成校驗碼約需25 kHz計算量，存儲各類編碼表約需EEPROM空間4 kB；還需要片上串口外圍模塊；需要存儲網(wǎng)絡(luò)通信模塊和時鐘模塊驅(qū)動程序的空間不少于128 kB。

本文選用的Arduino Mega 2560采用ATmega2560作為MCU，提供16 MHz的主頻，在完成85 kHz的核心程序同時還有富裕計算能力實現(xiàn)及時的中斷響應(yīng)和異步緩沖處理隊列，有256 kB的程序存儲器，8 kB的數(shù)據(jù)存儲器，4 kB的EEPROM和4個串口模塊。

3.2.2 串口模塊選型

RS485比RS232具有更好的抗干擾性和更遠(yuǎn)的傳輸距離，本文采用TTL2RS485模塊實現(xiàn)串口數(shù)據(jù)接收。

3.2.3 網(wǎng)絡(luò)模塊選型

由于需要UDP/IP網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議和 RJ45接口，本文選用兼容Arduino引腳定義的W5100以太網(wǎng)模塊。

3.2.4 時鐘模塊選型

由于AIS消息不包含時間信息，本文采用年誤差小于1分鐘的DS3231高精度時鐘模塊，通過CR2032電池供電，排除意外斷電的風(fēng)險。

3.3 嵌入式硬件連接原理

系統(tǒng)所使用的硬件結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 嵌入式網(wǎng)絡(luò)解碼器的硬件框圖

采用I2C(Inter-Integrated Circuit)總線連接時鐘模塊；采用速度更快的SPI接口(Serial Peripheral Interface，串行外圍接口)連接吞吐量較大的網(wǎng)絡(luò)模塊。

3.4 程序邏輯

本文程序無需操作系統(tǒng)直接運行在硬件上，主要由主程序和中斷響應(yīng)程序組成。

首先，主程序流程如圖6所示，主要由初始化和循環(huán)邏輯兩部分構(gòu)成。初始化先完成對串口通信的初始化，以確保來自AIS基站的串口消息報文可以被解碼器接收；然后，依次初始化網(wǎng)絡(luò)模塊、時鐘模塊和解碼程序需要用到的計算參數(shù)變量、校驗代碼表；由于時鐘模塊有獨立供電單獨運行，初始化程序只需調(diào)用I2C總線讀取當(dāng)前時間；程序涉及的一些計算變量為了防止丟失都記錄在了單片機的Flash存儲空間上，在初始化過程中需要加載到主存貯器中，CRC校驗碼表則被存儲在EEPROM中。初始化完成后，主程序?qū)⑦M入一個無限循環(huán)邏輯中，除非程序異常終止引發(fā)看門狗的重啟機制，否則將不斷循環(huán)并在每次循環(huán)中判斷是否有串口數(shù)據(jù)接收中斷時間和未處理完的報文數(shù)據(jù)，并分別調(diào)用報文接收子程序、報文處理子程序來執(zhí)行。

圖6 嵌入式網(wǎng)絡(luò)解碼器的主程序流程圖

其次，當(dāng)遇到中斷事件發(fā)生時會調(diào)用報文接收子程序來處理接收到的串口數(shù)據(jù)(如圖7)，并將收到的報文存儲在報文隊列中。程序通過從串口的接收緩沖區(qū)中讀取字符，將字符拼接成串，通過報文頭標(biāo)記將字符串切分成報文段后，依次存儲在AIS報文循環(huán)隊列中。

圖7 報文接收子程序的流程圖

第三，主程序邏輯則是循環(huán)調(diào)用報文處理子程序來處理報文隊列中等待處理的報文(如圖8)。當(dāng)AIS報文循環(huán)隊列中有未處理的報文時，程序?qū)⒆詣雍喜儆谕粭l消息的報文，并用本文1.2所述的解碼規(guī)則解析報文內(nèi)容；解析后的報文將會隨同時鐘時間一起封裝在MTP報文中，再通過網(wǎng)絡(luò)接口模塊調(diào)用UDP協(xié)議發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上的指定地址。

圖8 報文處理子程序的流程圖

3.5 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

3.5.1 AIS報文接收循環(huán)隊列

雖然數(shù)據(jù)傳輸帶寬和MCU計算能力都足夠，但是由于AIS消息的到達時間并非均勻分布，仍然有可能出現(xiàn)數(shù)據(jù)集中到達MCU無法及時完成計算的情況，因此本文利用圖9所示的二維數(shù)組和兩個讀寫下標(biāo)指針構(gòu)造了一個循環(huán)隊列，解決等待處理的報文緩沖的問題。

圖9 AIS報文循環(huán)隊列的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

3.5.2 等待匹配報文數(shù)據(jù)存儲

對于需要進行拼接的消息，本文構(gòu)造了2×10的指針型二維數(shù)組，數(shù)組中的指針以子消息序號和消息鑒別號作為下標(biāo)，將接收到的AIS消息分別存儲在指針對應(yīng)的String中，等待拼接。同時，本文還采用單鏈表隊列結(jié)構(gòu)存儲需要被封裝為MTP數(shù)據(jù)包的信息，鏈表的每一個節(jié)點由指向有效報文String的指針、AIS消息類型、指向子節(jié)點的指針三部分組成。

4 驗證

本文采用Arduino Mega 2560主板為基礎(chǔ)搭建了嵌入式網(wǎng)絡(luò)解碼器原型機。通過C語言在原型機上實現(xiàn)本文算法后，計算機可以接收到原型機轉(zhuǎn)發(fā)的AIS信息。實驗結(jié)果，AIS消息處理量和正確率均達100%。

5 結(jié)語

本文研究的基于Arduino的嵌入式網(wǎng)絡(luò)解碼器，可作為AIS數(shù)據(jù)分布式采集網(wǎng)絡(luò)中岸邊基站的上位機。它與x86架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)解碼器相比，具有更低的功耗、更穩(wěn)定的性能、更便宜的價格(約為1/10)。本文為嵌入式網(wǎng)絡(luò)解碼器的硬件架構(gòu)和軟件編程邏輯給出了方案，并通過原型機驗證了有效性和可靠性。嵌入式網(wǎng)絡(luò)解碼器既可以適用于全球數(shù)千個基站的應(yīng)用場景，又可以作為船聯(lián)網(wǎng)無線自組網(wǎng)(AD hoc)的廉價解決方案，未來具有較高的應(yīng)用價值和經(jīng)濟價值。

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[12] ITU-R M.1371, Technical characteristics for a universal shipborne automatic identification system using time division multiple access in the VHF maritime mobile band[S].

Distributed AIS data acquisition based on Arduino embedded platform

Xu Kai1, Li Yan2

(1.Shanghai International Shipping Institute, Shanghai Maritime University, Shanghai 200082, China; 2.Department of Computer Science and Technology, Tongji University, Shanghai 201804, China)

In order to solve the problems what the x86 architecture network decoder taken in AIS distributed data acquisition system, when it receives packets, decode, packaging, forwarding operation AIS message. These problems include high installation costs, poor stability, poor security, maintenance workload and so on. By using Arduino as the core technology combined with the external electronic device development network decoder, and the rational use C language data structures and algorithms programmed directly on the MCU, to replace the x86 architecture and operating system-based network decoder. The test results proved that the AIS network decoder based on Arduino have the ability to processed promptly, decoded correctly, forwarded correctly. It can completely replace the x86 architecture network decoder. This solution can both to ensure the efficiency of AIS data receiving, but also results in lower power consumption, more stable operation, lower cost, and has great practical significance for build AIS distributed data collection network.

ship；automatic Identification System (AIS); decoding; distributed collection; Arduino

2016-11-11；

2016-12-08。

交通部應(yīng)用基礎(chǔ)研究主干學(xué)科項目(2014329810120);上海高校知識服務(wù)平臺建設(shè)項目(ZF1209)。

徐 凱(1983-),男,上海人，工程師，博士研究生，上海海事大學(xué)上海國際航運研究中心信息化研究室主任、港航大數(shù)據(jù)研究室主任，主要從事大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、機器學(xué)習(xí)及其在港口、航運領(lǐng)域的應(yīng)用研究。

1671-4598(2017)01-0188-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.01.053

U675.7

A