崔秀芳,程晗,蔡陳玉

(上海海洋大學(xué) 工程學(xué)院,上海 201306)

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基于北斗系統(tǒng)的遠(yuǎn)洋漁船機(jī)艙在線監(jiān)測設(shè)計

崔秀芳,程晗,蔡陳玉

(上海海洋大學(xué) 工程學(xué)院,上海 201306)

隨著國際遠(yuǎn)洋漁業(yè)的迅速發(fā)展,國家對遠(yuǎn)洋漁業(yè)也日趨重視。遠(yuǎn)洋漁船作為其中最為重要的組成部分,其自動化程度將會直接體現(xiàn)我國在遠(yuǎn)洋漁業(yè)上綜合競爭力。我國自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)集定位、導(dǎo)航和雙向短報文通信為一體,特別適用于遠(yuǎn)洋漁船在線監(jiān)測領(lǐng)域。本文主要介紹在對漁船監(jiān)測中引入北斗系統(tǒng)的作用及意義,以北斗系統(tǒng)為媒介加強(qiáng)漁船與陸地的互動能力,實現(xiàn)實時將船艙采集數(shù)據(jù)以及當(dāng)前漁船位置傳輸至陸地漁政部門,使得陸地漁政部門能更加快速地獲取船只機(jī)艙的運行狀態(tài),從而加強(qiáng)我國遠(yuǎn)洋漁船體系的自動化程度。

北斗系統(tǒng);遠(yuǎn)洋漁船;機(jī)艙;監(jiān)測

0 引 言

隨著我國遠(yuǎn)洋漁業(yè)的蓬勃發(fā)展,對漁船自動化、信息化水平的要求越來越高。但是,目前我國船舶配電網(wǎng)絡(luò)自動化監(jiān)控水平卻較低。一些重要單元如柴油機(jī)及配電開關(guān)柜等均是通過控制電纜將系統(tǒng)電壓、支路電流、開關(guān)狀態(tài)量傳送到集中監(jiān)控臺,由集中監(jiān)控臺統(tǒng)一實現(xiàn)保護(hù)控制功能。不僅需要消耗大量電纜,給施工和維護(hù)帶來極大不便,并且所有數(shù)據(jù)采集、處理、保護(hù)控制都集中由監(jiān)控臺完成。如果配電網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜,需要監(jiān)控的單元很多,僅完成采集功能就將占用集中監(jiān)控臺等大量的硬件資源和軟件資源,如想有效地實施控制及保護(hù)將非常困難, 控制任務(wù)較復(fù)雜時實時性較差[1]。同時在遠(yuǎn)程監(jiān)控方面也非常薄弱,很少能在內(nèi)陸及時了解到遠(yuǎn)洋漁船機(jī)艙各部分的工況是否正常,因此以北斗定位系統(tǒng)為媒介的遠(yuǎn)程監(jiān)測功能的開發(fā)研究意義重大。本文利用北斗系統(tǒng)的特點從高精度定位、數(shù)據(jù)實時傳輸以及特殊情況緊急救援三個方面對遠(yuǎn)洋漁船在線監(jiān)測中的應(yīng)用進(jìn)行探討。

1 北斗導(dǎo)航系統(tǒng)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)簡稱北斗系統(tǒng),是我國自主研發(fā)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),成為在美國全球定位系統(tǒng)(GPS)、俄羅斯格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GLONASS)之后第三個成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航衛(wèi)星計劃包括5顆在赤道上空的靜止高軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星,其中30顆非靜止軌道衛(wèi)星又劃分為27顆中軌道(MEO)衛(wèi)星和3顆傾斜同步(GEO)衛(wèi)星。截止到2016年3月底,我國已成功發(fā)射22顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)分為空間段、地面段和用戶段三部分,可在全球范圍內(nèi)全天候、全天時為各類用戶提供高精度導(dǎo)航、定位和授時服務(wù),并具有短報文通信能力,在區(qū)域?qū)Ш健⒍ㄎ缓褪跁r方面已取得初步成就,測速精度0.2 m/s,定位精度10 m,授時精度10 ns[2]. 而這些功能也很適合運用在漁船監(jiān)控上,其主要運作原理如圖1所示。機(jī)艙控制室內(nèi)將在機(jī)艙內(nèi)收集的各項數(shù)據(jù),通過北斗船載終端發(fā)送至北斗衛(wèi)星,然后北斗衛(wèi)星將數(shù)據(jù)傳輸至地面控制中心,最終傳送至漁政局的PC端,從而完成陸地對遠(yuǎn)洋漁船的在線監(jiān)測。

圖1 船用北斗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

北斗有著許多其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)所沒有的優(yōu)點,這也讓北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)獲得國際海事組織的認(rèn)可。北斗能夠兼容 GNSS 服務(wù),獨具雙向數(shù)據(jù)通信功能;信息安全可靠;投資小、周期短、高仰角覆蓋;短報文通信能力等特點。北斗系統(tǒng)應(yīng)用在各行各業(yè)中,其中對船舶監(jiān)測上也有很多應(yīng)用:鄭超波[3]等人成功搭建了遠(yuǎn)程船舶監(jiān)控系統(tǒng)。呂斌、賀海靖[4]等人成功借助北斗系統(tǒng)開發(fā)出漁船測報儀。仝潔[5]等人成功搭建以北斗系統(tǒng)為傳輸方式的船舶遇險應(yīng)急報警終端系統(tǒng)。黃宇航、莫盛秋[6]等人通過北斗系統(tǒng)以及GPS系統(tǒng)成功設(shè)計出漁船尋跡儀。

2 遠(yuǎn)洋漁船機(jī)艙在線監(jiān)測

隨著現(xiàn)代船舶系統(tǒng)的日趨現(xiàn)代化和復(fù)雜化,出于提高工作效率和安全系數(shù),降低勞動強(qiáng)度等方面考慮,及時準(zhǔn)確動態(tài)地掌握漁業(yè)船舶系統(tǒng)的運行狀態(tài)以及自動控制船舶,已成為當(dāng)代漁業(yè)船的重要發(fā)展方向。目前國內(nèi)中小型漁船輪機(jī)設(shè)備自動化領(lǐng)域存在著控制設(shè)備的內(nèi)部電路均采用較老的設(shè)計思路和大量的分立元件,設(shè)備體積、重量過大,很少有數(shù)據(jù)、記錄接口等功能,各自獨立,不能協(xié)同工作,各類設(shè)備基本做不到單元自動化控制,也沒有像大型漁船那樣預(yù)留有數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)接口,因此小型船員很難及時、系統(tǒng)地管理這些設(shè)備。然而國內(nèi)市場很難尋求到理想的相關(guān)產(chǎn)品。本文則是利用北斗系統(tǒng)的特點開發(fā)出當(dāng)前市場所缺的遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)。圖2示出機(jī)艙監(jiān)測系統(tǒng)的硬件基本結(jié)構(gòu)。

圖2 監(jiān)測系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

監(jiān)測對象的多少可根據(jù)不同船舶的實際情況增減。單元單片機(jī)智能監(jiān)測裝置位于機(jī)艙設(shè)備的附近,可獨立完成數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理、顯示,又可將數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī),形成自動化監(jiān)測系統(tǒng)。上位機(jī)與下位機(jī)之間采用異步串行主從式通訊。通過RS422/485網(wǎng)絡(luò)把所有采集模塊組建成一個網(wǎng)絡(luò),數(shù)據(jù)通過RS422/485網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸?shù)娇刂浦鳈C(jī)。控制主機(jī)接受到數(shù)據(jù),然后進(jìn)行數(shù)據(jù)文件的編排整理。然后將所采集到的數(shù)據(jù)統(tǒng)一處理,壓縮減少冗余數(shù)據(jù),對有效數(shù)據(jù)打包,通過北斗模塊傳輸至陸地端完成遠(yuǎn)程監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸[7]。

3 北斗系統(tǒng)在遠(yuǎn)洋漁船機(jī)艙在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

北斗系統(tǒng)當(dāng)前運用在遠(yuǎn)洋漁業(yè)上主要是其定位功能,在世界各大洋和江河湖泊行駛的各類船舶大多都安裝了衛(wèi)星導(dǎo)航終端設(shè)備,使海上和水路運行更為高效和安全。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將在任何天氣條件下,為漁船提供導(dǎo)航定位和安全保障。而為實現(xiàn)對遠(yuǎn)洋漁船機(jī)艙的全面監(jiān)測應(yīng)充分利用北斗系統(tǒng)的其他功能,保證內(nèi)陸總站能隨時了解漁船機(jī)艙中各工況是否正常,并保持對各漁船的聯(lián)系,如圖3是北斗船載終端的運行模塊結(jié)構(gòu)圖。以北斗船載終端為媒介傳輸各監(jiān)控對象實時運行數(shù)據(jù),以及漁船的當(dāng)前位置信息[8]。

圖3 船載終端運行模塊

3.1 單片機(jī)模塊

單片機(jī)模塊是定位系統(tǒng)的核心部分，負(fù)責(zé)接收北斗接收電路輸出的$BDGGA格式數(shù)據(jù)并處理。模塊的主控制器選用C8051F340型單片機(jī)，C8051F340單片機(jī)是完全集成的混合信號片上系統(tǒng)MCU，具有速度高、功耗低的特點；有豐富的外圍設(shè)備，片內(nèi)還集成了數(shù)據(jù)采集和控制所常用的模擬部件、其他數(shù)字外設(shè)和功能部件；自帶10位ADC，可以在片調(diào)試，是完全集成的混合信號系統(tǒng)芯片，完全滿足北斗信號數(shù)據(jù)的接收與處理要求。圖4為對機(jī)艙各參數(shù)數(shù)據(jù)采集的采集過程，通過該單片機(jī)統(tǒng)一處理、儲存并傳送至PC端。

圖4 機(jī)艙數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)流程圖

3.2 北斗模塊

北斗衛(wèi)星通訊模塊可選用和芯星通公司的UM220模塊，該模塊支持北斗二代(BD2)與GPS雙系統(tǒng)導(dǎo)航授時，具有尺寸小(僅 40×30×3.7 mm3)、功耗低(僅350 mW)、集成度高等優(yōu)點。該模塊三維定位精度為3 m，速度精度為0.1 m/s，數(shù)據(jù)更新率可達(dá)1 Hz. UM220還配有衛(wèi)星顯控軟件CDT(Control&Display Tool)，北斗衛(wèi)星通訊模塊電路主要包括 UM220接口、天線、后備電源、復(fù)位及串口通訊電路，其電路原理圖如圖5所示。

圖5 電路原理圖

3.3 上位機(jī)軟件設(shè)計

根據(jù)所需功能，采用了美國國家儀器公司的LABview軟件開發(fā)上位機(jī)系統(tǒng)，對船舶位置信息、機(jī)艙內(nèi)相關(guān)信息以及船用柴油機(jī)的相關(guān)參數(shù)以及機(jī)艙運行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，監(jiān)控界面如圖6所示。

圖6 上位機(jī)軟件界面圖

通過在上海海洋大學(xué)公共實驗樓進(jìn)行試驗，初步結(jié)果表明,該系統(tǒng)利用北斗通訊系統(tǒng)模塊定位準(zhǔn)確，對機(jī)艙各項參數(shù)測試可獲得正常數(shù)據(jù)(其中柴油機(jī)相關(guān)數(shù)據(jù)為模擬數(shù)據(jù))。

4 結(jié)束語

本文介紹了在遠(yuǎn)洋漁船機(jī)艙監(jiān)測中對漁船機(jī)艙內(nèi)各設(shè)備的監(jiān)測，并引進(jìn)我國自主知識產(chǎn)權(quán)的北斗系統(tǒng)，結(jié)合該系統(tǒng)的特點完善對中小型漁船的在線監(jiān)測，以小報文的形式將機(jī)艙各傳感器采集到的數(shù)據(jù)傳輸至陸地端，同時定位當(dāng)前漁船位置信息，從而實現(xiàn)陸地對漁船的故障診斷。北斗系統(tǒng)的使用進(jìn)一步加強(qiáng)了漁船自動化程度，將為遠(yuǎn)洋漁業(yè)發(fā)展跨入一個嶄新的臺階。

[1] 陳明義.提高我國漁船的技術(shù)裝備水平[C]//我國海洋漁船裝備技術(shù)發(fā)展調(diào)研與咨詢會議文集,2012.

[2] 張輝.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)和應(yīng)用現(xiàn)狀[J].電子技術(shù)與軟件工程,2015,28(1):14-22.

[3] 鄭超波. 基于北斗_世廣衛(wèi)星的船舶實時遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信程序的開發(fā)[D].上海:上海海事大學(xué),2006.

[4] 呂斌,賀海靖.北斗雙向通信漁船測報儀電路系統(tǒng)設(shè)計[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2013(7):61-64.

[5] 仝潔.基于北斗的船舶遇險應(yīng)急報警終端的研究與開發(fā)[D].廈門:集美大學(xué),2014.

[6] 黃宇航,莫盛秋.基于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)并兼容GPS的漁船尋跡儀電路設(shè)計[J].漁業(yè)現(xiàn)代化，2013(40):50-55.

[7] 賀超峰,徐鐵,胡勤友,等. 應(yīng)用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的船舶AIS 數(shù)據(jù)采集[J].上海海事大學(xué)學(xué)報， 2013,34(1):5-9.

[8] 胡剛,馬昕,范秋燕.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在海洋漁業(yè)上的應(yīng)用[J]. 漁業(yè)現(xiàn)代化,2010,37 (1): 60-62.

Design of BeiDou System for Ocean Fishing Cabin Online Monitoring

CUI Xiufang,CHENG Han,CAI Chenyu

(CollegeofEngineering,ShanghaiOceanUniversity,Shanghai201306,China)

With the rapid development of international distant-water fishery, Chinese government invests more resources on distant-water fishery. The overseas fishing vessels play an important role on the distant-water fishery, the degree of automation on overseas fishing vessels directly reflects the national competitiveness in the distant-water fishery. As an independent research and development of our country, Beidou Navigation Satellite System (BDS) includes the function of positioning,navigation and two-way short message communication; it’s very suitable for ocean fishing cabin online monitoring system. This paper describes the role and significance of the BDS applied in the monitoring of fishing vessels, the BDS is the media to strengthen the ability of connection between fishing vessels and land control center. Realize transmitting real-time data of the cabin and current location information of fishing vessel to the land, Thus the application makes the fisheries administration can more quickly get cabin’s operating status of the fishing vessels. It will enhance the automaticity of distant-water fishery vessels system in China.

BDS; overseas fishing; vessel; cabin monitoring

10.13442/j.gnss.1008-9268.2017.02.023

2016-11-01

浙江省海洋漁業(yè)裝備技術(shù)研究重點實驗室開放基金項目(編號:MFET201408)

P228.4

A

1008-9268(2017)02-0102-04

崔秀芳 (1972-),女,副教授,主要從事輪機(jī)工程,機(jī)電一體化等研究。

程晗 (1992-),男,碩士生,主要研究方向為機(jī)械工程、機(jī)電一體化。

蔡陳玉 (1992-),女,碩士生,主要研究方向為機(jī)械工程、機(jī)電一體化。

聯(lián)系人: 程晗 E-mail: shou_chenghan@163.com