郭勇川，萬隆君，徐軼群，黃 凱

(集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，福建 廈門361021)

0 引言

船舶數(shù)據(jù)采集是現(xiàn)代自動(dòng)化船舶智能機(jī)艙建設(shè)的核心工程之一，也是在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)飛速發(fā)展大背景下船舶工程的研究熱點(diǎn)[1-2]。文獻(xiàn)[3]應(yīng)用OPC(ole for process control)技術(shù)采集船舶機(jī)艙數(shù)據(jù)，有效地解決了采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件開發(fā)維護(hù)難度大的問題，但這種方法通信較慢，循環(huán)等待時(shí)間長(zhǎng)；文獻(xiàn)[4]提出基于Web的船舶信息集成管理系統(tǒng)，但僅限于軍艦及海事船，尚未擴(kuò)展到民船領(lǐng)域；文獻(xiàn)[5]采用衛(wèi)星通信方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，但其適用于遠(yuǎn)洋船舶，且成本較高；文獻(xiàn)[6]利用CAN總線技術(shù)確保了數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性、可靠性，但其受限于傳輸距離短，且不能與Internet相連；文獻(xiàn)[7]基于PLC開發(fā)了FX2N系列船舶機(jī)艙監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)采集處理軟件，但僅應(yīng)用于駕駛室監(jiān)測(cè)，并未擴(kuò)展到陸基遠(yuǎn)程監(jiān)控。

因此，針對(duì)目前大部分中小型近海船舶公司的岸基管理者、船舶工作者仍無法實(shí)時(shí)獲取其所屬船舶的主要運(yùn)行數(shù)據(jù)信息，無法對(duì)船舶的實(shí)時(shí)工況進(jìn)行科學(xué)評(píng)估與遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)這一現(xiàn)狀，本文開發(fā)設(shè)計(jì)了基于GPRS(general packet radio service)無線通信技術(shù)的船舶數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)，旨在通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集實(shí)現(xiàn)對(duì)近海船舶綜合信息的統(tǒng)計(jì)、分析、評(píng)估，提高管理效率和船舶航行安全系數(shù)。

1 采集網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

1.1 采集網(wǎng)關(guān)通信功能需求分析

由于客運(yùn)船、漁船、游艇等船舶在近海海域分布范圍廣，靠泊港口環(huán)境復(fù)雜，停靠時(shí)間短，通信傳輸距離也相對(duì)較短，因此，可使用GPRS/GSM、3G/4G、WiFi等無線通信技術(shù)對(duì)此類船舶進(jìn)行信息采集。WiFi在障礙物多的海域及港口信號(hào)較為不穩(wěn)定，覆蓋范圍受外界環(huán)境影響大；而3G/4G通信技術(shù)對(duì)于采集信息量大，采集持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的船舶，成本太過高昂；相比而言，GPRS/GSM因其具有較快的數(shù)據(jù)傳輸速度(理論峰值171.2 kbps)，可滿足突發(fā)性數(shù)據(jù)傳輸要求，較低的通信費(fèi)用(根據(jù)用戶傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量大小計(jì)費(fèi))，近海信號(hào)覆蓋范圍廣(海岸線10 nmile范圍、內(nèi)陸江河地區(qū)全覆蓋)等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，完全適用于近海船舶的數(shù)據(jù)采集[8-10]。

1.2 采集網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)原理如圖1所示。

網(wǎng)關(guān)通過RS485通信串口連接船舶底層各傳感器，采集電能、壓力、溫度、轉(zhuǎn)速、液位、扭矩等船舶數(shù)據(jù)參數(shù)；通過北斗/GPS模塊采集經(jīng)緯度、航向、航速、航跡等船舶動(dòng)態(tài)信息。采集的數(shù)據(jù)經(jīng)協(xié)議解析后，應(yīng)用GPRS無線傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)與基站終端服務(wù)器的數(shù)據(jù)傳輸，基站通過網(wǎng)線連接船舶綜合管理系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)船舶數(shù)據(jù)采集的終端顯示。

2 船用采集網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)

船用數(shù)據(jù)采集網(wǎng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。該網(wǎng)關(guān)由電源模塊提供DC12V電源，以ST32F103VET6作為系統(tǒng)主控制芯片，通過北斗/GPS模塊和RS485、RS232串口模塊對(duì)船上數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，主控制芯片負(fù)責(zé)中斷接收采集的數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析處理，網(wǎng)關(guān)內(nèi)置的FLASH模塊可對(duì)解析后且經(jīng)時(shí)間校驗(yàn)的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)久存儲(chǔ)，最后通過GPRS模塊將數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)終端[11]。

2.1 CPU模塊

選用STM32F103VET6作為采集網(wǎng)關(guān)主控制芯片，該芯片具有斷點(diǎn)續(xù)傳、時(shí)鐘校驗(yàn)、數(shù)據(jù)解析等功能，主要控制接口分配和子模塊應(yīng)用[12-13]。STM32F103VET6基于高性能的ARM Cortex-M3 32位內(nèi)核，工作頻率為72 MHz，包含3個(gè)USART通信接口，供電電壓2.0～3.6 V，其強(qiáng)大的存儲(chǔ)空間及一系列省電模式保證模塊低功耗應(yīng)用[14]。

2.2 串口通信模塊

網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)了4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)RS485串口和1個(gè)RS232串口，其中RS485串口用于連接底層各傳感器，采集底層原始數(shù)據(jù)，RS232串口則用于調(diào)試與下載網(wǎng)關(guān)程序。

RS485模塊采用SP3485芯片，模塊的電路圖如圖3所示。 STM32管腳PC1連接SP3485的RE(接收器輸出使能，低電平有效)和DE(驅(qū)動(dòng)器輸出使能，高電平有效)引腳，主要控制485串口接收。當(dāng)RE處于低電平時(shí)，器件處于接收狀態(tài)，此時(shí)STM32為發(fā)送模式；當(dāng)DE處于高電平時(shí)，器件處于發(fā)送狀態(tài)，此時(shí)STM32為接收模式。模塊的輸入/輸出引腳(DI/RO)連接STM32的USART3串口，主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，模塊A，B端與傳感器的數(shù)據(jù)接口A、B端相連接，用于數(shù)據(jù)采集。

2.3 北斗/GPS模塊

北斗/GPS模塊芯片采用和芯星通UM220-IIIN，該芯片可同時(shí)支持BD2 B1、GPS L1兩個(gè)頻點(diǎn)，其輸入電壓VDC=+2.7～3.6 V，功耗120 mW(典型值)，定位精度2.5 mCEP，芯片電路原理如圖4所示。串行端口數(shù)據(jù)發(fā)送引腳TXD1與STM32數(shù)據(jù)接收端PA3(USART2_RX)相連；數(shù)據(jù)接收引腳RXD1與STM32數(shù)據(jù)發(fā)送端口PA2(USART2_TX)相連，模塊其他主要引腳說明如下：

nRESET:復(fù)位端，低電平有效；

GDIO：通用I/O端口；

TIME PULSE：時(shí)鐘脈沖(IPPS)；

EXT INTO：外部中斷；

RSV：保留管腳懸空處理；

VCC_RF：輸出電壓射頻部分；

RF_IN：GNSS信號(hào)輸入；

SPI_SDO：串行外設(shè)接口數(shù)據(jù)輸出；

SPI_SDI：串行外設(shè)接口數(shù)據(jù)輸入；

SPI_SCK：串行外設(shè)接口時(shí)鐘輸入；

SPI_CSI：串行外設(shè)接口片選輸入；

SDA2：指示數(shù)傳控制數(shù)據(jù)；

SCL2：指示數(shù)據(jù)控制時(shí)鐘；

V_BCKP：用于主電源VCC斷電時(shí)，給實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)和靜態(tài)存儲(chǔ)器(SRAM)供電。

2.4 GPRS模塊

選用SIM800c實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的無線傳輸,該模塊可支持4頻GSM/GPRS，工作頻段為GSM850 MHz、EGSM900 MHz、DCS1800 MHz、PCS1900 MHz，可自動(dòng)搜索這四個(gè)頻率，也可通過AT命令來設(shè)置頻段。模塊編碼格式為CS-1、CS-2、CS-3、CS-4，可低功耗實(shí)現(xiàn)語音、SMS和數(shù)據(jù)信息傳輸[10]。

SIM800c與主芯片連接電路如圖5所示，模塊連接及主要引腳說明如下：

VCC：模塊供電引腳，輸入DC5 V。

V_TTL：該引腳接主控制芯片STM32(內(nèi)核電壓5 V/3.3 V)，用于把模塊輸入和輸出轉(zhuǎn)換為相對(duì)應(yīng)的TTL邏輯。

TXD：模塊發(fā)送引腳，TTL電平，與主芯片的接收管腳RXD4(即79腳位PC11/USART4_RX)相連接。

RXD：模塊接收引腳，TTL電平，與主芯片的發(fā)送管腳TXD4(即78腳位PC10 /USART4_TX)相連接。

PWK：拉低該引腳可以實(shí)現(xiàn)模塊的開啟或關(guān)閉。

GND：電源地線。

2.5 FLASH模塊

為保障數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，在采集網(wǎng)關(guān)內(nèi)擴(kuò)展一個(gè)FLASH存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)器選用W25Q128FV芯片。FLASH模塊芯片電路如圖6所示，其主要功能引腳及連接說明如下：

DO：I/O口數(shù)據(jù)輸出端，該引腳與STM32F103VET6芯片31腳位管腳SPI1 MISO(SPI總線主機(jī)輸入/從機(jī)輸出)相連接。

DIO：I/O口數(shù)據(jù)輸入端，該引腳與STM32F103VET6芯片32腳位管腳SPI1 MOSI(SPI總線主機(jī)輸出/從機(jī)輸入)相連接。

CLK：串行時(shí)鐘輸入端，該引腳與STM32F103VET6芯片30腳位管腳SPI1 SCK(SPI同步時(shí)鐘)相連接。

CS：片選輸入端。

WP：I/O口寫保護(hù)輸入端。

HOLD：I/O保持?jǐn)?shù)據(jù)輸入端。

3 采集網(wǎng)關(guān)軟件程序開發(fā)

網(wǎng)關(guān)以STM32F103VET6為主控制器，選用Keil μVision集成開發(fā)環(huán)境作為軟件開發(fā)工具，通過運(yùn)行C語言編寫系統(tǒng)軟件，實(shí)時(shí)采集船舶信息，并控制GPRS模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至遠(yuǎn)程服務(wù)器終端。

3.1 主程序結(jié)構(gòu)

主控芯片是整個(gè)船用采集網(wǎng)關(guān)的“大腦”，主程序運(yùn)行流程如圖7所示。首先在驅(qū)動(dòng)工作流程前需對(duì)底層驅(qū)動(dòng)進(jìn)行初始化操作[15]，然后對(duì)相關(guān)必要參數(shù)進(jìn)行配置。初始化結(jié)束后，采集網(wǎng)關(guān)進(jìn)行工作周期判斷(網(wǎng)關(guān)設(shè)置采集周期為15 min，可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行編程設(shè)定)，到達(dá)采集周期點(diǎn)后，RS485串口連接底層各傳感器，根據(jù)MODBUS_RTU通訊協(xié)議采集船舶參數(shù)；北斗/GPS模塊根據(jù)和芯星通Unicore標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議采集船舶位置動(dòng)態(tài)信息，數(shù)據(jù)采集后通過網(wǎng)關(guān)擴(kuò)展的FLASH模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，采集裝置向上位機(jī)請(qǐng)求數(shù)據(jù)，上位機(jī)通過驗(yàn)證后向采集裝置發(fā)送采集周期等配置信息，網(wǎng)關(guān)配置成功后通過GPRS模塊向上位機(jī)發(fā)送采集數(shù)據(jù)，隨后上位機(jī)確認(rèn)接收，主程序一個(gè)周期運(yùn)行結(jié)束。

3.2 RS485采集模塊程序設(shè)計(jì)

采集網(wǎng)關(guān)的RS485串口與各傳感器(如計(jì)量表等)相連接，數(shù)據(jù)采集時(shí)，主芯片STM32通過RS485總線向各傳感器發(fā)送采集指令，并開啟串口中斷，接收傳感器采集的船舶信息。RS485采集模塊采用MODBUS_RTU通信協(xié)議，按照串行總線的主從通信原理確定訪問的方法，采集的船舶數(shù)據(jù)多為浮點(diǎn)數(shù)類型，MODBUS_RTU規(guī)定采用IEEE754格式進(jìn)行傳送。模塊程序設(shè)計(jì)包括串口初始化(配置管腳、設(shè)置通訊參數(shù))、串口中斷接收和數(shù)據(jù)解析處理三部分，程序運(yùn)行流程如圖8所示。

3.3 北斗/GPS定位模塊程序設(shè)計(jì)

UM220-IIIN與單片機(jī)串口通信采用Unicore協(xié)議(和芯星通軟件接口協(xié)議)，單片機(jī)根據(jù)協(xié)議對(duì)應(yīng)的指令，通過串口USART2對(duì)UM220-IIIN模塊進(jìn)行配置。數(shù)據(jù)采集時(shí)，單片機(jī)串口中斷開啟，串口根據(jù)Unicore標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議中斷接收UM220-IIIN的北斗/GPS信息，通過采集網(wǎng)關(guān)內(nèi)置存儲(chǔ)模塊及GPRS模塊，實(shí)現(xiàn)信息存儲(chǔ)與傳輸，并在船舶綜合監(jiān)管系統(tǒng)終端機(jī)上實(shí)時(shí)顯示船舶經(jīng)緯度、航速、航向等信息。

STM32對(duì)北斗/GPS模塊的配置命令如下：

void Set_beidou()

{

USART2_Send_string("$CFGPRT,1,0,9600,0,0 ");

//使用模塊串口1，設(shè)置波特率為9600，數(shù)據(jù)輸入輸出格式為Unicore協(xié)議

USART2_Send_string("$CFGMSG,0,0,0 ");//關(guān)閉GGA

USART2_Send_string("$CFGMSG,0,1,0 ");//關(guān)閉GLL

USART2_Send_string("$CFGMSG,0,2,0 ");//關(guān)閉GSA

USART2_Send_string("$CFGMSG,0,3,0 ");//關(guān)閉GSV

USART2_Send_string("$CFGMSG,0,4,1 ");//打開RMC

USART2_Send_string("$cfgsave,h1f ")；//保存配置到NOR Flash

}

3.4 GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊程序設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)GPRS模塊應(yīng)用2G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的無線傳輸(在采集持續(xù)時(shí)間較短、傳輸速率要求較高的情況下可使用3G網(wǎng)絡(luò))，數(shù)據(jù)上傳時(shí)，主控制芯片通過USART4串口發(fā)送AT命令來控制支持TCP/IP協(xié)議的GPRS模塊(SIM800c)，將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至服務(wù)器終端。GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊程序設(shè)計(jì)包括：模塊初始化、建立連接、數(shù)據(jù)發(fā)送、關(guān)閉連接，主要代碼及注釋如下：

void Set_3G()//初始化

{

USART4_Send_string("AT+CIPMODE=0 ");//設(shè)置為非透?jìng)髂Ｊ?/p>

USART4_Send_string("AT+CPIN? ");//檢查SIM狀態(tài)

USART4_Send_string("AT+CSQ ");//檢查網(wǎng)絡(luò)信號(hào)強(qiáng)度

USART4_Send_string("AT+CREG? ");//檢查網(wǎng)絡(luò)注冊(cè)狀態(tài)

USART4_Send_string("AT+CGATT? ");//檢查GPRS附著狀態(tài)

USART4_Send_string("AT+CSTT="CMNET" ");//設(shè)置APN

}

void Connect3G()//建立連接，發(fā)送數(shù)據(jù)

{

USART4_Send_string("AT+CIICR ");//激活移動(dòng)場(chǎng)景，建立無線鏈路

USART4_Send_string("AT+CIFSR ");//獲取模塊本地IP地址

USART4_Send_string("AT+CIPSTART="TCP","111.145.254.19",8809 ");//設(shè)置遠(yuǎn)端服務(wù)器類型、IP地址、端口號(hào)，建立TCP鏈路

USART4_Send_string("AT+CIPSEND ")；開始數(shù)據(jù)發(fā)送

}

voidClose_3G()//關(guān)閉

{

USART4_Send_byte(0x1A)；結(jié)束發(fā)送數(shù)據(jù)

USART4_Send_string("AT+CIPCLOSE ")；關(guān)閉連接

}

3.5 陸基船舶綜合監(jiān)管系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

陸基船舶綜合監(jiān)管系統(tǒng)基于Win7操作系統(tǒng)，利用Java編程語言開發(fā)設(shè)計(jì)，軟件功能如圖9所示。

該系統(tǒng)為保證信息安全及用戶隱私，將用戶劃分為兩類，一類為超級(jí)管理員，一類為普通用戶，并為不同用戶提供獨(dú)立的訪問賬號(hào)和密碼，明確劃分訪問權(quán)限。超級(jí)管理員可對(duì)船舶信息進(jìn)行查、增、刪、改等操作，而普通用戶只可查詢其所屬船舶信息。

4 網(wǎng)關(guān)實(shí)船應(yīng)用測(cè)試

為了檢測(cè)整個(gè)采集網(wǎng)關(guān)程序開發(fā)是否有效，以某漁港2艘漁船、某游艇碼頭4艘游艇為試驗(yàn)對(duì)象，進(jìn)行了近一個(gè)月的測(cè)試，得出以下幾個(gè)結(jié)論：

1)船舶綜合監(jiān)管系統(tǒng)船舶各數(shù)據(jù)(經(jīng)緯度、航速、航向、油耗、電池組參數(shù)等)更新正確，如圖10、圖11所示，證明采集網(wǎng)關(guān)功能達(dá)到既定要求。

2)系統(tǒng)采集的油耗值與現(xiàn)場(chǎng)記錄的油耗值存在差異，且這個(gè)差異因船舶類型的不同而不同。相比而言，游艇的油耗差異大于漁船的油耗差異，可能由于游艇自身橫搖縱搖幅度較大造成(有待考證)，但總體而言，兩種船型油耗差異均小于3%，滿足設(shè)計(jì)精度要求。

3)試驗(yàn)時(shí)港口恰逢陰雨天，風(fēng)力達(dá)5～6級(jí)，各類船舶停靠較多，但GPRS模塊通信質(zhì)量和覆蓋海域并未受到影響，采集系統(tǒng)穩(wěn)定性滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)束語

基于GPRS無線傳輸技術(shù)的船舶數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)基本實(shí)現(xiàn)了近海類船舶實(shí)時(shí)信息的采集與傳輸、歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與查詢等功能。但在設(shè)計(jì)研發(fā)及應(yīng)用過程中仍存在不足之處需要進(jìn)一步完善，如采集的船舶數(shù)據(jù)仍不夠完整系統(tǒng)，下一步要盡量擴(kuò)展數(shù)據(jù)接口，使數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)更加完善；還應(yīng)通過抑制干擾源、切斷或減少電磁干擾傳播途徑來提高網(wǎng)關(guān)抗干擾能力。

[]

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