物联网系泊船舶运动监测系统方案设计

苑晓龙，邱占芝

(大连交通大学 软件学院，辽宁 大连 116028)*

物联网系泊船舶运动监测系统方案设计

苑晓龙，邱占芝

(大连交通大学 软件学院，辽宁 大连 116028)*

研究了港口码头系泊船舶运动监测系统的方案设计问题，提出一种基于物联网技术的系泊船舶运动监测系统设计的方案，阐述了系统构成和监测软件的设计思想.数据感知层采用射频识别和传感器两大核心技术实现数据采集，网络层采用无线局域网技术传输监测数据和控制命令，应用层采用串口通信技术接收和发送数据.模型试验表明了系统方案和采用技术的有效性和可行性.

船舶运动监测;方案设计;物联网;数据传输;串口通信

0 引言

随着世界海运市场竞争日益激烈，提高效率成为当务之急.由于海浪、海流、风力等海洋环境要素的不断变化，导致系泊船舶靠泊时极易产生横移、纵移、升沉三个方向上的位移与横摇、纵摇、艏摇三个方向上的转动，过大的位移和摇转会延长船舶在港内系泊时间，增加相应的费用;甚至使得靠泊作业难以进行，更严重的情况是船舶与码头或码头装卸设备发生碰撞而造成经济损失.因此，研究和开发系泊船舶运动监测系统具有重要的现实意义和推广价值.

物联网技术的提出，为船舶运动监测系统的实现提供了可靠的技术基础.物联网分为三层:感知层、网络层和应用层［1］.感知层主要是识别物体，采集信息;网络层负责传递和处理感知层获取的信息;应用层是物联网和用户的接口，它与行业需求相结合，从而实现物联网的智能应用.

1 系统总体设计

1.1 系统需求与目标

系统采用射频识别、传感器与串口通信技术，实现监测船舶运动和海洋环境信息，并依据监测信息发出对应的控制指令.系统实现相关信息的管理，方便工作人员查询和分析信息.该系统有系统维护模块、船舶距离模块、船舶运动信息模块、船舶运动视频监测模块、海洋环境信息模块以及报警信息模块六大项功能(如图1所示).

系统接收海洋环境信息、码头船舶距离和船舶六个自由度的运动数据后实时显示在大屏幕上，即实现对船舶运动和海洋环境数据的动态实时监测，同时将这些监测数据存储到数据库中.从而使得PDA监测终端可以通过无线局域网络接口接收到数据库中的数据.

当船舶的位移超出正常范围或船舶与码头距离过近时，系统发出声光报警，将报警信息记录在数据库中.同时根据报警信息内容自动解析产生控制指令，将报警信号和控制指令通过无线局域网络传输至每个与系统连接的手持PDA设备中.现场操作人员遵照指令调节缆绳的长度，情况严重时甚至自动脱缆，船舶逃逸.

船舶运动监测采用多角度视频监测方式，视频信号通过无线局域网络传输至系统中，采用国际电联的H.261编码的方式对视频进行编码，采用磁盘存储阵列方式存储视频信息，同时将视频信息显示在大屏幕上.为节省磁盘空间，监测视频在系统中存储一段时间后自动压缩备份存储.多角度视频监测可以更加清晰、直观的显示出船舶的位置变化.

增加历史数据查询功能，工作人员查询某时间段内码头系泊船舶的监测数据或者海洋环境数据，系统不仅将查询出的数据用曲线图或者柱状图直观的显示出来，也可以将这些数据导出至Excel表格或者直接打印，供工作人员对这些数据进行分析.系统自动定时地对数据库进行备份，防止数据丢失，确保监测数据的安全.

图1 系统功能结构图

1.2 系统方案与设计

系统的结构组成图(如图2所示)是船舶在码头系泊过程中，船舶运动(横移、纵移、升沉、横摇、纵摇、艏摇)以及船舶与码头之间距离等船舶数据，水深、海浪、风速风向和流速流向等海洋环境数据由位于码头上不同种类的传感器感知并由数据采集器采集之后通过无线局域网络传输到监测系统中.由监测系统软件端完成各项数据的处理、记录和显示.这些数据信息的接收、显示和存储等操作组成了物联网的应用层，实现了物联网的智能应用.

从系统的顶层数据流图(如图3所示)可以看出，船舶运动与海洋环境信息由传感器感知后和监测视频信息一起传输至系统中，系统实时显示这些信息.工作人员输入自身信息，系统通过用户信息和用户权限的验证赋予其相应访问权限，从而查看实时监测信息.对于通过系统验证拥有查询历史监测数据权限的用户，系统处理查询请求之后从数据库取出满足条件的历史监测数据，并在相应界面中以图形直观显示供工作人员查看和分析.

图2 系统结构组成图

图3 顶层数据流图

2 系统的主要技术

码头系泊船舶运动监测系统是在射频识别和传感器两大物联网核心技术的支撑下而实现的.同时，激光和无线网络技术的发展，把这些技术应用在码头系泊船舶运动监测系统上，使其更加可靠、准确、方便、直观的监测各种所需数据，提高系泊船舶安全性.

2.1 射频识别(RFID)和传感器网络系统

系统赋予每艘船舶一个独一无二的EPC(电子产品代码，Electronic Product Code)代码，船舶所对应的船舶长度、宽度、高度、吨位、吃水等物理属性以及名称、船型、国籍等信息存储在互联网上EPCIS(EPC Information Service)服务器中.船舶到达码头后即可根据它的EPC标签从互联网上的EPCIS服务器中查询此船舶的属性信息，从而选择最优的泊位使得船舶靠泊.

射频识别RFID(Radio Frequency Identification)是一种非接触式的智能自动识别技术，通过无线射频方式进行非接触双向数据通信，识别目标并获取相关的数据.射频识别技术具有同时识别多个标签、识别精度高、抗干扰能力强、识别速度快等优势.无源RFID产品主要工作频率有低频(125 ～134.2 kHz)、高频(13.56 MHz)、超高频(915 MHz);有源RFID产品具有远距离自动识别的特性，主要工作频率有超高频915 MHz、微波2.45 GHz;半有源RFID产品，结合有源RFID和无源RFID产品的优势，在低频125 kHz频率的触发下，让微波2.45 GHz发挥优势，识别距离可达几百米.根据码头泊位与船舶之间的距离，系统选用半有源RFID产品来识别船舶上的EPC标签.

该系统涉及到的传感器可分为两类，一类称为海洋环境传感器:测量水深传感器、波浪传感器、风速风向传感器、流速流向传感器;另一类称为船舶运动传感器:激光测距传感器、倾角传感器.这些传感器的数据输出端口为RS232、RS485、RS422等串口.传感器网络是由大量部署在监测区域的传感器节点感知周围环境信息，并以子组网多跳的形式进行通信的一种网络系统.该监测系统使用射频识别技术(RFID)感知船舶信息，传感器网络系统感知海洋环境要素和船舶运动变化的数据，从而组成了物联网的感知层.

2.2 数据采集和传输

本系统涉及的传感器种类较多，因此采用接口分离设计，使监测节点具有多种传感器接口.系统采用的数据采集器可将多通道传感器信号无缝的过渡到各类以太网中，而且采用标准MODBUS RTU协议，服务器端可以通过任何支持该协议的软件与远端的任意节点的现场传感器信号进行数据交流.同时数据采集器还具有2个扩展智能串口，可以方便的配接扩展智能串口设备，实现监测系统与远端设备的数据交互，可方便接入或更换各种传感器，便于系统移植和升级.

信号的输入采用RS232、RS485、RS422等串口，信号的输出可以选用串口通信、有线以太网、无线局域网络，也可以采用GPRS或CDMA网络连接的方式将信号传输到系统中.本系统采用无线局域网络将数据传输到软件系统，然后系统接收数据，显示、存储数据等操作.

无线局域网相对于有线网络具有灵活性和移动性、安装便捷、易于进行网络规划和调整、故障定位容易、易于扩展等优点.由于码头泊位布线较为复杂、手持设备PDA的移动性等特点，而且泊位与主控制室的距离在无线局域网络的距离范围之内，虽然它的数据传输较慢，但也足以满足本系统的数据通信量.无线局域网络相比于GPRS或CDMA网络可以节省一部分开支.数据采集器和无线局域网络在本系统中充当了网络层的角色，将感知层感知到的数据传送至监测系统中进一步的处理.

2.3 数据接收和处理

数据采集器与监测系统通过无线局域网进行通信，需要使用数据采集器提供的网由－配置工具配置监测系统所在计算机的IP地址和数据交互接口.监测系统根据实际传感器的信息添加对应的虚拟串口.监测系统可以通过虚拟数据采集串口与每个传感器进行数据“透传”.每个传感器的真实串口都对应一个虚拟的串口，监测系统通过Win32 API提供的相关串口通信函数即可实现与各传感器的数据输出串口进行通信.不同的虚拟串口自动传输数据的周期是不同的，因此将串口通信函数封装在一个实现了多线程接口的类中，对每一个串口启动一个单独的线程来并行接收数据，保证系统数据的实时性.

系统采用SQLServer2005数据库存储实时监测获得的海洋环境要素信息和船舶运动六个自由度的运动等数据信息.由于实时监测的需要，系统会存储大量数据.因此不仅要建立基本的数据表，还要利用索引和主、外键关联等优化数据查询速度.系统使用了数据分区技术，数据分区是把大量的数据用接近平均分配的方法存储到一组数据分区里，而且保证每个分区的数据都可以加载到系统中.在SQLServer2005中通过使用表与索引建立的分区，可以降低在使用分区视图管理数据库时的复杂性.SQLServer2005提供了使用数据行作为最小的分区单位的水平范围分区功能，提高了数据查询的速度以及管理效率.

3 原形系统模拟

原形系统主界面实现了系泊船舶运动视频监控、运动信息和海洋环境信息动态实时显示(如图4所示).界面最上方显示根据船舶EPC标签读取到的船舶相关信息和船舶与码头之间的距离;主界面显示船舶三个不同视角的实时视频信息(本次模拟试验仅显示一个视角)，下方实时显示船舶六个自由度的运动数据;左方显示风、浪、流等海洋环境信息.当船舶运动过大出现安全隐患时，报警灯发出声光报警，提醒现场人员采取相关措施保证系泊船舶的安全，避免造成较大的经济损失.(系统的运动数据都采用模拟数据.)

图4 系统主界面图

4 结论

本文主要介绍基于物联网的射频识别和传感器两大核心技术的码头系泊船舶运动监测系统，提供了不同种类的传感器感知时刻变化的海洋环境和船舶运动信息，并将感知到的数据传输至监测系统中，实现对其数据变化的动态实时监测.采用无线局域网络传输数据，省去了复杂的码头泊位布线.该系统极大限度的保证系泊船舶作业时的安全，大约提高单个泊位经济收入的5% ～8%，具有广阔的推广价值和应用前景.

［1］程玉.物联网技术及其在我国面临的挑战［J］.软件，2011，15(5):109-111.

［2］宁唤声，徐群玉.全球物联网发展及中国物联网建设若干思考［J］.电子学报，2010，15(11):2591-2598.

［3］LIU YONG MIN，LIU SHUAI，LINI.The Architecture of Internet of Things(IOT)［C］.2011 International Conference on Computer，Electrical，and Systems Sciences，and Engineering(CESSE 2011)，2011:4-28，561-564.

［4］王成，王志新.基于无线局域网的大型风电场远程监测系统［J］.电网与清洁能源，2009，25(12):75-77.

［5］朱飞祥，张英俊，赵莉.基于无线网络的船舶监测系统的设计与实现［J］.中国航海，2008，25(6):135-138.

［6］张均东，闫慧琦，余剑翔.基于CAN总线的船舶监测系统设计［J］.测控技术，2003，22(10):24-27.

Scheme Design of Mooring Ship Motion Monitoring Systems Based on The Internet of Things

YUAN Xiao-long，QIU Zhan-zhi

(Software Institute，Dalian Jiaotong University，Dalian 116028，China)

The scheme design problem of ship motion monitoring system for wharf mooring is studied.The design scheme of mooring ship motion monitoring system based on the internet of things technology is proposed，and the system configuration and the design idea of monitoring software are introduced.The Data-aware layer adopts RFID and sensing technologies to acquire data from the natural world，and the network layer adopts WLAN to transmit the monitoring data and control commands，while the application layer adopts the serial communication technology to receive and send data.The model test show the effectiveness and feasibility of the system schema and used technology.

ship motion monitoring;scheme design;internet of things;data transmissions;serial port communication

A

1673-9590(2013)06-0112-05*

2013-03-20

国家自然科学基金资助项目(61074029);辽宁省科学研究计划资助项目(2011216007)

苑晓龙(1989－)，男，硕士研究生;邱占芝(1960－)，女，教授，博士，主要从事网络控制方面的研究

E-mail:longjianzhiyun@163.com.