基于嵌入式技术的船岸一体化管理平台设计与开发

汪益兵，聂建涛

(1. 浙江国际海运职业技术学院 航海工程学院， 浙江 舟山 316021；2. 大连陆海科技股份有限公司， 辽宁 大连 116023)

0 引言

随着船舶自动化程度的不断提高和计算机网络系统技术的飞速发展，船舶自动化系统正在向船舶信息集成化方向发展，各船舶航运企业纷纷建立船舶信息监控管理系统.该系统通常能自动集成船舶运行的重要信息数据，通过卫星传输实现船舶与航运公司之间的信息交换、航运公司对船舶的监控和管理，促进船岸一体化管理平台建设进程，提高管理层的调度、经营和决策能力，提升船舶航运安全性和港口运输能力.[1-5]现有船岸一体化管理平台对船舶的信息采集多集中于船舶航行的动态信息，并局限于对具体的设备进行采集，对于船舶上的其他类型传感器数据无法进行统一处理.另外，现有船岸一体化管理平台多采用陆地上通用的计算机设备，不能适应特殊的船舶航行环境，且与传感器的设备信息之间没有隔离保护，设备电源也未采用隔离保护措施.在船岸一体化管理平台中采用嵌入式技术，统一采集和传输协议，可满足对更多不同类型信息的采集和传输；具有应急电源保障的24 V直流电源供电和电源隔离保护，对传感器的信号接口进行隔离保护，提高系统工作的稳定性和抗干扰性.[6-7]

所谓嵌入式技术,就是综合计算机技术、自动控制技术、通信技术等开发智能化产品,实现产品故障诊断、自动报警、本地监控或远程监控，达到管理的网络化、数字化、信息化和现代化.在船岸一体化管理平台中采用嵌入式技术，可实现功能：(1)利用现行的国际标准和行业标准(IEC-61162，NMEA0183和NMEA2000)，对船舶常用传感器/设备输出的信息进行采集、存储和远程传输的协议封装.(2)在协议封装的基础上，设计协议的扩展规则.在该规则下，对没有国际标准和行业标准的非标准的非交互式传感器/设备的信息进行采集、存储和远程传输的协议封装.(3)实现对非标准的交互式传感器/设备的信息采集、存储和远程传输的协议封装.(4)实现预警按钮和用户自定义按钮的功能.(5)实现采集信息的显示与查询、报警信息的屏幕显示.

1 嵌入式船岸一体化管理平台设计与开发

嵌入式船岸一体化管理平台由嵌入式计算机硬件和嵌入式软件组成.

1.1 嵌入式计算机硬件设计与开发

嵌入式船岸一体化管理平台硬件系统的整体结构见图1.

图1 嵌入式船岸一体化管理平台硬件系统组成

该平台硬件系统的核心是嵌入式船舶信息综合采集与传输设备，在第2节进行具体介绍.船舶导航设备是指符合IEC-61162或NMEA0183标准的船舶导航设备，如船舶自动识别系统(Automatic Identification System,AIS)、全球定位系统(Global Positioning System,GPS)、计程仪、测深仪、风速/风向仪、陀螺罗经、自动舵、雷达等船舶常用设备.非标准的非交互式传感器/设备包括具有只读信号输出的传感器/设备，如机舱集控系统输出的船舶主机运转信息(如主机转速、排气温度等)、燃油消耗信息、船舶辅机的发电参数等.这些只读信息以一定的周期对外提供，不需要与数据的接收方进行协议交互，提供数据的方式是ASCII码或二进制数据流.船上冷冻舱室、存油水舱的传感器属于非标准的交互式传感器/设备，这些传感器/设备采集的信息需要进行交互式查询.嵌入式船舶信息综合采集与传输设备可以从计算机网络获取用户自定义的需要采集的数据，同时也可以通过船舶计算机网络访问船舶卫星通信设备，进行船岸之间的远程通信和数据传输.[8]在船上通常使用AMOSMail或Rydex的个人计算机作为电子邮件网关，网关提供标准的电子邮件POP/SMTP服务.船舶卫星通信设备是指目前常用的船舶卫星通信设备，例如：支持IP通信服务的VSat设备和铱星设备或海上宽带设备Inmarsat-FBB，支持MPDS的Inmarsat-F，支持ISDN的Inmarsat-F/B，支持存储转发短消息通信的Inmarsat-C/Mini-C等.[2,9-11]

1.2 嵌入式软件设计与开发

嵌入式船岸一体化管理平台软件由通信模块、采集模块、WEB设置与管理模块组成，见图2.

图2 嵌入式软件结构

1.2.1 采集模块

采集模块负责读取所连接的采集设备的相关类型和接口配置信息，根据配置文件中的参数初始化相关采集设备，提取需要的采集设备的数据，对数据进行编码并写入缓存中.从设备的配置文件中读取所采集设备的配置信息，该信息对设备进行采集所要使用的标准协议、非标准非交互和非标准交互中的某种方式进行描述.

1.2.2 通信模块

通信模块负责读取所连接的通信设备的相关类型和接口配置及通信通道的配置信息，根据配置文件中的参数初始化相关通信设备，轮询查看是否有新的等待发送的信息包命令，并解析新的信息包命令，根据报文命令调用相关的需要采集的设备的数据(从缓存中读取要采集的设备的数据)，之后对数据进行编码，选择通信信道，驱动通信设备，发送编码后的数据.从设备的配置文件中读取使用通信和传输设备的配置信息，根据需要对传输的设备信息进行传输协议的封装，采用标准或非标准的封装方式进行编码，选择通信设备和通信方式发送到指定的目的地址.

1.2.3 WEB设置与管理模块

嵌入式平台软件通过嵌入式的WEB服务提供设备配置与管理界面.在设备安装调试时，可以通过连接到本设备的计算机用浏览器对设备进行配置；同时也可以对连接到本设备的传感器/设备进行调试.具体的实现流程是，从设备的配置文件中读取配置信息，通过设备中的嵌入式WEB服务器(即BOA，一个小巧高效的WEB服务器)在WEB浏览器中显示.根据登录用户的权限控制，只读用户只能查看配置信息，维护管理用户可以对所采集的设备和传输设备进行配置修改，确认后写入配置文件，从而更改设备的运行参数.通过该模块可以根据配置文件对船舶上需要的采集传感器/设备的数据采集方式和通信方式进行配置，实现对不同类型信息的采集和传输.

WEB设置与管理模块主要包括读配置文件模块和写配制文件模块.通过IE浏览器输入控制器的IP地址，登录控制器的设置页面(控制器有BOA)，BOA引导控制器调用相关的功能模块.读配置文件模块读取所有的配置信息，所有配置信息通过BOA传递到WEB浏览器上，通过WEB浏览器对控制器进行设置.对设备的配置进行维护后，保存设置时会调用写配置文件模块.

2 嵌入式船舶信息综合采集与传输设备

该设备负责船舶航行信息的采集和管理，随时从AIS,船舶保安警报系统(Ship Security Alert System,SSAS),船舶局域网的文件服务器或其他采集软件服务器等采集船舶数据信息；及时解析来自地面站的指令,并根据指令要求执行相应的操作.[7]该设备主要由触摸屏、预警按钮、用户自定义功能按钮、以太网接口、多个串行口、对串行口进行信号隔离的模块、电源隔离模块等组成，见图3.

电源隔离模块采用直流中心电压为24 V支持12～36 V的宽电压隔离供电方案，以适应船舶通信应急电源的供电特点.本设备符合船舶通信电源的设计和使用规范，并得到船舶通信应急电源的支持，同时也避免或减少因电源产生的信号干扰.信号隔离模块对接入设备的串行口进行隔离保护，避免不同设备之间的信号干扰，同时提高设备对船舶环境的适应能力.

以太网接口用于连接船舶计算机网络或支持以太网接口的船舶卫星通信设备.通过网络连接，既可以通过网络采集用户自定义的数据，又可以通过以太网与船舶卫星通信设备连接进行船岸远程数据通信.[9,12]

触摸屏提供设备的人机界面，对采集的信号进行显示，对设定预警和报警门限的传感器信息进行相应的预警和报警.预警按钮用于人工报警，可以预设置报警内容和报警的目的地址.用户根据预先的设定，在报警情况出现时按下该按钮，可以将报警信息发送到陆地的用户公司端.用户也可以通过自定义功能按钮定义信息发送的内容和目的地址；通过浏览器设置和配置设备运行参数、符合船舶设备显示规范的屏幕显示配色方案和亮度.

图3 嵌入式船舶信息综合采集与传输设备结构

3 采集、传输协议设计

采集协议的封装按照原始数据透明传输的原则，在原始数据的基础上增加协议头(Header)、船舶标识(通常采用船舶的海上移动识别(Maritime Mobile Service Identify, MMSI)9位码)、设备标识.采集的信息传输到岸端后再提取和还原，并进行解析.这种透明传输可以得到传感器/设备的原始数据，减少中间处理环节，从而降低信息处理的复杂度，提高对采集设备的兼容性，使设备可以适应各类船舶、多种设备及信息的采集与传输.

船舶常用的符合IEC-61162或NMEA0183标准的船舶导航设备采集和远程传输的协议封装内容包括：协议头，船舶标识，采集与处理的时间戳(Time-Stamp)，传感器/设备的标识ID，一个标准、完整的符合IEC-61162或NMEA0183标准的信息内容的语句和协议尾(Tail)等.

对非标准的非交互式传感器/设备的输出信息进行协议封装时，在协议头标识出该信息为非标准信息；采集信息由一个或多个以200 Byte的ASCII字符串或二进制数据块组成，这些信息传输到岸端后再提取和还原，并进行解析.

对于非标准的交互式传感器/设备只能按照不同设备生产厂家的输出协议采用定制开发的方法进行数据采集.其具体处理流程：在配置文件初始化采集设备后，根据设备定义的交互式查询逻辑定制开发采集的模块，经过采集设备数据编码后存入缓存.在非标准交互式的采集数据封装上，采用非标准的非交互式传感器/设备输出信息的封装协议进行封装.

4 结束语

嵌入式船岸一体化管理平台通过创新的软硬件平台设计，具有适应多种类型传感器/设备的信息采集、抗干扰能力强、工作稳定和可靠等特点；支持船到岸报警和用户自定义信息发送等功能，能自动、快速地对远程请求作出响应，通信效率高，减少人为操作失误的可能性；实现对参数的远程修改以及远程维护和管理.

嵌入式船岸一体化管理平台能提升平台的通用性、可靠性和安全性，在为岸基提供船舶实时信息的同时，进一步实现岸基对船舶的远程监控和对船队的优化管理，提高对突发事件的处理能力，是今后船舶自动化发展的一个主要方向，在船舶运输业、海上救助、海洋船舶监察、海洋考察、远洋渔业、海洋勘探和海洋勘查等领域具有广泛的应用前景.[13-15]

参考文献：

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