基于VHF的船舶监视平台的设计与实现

姚平香

(青岛远洋船员学院 航海系，山东 青岛266071)

随着近年来水上运输的快速发展，航行于内河和近海水域的船舶越来越密集，船舶航行安全问题非常突出。在这种情况下，利用现代高新技术开发一套对船舶实行动态实时管理的船舶监控系统成为当前的迫切需求。

鉴于目前大多数船舶已经安装了VHF设备，因此在研究嵌入式μC/OS-Ⅱ实时操作系统的基础上，结合VHF技术、GPS技术、GIS技术和远程控制技术［1-2］，设计并开发了一种近海/内河船舶监视系统及其应用平台，为船舶提供有效的定位跟踪、状态监视、指挥调度、报警求助及远程控制等服务。

图1 系统构成示意

1 系统组成及功能

船舶监控系统主要由中心监控平台、船舶终端平台和专用通信网络组成。监控中心和船舶终端之间通过VHF收发信机进行数据传递，从而实现监控中心对船舶的动态监控，同时能实现监控中心和船舶终端间的话音和信息的互相传递等。船舶监控系统的组成结构见图1。

2 船舶监控系统硬件架构

基于VHF的近海船舶监控系统硬件平台可以分成两种:船舶终端平台和监控中心平台。从硬件设备上来看，船舶终端平台和监控中心平台都包括VHF接收信机、GPS接收机、多串口通信控制器，不同的是监控中心硬件平台还需要连接上位机和专用报警系统。所以从硬件设计的角度看，船舶终端平台和监控中心的ARM核心控制板开发可以合二为一，即开发专用的多串口嵌入式通信控制板。

2.1 船舶终端平台设计

船舶终端平台由船舶VHF收发信机、GPS接收机和嵌入式通信控制器组成。它们之间通过串口连接，其组成见图2。

图2 船舶终端组成

GPS接收机接收卫星发来的船舶位置，通过串口送往通信控制器。多串口通信控制器是整个终端平台的核心部件，它接收并处理船舶的位置、状态、报警等数据，通过VHF发射机传输到监控中心;同时它还识别并执行来自于监控中心的下发命令。船舶终端单元的触发报警通过I/O口外接按键与通信控制器相连，并通过驱动通信控制板的LED和蜂鸣器实现报警提示。

设计中，V H F 收发信机模块采用S C A D A 数字电台，兼用作主站和子站，采用半双工工作方式，具有数据吞吐量大，传输距离远，支持全透明实时传输等优点;GPS接收机采用韩国POLARISA型高灵敏度低功耗的GPS模块，支持DGPS功能。

2.2 监控中心平台设计

监控中心平台主要由VHF收发信机电台、嵌入式通信控制器、GPS接收机、报警器、上位机等组成，它们之间的连接也是通过串口进行的。其组成见图3。

图3 监控中心组成

图3 中的VHF收发信机也采用SCADA数字电台，用于与船舶电台进行语音通信及数据传输;上位机选用PC或笔记本电脑来实现。

SCADA数字电台将来自船载监控终端相关位置、状态等信息，通过串口送至多串口通信控制器进行数据转换、处理后，送到上位机上与电子海图进行匹配，并在电子海图上实时显示船舶的位置与动态。当检测到船载监控终端的报警信息时，则给以报警提示。这样，监控中心就可以直观实时地掌握船舶的动态信息。同时管理人员可以通过GIS软件对指定船舶/船队下发控制命令，实现对船舶的远程跟踪、监视、调度等操作。同时，监控中心具有大型数据库的支持，可以对船舶的数据进行记录和存储，以便进行事后查询和轨迹回放。

2.3 多串口通信控制器设计

近海船舶监控系统专用多串口通信控制板功能模块包括:电源电路、晶振与复位电路、JTAG电路、SDRAM存储器、Flash存储器，串口接口电路、串口扩展电路、GPS电路，结构框图见图4。其它模块都以串口或I/O口形式外接于最小系统，这样便于系统的升级与维护。

3 监控系统软件设计

3.1 船舶终端软件设计

船舶终端的软件部分主要由系统层和应用层组成。系统层首先以源码公开及可移植性强的μC/OS-Ⅱ为操作系统进行移植［3］，再对内核扩展形成一个简单高效的操作系统;应用层设计是在操作系统的基础上实现对船舶动态数据的采集、处理，以及数据的发送和接收。

图4 嵌入式通信控制器硬件结构

船舶终端平台的通信软件功能包括:解析GPS接收到的时间、经度、纬度、速度、方向角，以及船舶MMSI、状态等数据，按照专用的通信协议打包成专用数据包，经过CRC校验后，发送至监控系统中心通信控制器;接收、解析和执行来自监控中心的指令。

3.2 中心通信控制器软件设计

在船舶监控系统中，监控中心通信控制器软件功能包括:接收来自各个船舶的数据(包括数据帧、报警帧、应答帧等)，进行校验和解析，将有用信息按照规定的有线通信协议打包转发给上位机进行处理;接收来自监控中心上位机的命令数据，将命令信息按照专用的通信协议打包成命令帧广播给各个船舶电台，实现对船舶的监视、控制、调度和管理功能。

3.3 监控中心管理软件开发

监控中心管理软件设计主要是采用了VC与MaPInfo相结合的开发模式［4］，监控中心管理软件把船舶的位置实时匹配到监控中心的电子地图上，通过图形图像的动态显示，可形象、直观地描述被监控船舶的位置及状态，并可通过点击操作，实现对所辖船舶/船队监视、控制、调度、管理功能。移动目标监控中心管理软件的功能见图5。

图5 监控中心软件管理功能

1)接收船舶终端信息。监控中心管理软件通过中心通信控制板连接无线电台，实时接收来自各个船舶电台的数据(信息帧、报警帧、应答帧等)。

2)电子地图显示。根据中心收到的各个船舶电台的信息，不同船舶的位置都以特定的符号展示在电子地图上，同时可以实现电子地图的放大、缩小、漫游、分层显示等功能。

3)船舶远程控制。系统管理员通过管理系统操作，选择特定船舶/船队及参数设定，下发命令帧，实现对船舶的远程控制。

4)紧急报警求助处理。接受来自船舶电台的报警、求助信息，在电子地图上重点显示，并驱动监控中心的声光报警装置提醒管理人员及时救助。

5)数据库存取操作。操作员可根据用户需要显示相关船舶的历史运行轨迹、存入或调出某艘船的所载货物类型、航线、所属公司、船籍国等信息。

4 结论

本文设计并开发的基于VHF的船舶终端平台监控系统可有效实现对近海船舶电台的实时定位、跟踪、状态监视、指挥调度、报警求助和远程控制等功能。经试验验证，该系统具有组网方便，控制方式简单，易于工程实现和实时监控等优点。而且本终端运营费用低廉，既可以安装在大型船舶上，也可安装在渔船等小型船舶上，这样既能提高小型船舶在近海/内海作业的安全性，又方便相关部门对各种船舶的监管，因此具有很高的实用价值。

［1］刘红屏，王化民.GMDSS原理与综合业务［M］.大连:大连海事大学出版社，2008.

［2］段 新，褚 健，施一明.船舶综合数字信息系统研究与探讨［J］.中国造船，2010(1):183-189.

［3］陶定雄，刘益成.基于ARM的便携式智能仪器的设计［J］.微计算机信息，2008，9(2):96-97.

［4］姚平香，娄世平.AIS集成监视平台的软硬件设计及GIS功能的实现［J］.中国造船，2012(3):194-198.