基于Linux和CDMA的AIS数据传输系统

林晓松　，林少芬

(1.集美大学轮机工程学院，福建 厦门 361021；2.福建省船舶与海洋工程重点实验室，福建 厦门 361021)



基于Linux和CDMA的AIS数据传输系统

林晓松1,2，林少芬1,2

(1.集美大学轮机工程学院，福建 厦门 361021；2.福建省船舶与海洋工程重点实验室，福建 厦门 361021)

[摘要]以ARM9微处理器为核心，使用linux操作系统和CDMA无线通信技术设计船舶自动识别系统(AIS)的船载终端.系统的设计主要包括AT指令实现CDMA模块的网络连接过程及程序实现方法、图形界面的设计、红外无线键盘软硬件设计及AIS数据接收和处理、硬件设计.试验结果表明，整个AIS数据传输系统模块集成度高，既可以作为单独的AIS数据发送系统，也可以集成到GPS海图仪上.

[关键词]嵌入式系统；码分多址；自动识别；图形界面；AIS

0引言

随着现代船舶日益大型化、高速化，海上交通密度及危险性货物量和装载量与日俱增，以及全球恐怖主义的影响，国际上越来越需要提高全球海上监视能力[1- 2].解决办法之一是采用船舶自动识别系统(AIS)[3].AIS系统是集计算机技术、网络通信技术和电子显示技术为一体的船舶数字式助航系统，可通过网络将船舶位置信息、标识信息、航行状态、运动参数等数据实时发送到监控中心和周围船舶，提高航运安全[4].目前，船载AIS主要采用通用分组无线业务(General Packet Radiao Service，简称GPRS)网络实现AIS数据的远程传输，但由于GPRS采用专用国际频道，导致GPRS通信存在频率资源缺乏、抗干扰能力差等问题.

当前，国内不少人员对上述问题做了相关研究.文献[5]通过对Winsock网络通信接口的编程，实现了近海及内河航道中多个基站与一个或多个监控中心的点对点通信；文献[6]采用ARM体系架构的嵌入式系统和USB无线网卡实现AIS数据的无线传输；文献[7]提出了基于CAN总线的集多模北斗/ GPS模块、RFID、AIS等多种技术的智能船载终端，既可接收AIS数据，又可远程发送数据.虽然以上远程无线数据传输方式频率资源丰富，抗干扰措施多，但传输距离都有限.

码分多址通信技术(Code Divison Multiple Access，简称CDMA)可同时使用800M频段和1300 U频段，与GPRS比较具有良好的抗干扰性和抗衰减性，具有传输速度快、不易掉线、破解密码难、发射功率小、容量大等特点，正逐步扩大覆盖面[8].因此，本文在嵌入式Linux实时操作系统环境下，拟采用CDMA无线数据传输技术实现AIS数据的实时发送，实现本地AIS数据的液晶屏实时显示，实现通过按键进行历史数据查询和相关信息的输入，以促进水路运输船舶的远程监控和管理的便捷化.

1船载AIS终端的系统结构

船载AIS终端系统结构如图1所示.AIS数据接收模块接收GPS/BD导航信息(位置信息、日期、时间等)，同时还接收传感器、陀螺罗经仪、计程仪、转向仪等采集的航向、航速、吃水水深等船舶的运动参数.AIS数据接收模块采用VHF数据链路，用广播的方式发送和接收这些重要信息，以实现对附近海域船舶的识别和监视.主控器(嵌入式微处理器)用串行通信的方式接收运动参数和航行状态等信息，再将这些信息采用串行通信的方式送给CDMA模块，通过CDMA无线网络发送到海岸基站，同时用液晶显示器显示这些发送信息.键盘模块采用红外遥控键盘,实现船载AIS终端系统的人机交互.

1.1　主控模块

本嵌入式linux系统实现了串口通信、数据解码、数据储存和图形界面功能，是整个系统的核心.为了保证数据处理的效率和准确性，采用RISC架构的ARM9微处理器，其拥有独立的16KB指令Cache和16KB数据Cache、MMU、支持TFT的LCD控制器、NAND闪存控制器、3路UART、4路DMA、4路带PWM的Timer、I/O口、RTC、8路10位ADC、Touch Screen接口、IIC-BUS 接口、IIS-BUS 接口、2个USB主机、1个USB设备、SD主机和MMC接口、2路SPI，具有体积小、低功耗、低成本、高性能、指令执行速度快、执行效率高等特点.

图形用户接口采用Micro windows.其目的是把图形视窗环境引入到运行Linux 的小型设备和平台上，允许设计者轻松加入各种显示设备、鼠标、触摸屏和键盘等.同时，Micro windows 的可移植性非常好，基本上用C 语言实现，以图形方式支持在主机平台上的仿真目标平台，可以在台式机上进行编写和开发，不用进行交叉编译就可测试和运行，并且直接在目标平台上运行.

1.2　AIS模块

光电耦合器常用于接口电路中，作为两种供电电路间的信号电平转换.为了满足市场上AIS的系统输出电压(3~12 V)，需采用光电耦合器对AIS数据进行光耦转换，实现多信号的AIS数据接入.AIS数据通过光耦电平转换信号隔离后，通过比较器输出，得到最终的信号.AIS数据接收转换电路如图2所示，采用专用集成比较器构成的电压比较电路.

图2中AIS_IN+和AIS_IN-为AIS数据输入端，4N25A为光电耦合器，实现信号转换功能.R4为输出上拉电阻，改变R4可以改变通过比较器的电压，改变R5可以改变输入电流，R10实际为悬空状态.LM393为双电压比较器，具有切换速度快、延迟时间小、消耗电流小、输入失调电压小等优点.经过测试，电流值为1.823~37.66 mA的信号都能通过本模块.根据市场上的AIS输出电压为3~12 V，计算得出承受外接信号的内阻在300~4400 Ω以内，可满足市场需求.

1.3　CDMA模块

考虑到系统的性价比，体积大小等众多因素，CDMA模块选择Telit BCM-865.Telit BCM-865[9]是一款IS-95A/B CDMA2000 1x无线模块，带有ADC和可选R-UIM功能.超薄超轻的BCM-865仅重10g，是尺寸敏感性应用的理想选择；集成式TCP/IP协议栈和两通道ADC等额外特性带来了更多功能，在不增加成本的情况下为最终应用增添了价值；包括IIC和用户定义GPIO在内的丰富接口使得外设、传感器和执行器的集成非常容易；BCM-865适用于实时监控应用，可最大程度减少或消除远程机器和后台服务之间的人为干预.

1.4　键盘模块

无线红外键盘由发射端和接收端两部分组成.发射端对待发送的一帧数据进行编码，通过红外发射管将编码数据发送出去.接收端将接收到的数据送入AT89C51单片机进行解码处理，并将解码后的数据通过串行口方式发送到上位机，实现键盘操作功能.接收端红外解码电路如图3所示.

图3中，HS0038为红外接收探头，发光二级管D1用来指示红外发射和接收是否正常，INTO为AT89C51单片机的外部中断0接口，与HS0038输出端相连.当HS0038接收到红外信号时 ，输出端OUT输出脉冲信号，触发AT89C51单片机的外部中断0，将红外信号传到单片机上.同时，脉冲信号使三极管导通，发光二极管发光，表明红外发射和接收正常.

2系统软件设计

2.1　CDMA通信设计

CDMA工作流程如图4所示，包括Telit BCM-865模块初始化、连接TCP、发送数据和关闭TCP 4部分. 在程序实现过程中，必须保证能完全连上网络，并对是否有卡，是否有信号能做出判断，若掉线能自动连接.用户通过发送AT指令输入用户名和密码，进行拨号上网，若拨号成功，则建立应用数据传输协议(TCP)连接，进行数据通信.同时，AIS数据接收和解析进程将所采集到的AIS数据放入共享内存，CDMA 无线通信进程调用共享内存，将数据发送至远程服务器，存入远程服务器数据保库，等待查询[10].在建立服务器端和客户端TCP连接时，采用阻塞式通信，确保AIS数据正确完整地传送到远程服务器，中间引入超时机制，防止通信过程的死锁，造成系统崩溃.

2.2　红外接收程序设计

HS0038键码由一个起始码9 ms，一个结果码4.5 ms，低8位地址码9~18 ms，高8位地址码9~18 ms， 8位数据码9~18 ms和这8位数据的反码 9~18 ms组成，共108 ms.如果键按下超过108 ms仍未松开，HS0038键码将仅由起始码 9 ms和结束码4.5 ms组成.

红外接收流程如图5所示，采用定时中断方式实现.由于HS0038接收频率为38 kHz，红外信号周期为26 μs，可设定时值为65510，即每隔26 μs中断一次.接收9 ms起始信号时，控制定时器T1中断次数为346次即可.当接收完4个数据后，判断数据3是否是数据4的反码，确保数据正确.若数据3是数据4的反码，则将数据3放入缓存，以待通过串行口发送到上位机；若数据3不是数据4的反码，说明接收到的数据错误，结束程序.

3系统测试

整个系统在某基站平台和实验室环境下进行模拟测试，由基站平台产生信号并发送.目标机本身带有Linux操作系统，且识别SD卡，将编译好的文件直接放到SD卡中，则开机后Linux会自动运行该文件，实现图形界面在目标板上的显示和数据远程发送.图6a表示AIS数据接收和液晶屏显示界面，包含13条船舶的信息，其信息有船名、水上移动通信业务标识码(Maritime Mobile Service Identify，简称“MMSI”)、纬度、经度、航向、航速等.图6b表示CDMA远程通信数据接收界面.由图6可看出船载AIS终端可实时、准确地采集AIS数据，显示并远程发送数据到监控中心或其他装有CDMA终端的船舶.同时，采用红外键盘在显示屏下方输入作者信息和进行历史数据的查询，模拟主从机的接收和发送，实现船载AIS终端系统的人机交互.

4结论

船舶自动识别系统的出现对船舶的航行安全起着重要作用，也拓宽了海事管理范围.本文针对AIS数据接收情况，设计了能够接入大部分AIS数据的接收转换电路，并在Linux操作系统下实现了将AIS信息通过CDMA无线网络发送到一个网络终端，运用Micro windows 完成了图形界面显示，克服了标准船载AIS终端频率资源短缺，抗干扰能力差的问题，以及其他相关产品传输距离短的问题.所设计的无线红外键盘，对电台、对讲机的干扰有很强的抗干扰能力，方便用户与终端间的交互.然而，本文没有考虑数据发送过程中的可靠性，断电保护和数据加密将是后续研究的主要内容.

[参考文献]

[1]GUDRUN K HØYE,TORKILD ERIKSEN,BENTE J MELAND,et al.Space-based AIS for global maritime traffic monitoring[J].Acta Astronautica，2008，62(2)：240-245.

[2]黄鹏飞，周建文，黄艳玉.AIS在海事调查处理中的应用[J].集美大学学报：自然科学版，2010，15(6)：438-442.

[3]姜洪涛，杨晓峰.基于AIS时态数据库的船舶实时监控系统[J].测绘通报，2014(1)：114-117.

[4]梁高金，汤滚荣.船载自动识别系统AIS的操作和管理[J].航海技术，2013(6)：40-42.

[5]李勇，包世泰，周品.基于Winsock的AIS基站网络数据传输研究[J].计算机工程与设计，2008，29(4)：949-951.

[6]林祎珣，邵哲平.基于嵌入式Web服务器的AIS数据无线采集系统[J].上海海事大学学报，2011，32(1)：40-43.

[7]沈立，王海涛，王凤鸣，等.内河运输船舶智能船载终端的设计与应用[J].船舶，2013，24(4)：61-64.

[8]郭江涛.基于CDMA技术的井下无线通讯系统[J].煤矿安全，2012，43(3)：107-109.

[9]BELLWAVE.Telit BCM-865C programmer’s guide[EB/OL].[2014-02-06].http://www.gfsswy.com/?qzTlit+BCM-865C+programmer%27s+guide.

[10]朱运利，厉彦峰.船舶智能监控系统的研究与实现[J].计算机测量与控制，2009，17(5)：893-896.

(责任编辑朱雪莲英文审校黄振坤)

AIS Data Transmission System Based on Linux and CDMA

LIN Xiao-song1,2,LIN Shao-fen1,2

(1.Marine Engineering Institute,Jimei University,Xiamen 361021,China;

2.Fujian Provincial Key Laboratory of Naval Architecture and Ocean Engineering，Xiamen 361021，China)

Abstract:With ARM9 as core microprocessor,an Automatic Identification System (AIS) onboard terminal is designed based on linux operating system and CDMA wireless communication technology.The design of system includes AT commands for network connection and Program implementations,GUI design,software and hardware design of wireless infrared keyboard,reception and processing of AIS data and hardware design.As the results shown in the experiment,the module’s integration is high in the system,which makes the AIS data transmission not only can be used lonely,but also can be integrated into GPS chart plotter.

Key words:Embedded system；CDMA;Automatic identification;Graphical user interface;AIS

[文献标志码]A

[中图分类号]U 675.7

[文章编号]1007-7405(2015)03-0198-05

[作者简介]林晓松(1990—)，男，硕士生，主要从事嵌入式系统的方向研究.通信作者：林少芬(1962—)，女，教授，博导，主要从事船舶与海洋结构物设计制造、机电一体化等的方向研究.

[基金项目]交通运输部应用基础研究项目(2014329815100)

[收稿日期]2014-12-10[修回日期]2015-01-20