渔船身份智能识别自助终端技术实现方案

2020-05-18李文明

现代信息科技 2020年20期

摘要：渔船身份智能识别自助终端设备是渔船身份识别系统重要的组成部分。在基于渔船身份智能识别自助终端的性能要求分析基础上，从终端设备结构设计、有源电子标签频率的选择、设备调制方式的选择、终端设备防死机方案设计、终端设备存储容量的设定选择、有源电子标签的省电模式及测试、电池性能测试七个角度，来探讨如何设计出功能齐全，性能较为稳定可靠的渔船终端技术实现方案。产品方案经过实际测试与应用，基本满足实际要求。

关键词：渔船身份识别系统;渔船自助识别终端;智能识别

中图分类号：S972.7;TP391.4 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）20-0060-03

The Implementation Scheme of Self-service Terminal Technology for

Intelligent Identification of Fishing Boat

LI Wenming

（Fujian Chuanzheng Communications College，Fuzhou 350007，China）

Abstract：The intelligent identification self-service terminal for fishing boat identity is an important part of fishing vessel identification system. Based on the analysis of the performance requirements of the intelligent identification self-service terminal for fishing boat identity，this paper discusses the design from seven aspects：terminal equipment structure design，active electronic tag frequency selection，equipment modulation mode selection，terminal equipment anti-jamming scheme design，terminal equipment storage capacity setting and selection，power saving mode and test of active electronic tag，and battery performance test，aiming to form a fishing vessel terminal technology implementation scheme with complete functions and relatively stable and reliable performance. After the actual test and application，the product scheme basically meets the actual requirements.

Keywords：fishing vessel identification system;fishing boat self-service identification terminal;intelligent identification

0 引言

為加强对渔船监测识别，完善渔船监控体系，提升渔船应急管理以及海上渔政执法水平，实行一条渔船一份证书，实现进出港实时监控以及台风预警提示，从而降低海上捕捞的事故风险，其中，利用渔船身份识别系统实现准确识别渔船身份信息是关键。渔船终端设备是渔船身份识别系统重要的组成部分，研发出功能较为齐全、性能稳定可靠的渔船终端设备是构建完善的渔船身份识别系统的必然要求。[1]

1 渔船身份智能识别自助终端的性能要求

作者与福建北斗星河通信有限公司的团队成员通过对渔业管理机构及渔船生产作业的实际情况的调研，我们总结归纳出行业对渔船身份智能识别自助终端的要满足以下性能要求：（1）无源标签能够支持综合执法检查数据采集;（2）有源标签能够支持渔船身份识别、港内盘点、远程执法，并要求电池使用寿命要达到5年;（3）超大容量存储空间，位置航迹不间断记录，保存1年以上;（4）GPRS/3G/4G模块，支持电话、SOS一键呼叫、船舶数据自动回传接收;（5）北斗/GPS双模定位，实时上报位置信息;（6）中英文通知信息接收，语音消息提示;（7）7寸触摸大屏，显示渔船基础档案信息，支持网络查询和预约功能，非工作时段显示妈祖屏保;（8）FM收音模块，支持调频收音功能;（9）具备船电和内置锂电池两种供电方式，独立锂电池可连续工作半年以上（自动关闭部分功能）;（10）保证系统稳定可靠，能够有效防止死机现象的发生。

团队主要依据用户的需求，进行方案设计，并开展产品方案的应用核验，后对产品设计的进一步完善。[2]

2 渔船身份识别系统中渔船终端设备技术实现方案

2.1 渔船终端设备原理架构

如图1所示，从渔船终端设备原理框图可以看出，其最重要的设计特点是采用双CPU设计方案，不同CPU负责不同的任务。CPU1负责外部电源检测与防拆检测、电池及电源管理、FM收音、电量检测芯片、STC32及存储CPU、GSM/GRPS天线。CPU2负责7寸显示屏、语音播放器、CMOS摄像头、身份证阅读、6410CPU、数字船检独立IC卡。两个CPU独立运行，同时之间有保活心跳报文通信，确保有任一CPU工作异常，能被另一CPU感知，对其热（冷）重启，进而从结构设计角度保障系统的稳定可靠性。[3-5]

2.2 有源RFID使用频率的选择

在决定有源RFID使用的频率时，主要考虑所选频率的带宽情况、频段的拥挤度，以及与移动通信的和其他通信设备如车载台、对讲机、各种数传电台相互干扰问题。400 MHz、800 MHz、900 MHz超高频系统存在带宽较窄，并且用户较多，频段拥挤不堪，存在较严重干扰问题;433 MHz又被车载电台、对讲设备、许多数传电台用作为工作频率;800 MHz～900 MHz这个频段又与移动通信形成彼此干扰;此外5.8 GHz系统对技术性要求较高，技术需要进一步完善，现有的芯片通信只能实现近距离通信，还存在功耗较大以及成本难以接受的问题。UWB技术也存在类似问题，而且在有的国家还在一定程度上限制其使用;通过对各频段的选择对比，2.4 GHz存在技术成熟，成本较低的优点，作为射频标签使用通信速率足以满足要求。因为该频段规划管理较好，且通常都是新的产品，使用了跳频或扩频新技术，所以虽然该频段用户较多，彼此间兼容性较好。有源RFID使用的频率选择2.4 GHz，比较理想。[6，7]

2.3 设备调制方式的选择

从通信系统的抗干扰性能及其通信距离两个因素考量，我们选择的调制方式为直序扩频通信方式（DSSS）。DSSS即使系统出现一个或若干个频点上被干扰到，系统也可使用通信码片间的相关关系技术，来恢复被干扰部分的信号，从而达到抵抗环境噪声干扰的效果，也就是系统存在抗干扰的能力较强的优点。同时它又存在很难干扰到别的通信系统的优点，这是由于扩频系统工作在较宽的一个频带上，在每一个工作频点上的发射能量很小的缘故。DSSS的系统可利用扩频增益技术，实现更远的通信距离。

2.4 终端设备防死机方案设计

为了保证系统稳定，终端设备防死机方案为：（1）硬件设计上加装电源监控芯片，保证电源电压高于工作临界电压才启动系统，保证电源电压低于工作临界电压不工作，防止程序跑飞。应对的场景主要是应对内置锂电池有电、没电之间的切换;（2）采用双CPU设计方案，不同CPU负责不同的任务，且之间有保活心跳报文通信，确保有任一CPU工作异常，能被另一CPU感知，对其热（冷）重启。应对的场景主要为应对无船电时，设备依然能以较低功耗继续工作，有船电时，能开启更多的自助多媒体功能;（3）双CPU均带有硬件看门狗电路，当软件异常时，没有按要求正常喂狗，则硬件自动重启，软件重新启动正常工作。应对的场景是连续不断电工作过程。

2.5 终端设备存储容量的设定选择

为分析核算航行轨迹存储容量，我们首先设置定位信息字节数总数为16字节，各类数据信息分配的字节数如表1所示。

接着计算终端设备一年所需存储容量如表2所示。

最后我们决定选用的存储器容量为128 MB，可以满足系统工作要求。

2.6 有源电子标签的功耗分析

为实现有源电子标签能保持有效工作前提下，同时满足省电要求，我们把其工作模式设计为被动式发射，也就是唤醒才发射，平时处于间隙监听状态。为了增加标签的唤醒距离，在硬件设计上，基站要加大发射功率和提升监听增益。[8]另外我们选择型号为ER34615锂亚硫酰氯电池，容量为19 Ah。

我们选用ATmega88PA主芯片，其使用手册提供参数为：在休眠模式下的电流是4 μA。

选用CYRF6936射频芯片，其使用手册提供参数为：在休眠模式时的电流为小于1 μA，发射电流为34.1 mA，接收电流为21.2 mA。

为了得到实测数据，我们利用仪表设备采用如下电流测试方法：（1）静态电流：直接串联万用表，万用表打到电流2 mA档位，测试静态电流5 μA;（2）发射电流：串联10 Ω电阻，使用示波器的测量10 Ω电阻两端的电压波形，折算电流为35 mA。利用相同的测试方法，测试接收电流为25 mA。终端设备的功耗的计算分析数据如表3所示。

根据表3计算分析结果，我们发现所选用电池电量满足渔船终端设备工作10年以上所需要的功耗。

2.7 电池测试性能测试

循环寿命是电池的重要参数，也是评价电池性能的重要标准。[9]为了解所选用锂亚硫酰氯电池（ER34615）的性能，我们需要测试其循环寿命。通过测试，其循环寿命曲线如图2所示。

从循环寿命曲线，我们发现在500次的充放电次数后，所选用电池剩余容量为额定容量的80%，满足寿命要求。

3 产品的方案在福建渔船身份自动识别系统项目中的验证

福建省海域面积13.63万平方千米，渔港群遍布沿海各地市。登记注册的海洋渔船多达58 420艘，不同大小渔港一共有245座，其中，中心港9座，一级渔港13座，二级渔港39座，三级及以下渔港184座。渔港分布比较分散，渔港监督机构人员配备不足，缺乏现代化管理手段，对渔船的监督管理处于疲于应付的局面，为了有效解决对渔船的安全监管问题，全省七个渔港建设渔船进出港身份识别系统一套。作者与福建北斗星河通信有限公司的团队成员把所设计的如图3所示的渔船身份智能识别自助终端在石狮市祥芝镇等地渔港的渔船上安装并进行了测试与应用。

该终端实验及反馈情况良好，终端设备没有出现死机情况，存储器容量满足系统工作要求，通信距离较远，同时终端满足省电要求，由于海上气温变化与空气湿度较大，与电池在实验室测试环境存在差异，有个别渔船反应电池的寿命不够长的问题，需要做进一步的改进。

4 结论

基于对渔业管理机构及渔船生产作业的实际需求调研而制定的渔船身份智能识别自助终端技术方案，通过所开发的产品的应用验证，表明方案基本满足功能与稳定性设计要求。由于产品在海上使用环境复杂以及产品技术的发展，需要收取更多的反馈，并对方案做进一步的改进。

参考文献：

[1] 徐硕，王宇，王振洲.渔船身份识别系统在海洋渔船管理中的应用 [J].渔业现代化，2014，41（2）：63-66.

[2] 李晨阳.基于相位的无源超高频射频识别定位研究 [D].南京：东南大学，2017.

[3] 孙士明.超高频射频识别阅读器硬件电路的研究与设计 [D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2016.

[4] 袁也.基于超高频RFID的移动终端身份识别系统研究与实现 [D].西安：西安电子科技大学，2014.

[5] 赵树平，王化群，李建华，等.基于RFID技术的渔船身份识别系统设计 [J].微计算机信息，2010，26（17）：150-151+191.

[6] 孔令仲，唐鼎甲.RFID在电子标签中的应用 [J].信息化研究，2011，37（4）：61-65.

[7] 宋静宇.超高频RFID读卡器设计与研究 [J].硅谷，2010（24）：195.

[8] 于立波.芯片设计中的功耗估计与优化技术 [J].中国集成电路，2010，19（6）：37-43.