基于北斗的船用數(shù)字化設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)＊

席小洋，陳新恩，李聚保

（廣州航海學(xué)院，廣東 廣州 510725）

隨著海上絲綢之路的發(fā)展，海上貿(mào)易迎來前所未有的盛世。作為海洋大國(guó)，航運(yùn)業(yè)逐漸成為了推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和連接國(guó)際關(guān)系的重要行業(yè)之一。目前由于相關(guān)技術(shù)不成熟，船舶管理者無法實(shí)時(shí)獲取船舶動(dòng)態(tài)，船舶設(shè)備相關(guān)參數(shù)，尤其是在遠(yuǎn)洋船舶上，缺乏有效的通信手段，遇到危險(xiǎn)很難及時(shí)得到援助，造成的損失和安全問題就略顯突出。為了更好地管理船舶設(shè)備，做到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)監(jiān)控船舶設(shè)備動(dòng)態(tài)，及時(shí)與遠(yuǎn)洋船舶進(jìn)行通信交流，需要一個(gè)能夠?qū)崟r(shí)提供通信技術(shù)，對(duì)船舶設(shè)備能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)監(jiān)控的船舶設(shè)備監(jiān)測(cè)監(jiān)控平臺(tái)。

1 北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)作為中國(guó)自主研發(fā)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，可以24 h 全天候提供安全、穩(wěn)定、無盲區(qū)死角信息服務(wù)。可以作為一個(gè)長(zhǎng)久的信息交互平臺(tái)。在遠(yuǎn)洋航行過程中，是必不可少的。北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)擁有定位導(dǎo)航功能、精密授時(shí)功能、獨(dú)特的短報(bào)文通信功能。換言之，北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)具備定位和雙向通信功能，這樣岸基就可容易快捷獲取船舶相關(guān)信息。

相較之國(guó)際其他通信方式，北斗導(dǎo)航衛(wèi)星覆蓋范圍廣泛，而且由中國(guó)自主控制，避免了信息泄露等安全問題。對(duì)于促進(jìn)中國(guó)航運(yùn)發(fā)展、海上絲綢之路建設(shè)，具有重要意義。

2 基于北斗的設(shè)備監(jiān)測(cè)監(jiān)控平臺(tái)總體設(shè)計(jì)

船舶大型設(shè)備多，參數(shù)繁雜，人工監(jiān)測(cè)收集數(shù)據(jù)難度大，而且船舶管控中心想要獲取船舶動(dòng)態(tài)信息困難，危險(xiǎn)系數(shù)很高，容易造成很大損失。所以基于此，設(shè)計(jì)一套能夠24 h全天候船舶設(shè)備監(jiān)測(cè)監(jiān)控平臺(tái)，船舶管控中心能夠隨時(shí)隨地實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶動(dòng)態(tài)了解，對(duì)大型設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)有一定的了解，增強(qiáng)了對(duì)船舶的管理。

基于北斗的設(shè)備監(jiān)測(cè)監(jiān)控平臺(tái)整體設(shè)計(jì)如圖1所示。

基本流程說明如下：岸基通過北斗衛(wèi)星向船舶發(fā)送信號(hào)；船舶北斗傳輸終端接收到北斗衛(wèi)星的信號(hào)后傳輸信號(hào)給中央處理中心，發(fā)出查閱船舶設(shè)備信息；船舶中央處理中心從數(shù)據(jù)收集處理中心那里獲得數(shù)據(jù)后以短報(bào)文的形式打包傳輸給北斗衛(wèi)星；北斗衛(wèi)星再將短報(bào)文壓縮包轉(zhuǎn)發(fā)給岸基上；岸基將壓縮包打開分析數(shù)據(jù)，再通過北斗衛(wèi)星給出相關(guān)意見反饋給船舶。

圖1 整體設(shè)計(jì)圖

3 硬件設(shè)計(jì)

本文研究的基于北斗的設(shè)備監(jiān)測(cè)監(jiān)控平臺(tái)硬件設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件模塊結(jié)構(gòu)

根據(jù)功能需要進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)。核心為中央處理單元，其他相應(yīng)模塊和中央處理單元串口相連。

中央處理中心作為整個(gè)系統(tǒng)平臺(tái)控制中心協(xié)調(diào)各個(gè)硬件模塊工作并且處理數(shù)據(jù)。北斗傳輸模塊需要和北斗衛(wèi)星建立通信通道，接收岸上申請(qǐng)指令，并傳遞信息給中央處理單元；傳遞中央處理單元發(fā)送的符合格式要求的短報(bào)文信息給岸基。面部識(shí)別裝置對(duì)操作使用船舶設(shè)備人員進(jìn)行驗(yàn)證，識(shí)別身份。數(shù)據(jù)收集處理中心收集安裝在設(shè)備上的傳感器采集的數(shù)據(jù)，短暫存儲(chǔ)并發(fā)送給中央處理中心，接收中央處理單元申請(qǐng)指令。

作為中央處理中心，要求信息處理速度比較高、外圍設(shè)備要比較豐富并且功耗要比較低，單片機(jī)是最為理想的選擇。本項(xiàng)目將采用意法半導(dǎo)體集團(tuán)公司推出的STM32F101單片機(jī)，該單片機(jī)具有非常高的性能，實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理，低功耗和低電壓操作，有如下優(yōu)點(diǎn)：①低電壓。2.0～3.6 V供電，兼容5 V 的I/O 管腳。②一流的外設(shè)。1 μs 的雙12位ADC，4 兆位/秒的UART，18 兆位/秒的SPI，18 MHz的I/O 翻轉(zhuǎn)速度。③低功耗。在72 MHz 時(shí)消耗36 mA（所有外設(shè)處于工作狀態(tài)），待機(jī)時(shí)下降到2 μA；④工作溫度范圍。-40 ℃～+85 ℃或105 ℃。

4 軟件設(shè)計(jì)

本文研究的基于北斗的設(shè)備監(jiān)測(cè)監(jiān)控平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件模塊結(jié)構(gòu)

基于北斗的設(shè)備監(jiān)測(cè)監(jiān)控軟件平臺(tái)一共分為三大部分：①船舶設(shè)備數(shù)據(jù)管理。負(fù)責(zé)船舶需要監(jiān)測(cè)監(jiān)控設(shè)備信息存儲(chǔ)，管理人員基本信息和人臉數(shù)據(jù)。②船舶網(wǎng)絡(luò)通信管理。確保船舶與監(jiān)控中心之間的通信，傳輸內(nèi)容包括實(shí)時(shí)位置數(shù)據(jù)以及傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和機(jī)艙各地環(huán)境信息。③系統(tǒng)管理。登陸用戶可以注冊(cè)修改登錄信息，后臺(tái)運(yùn)營(yíng)人員可以管理系統(tǒng)平臺(tái)所有注冊(cè)用戶相關(guān)信息，并能設(shè)置臉部數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。

5 結(jié)束語

本論文研究的是基于北斗的設(shè)備監(jiān)測(cè)監(jiān)控平臺(tái)，通過使用北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)監(jiān)控船舶設(shè)備的目的。同時(shí)，目前北斗衛(wèi)星尚未覆蓋全球，所以北斗導(dǎo)航系統(tǒng)距離全球化應(yīng)用還有一些距離，需要更多的支持和努力。另外，在實(shí)際中，船舶監(jiān)測(cè)監(jiān)控設(shè)備很容易出現(xiàn)誤差，還需要考慮數(shù)據(jù)采集過程中的準(zhǔn)確性。