基于漁業船聯網的船載終端系統設計與實現

張玉濤，李國棟，湯濤林，尹項博，楊育紅

(1 中國水產科學研究院漁業機械儀器研究所，上海 200092；2 青島海洋科學與技術試點國家實驗室，山東 青島 266237)

漁業數據是促進中國漁業高質量發展的重要資源要素，以漁業船聯網為基礎的漁業大數據建設是漁業科技創新的新方向[1-2]。海洋漁船具有數量多、分布廣、持續作業時間長等特點，在海洋數據采集和漁業大數據建設方面具有巨大的潛在優勢和前景[3-4]。漁業船聯網以海洋漁船為基本網絡節點，結合現代網絡和通信技術，可實現船-船、船-岸之間的數據傳輸和信息融合[5-6]，不但能夠保障漁船作業安全、指導漁業生產，而且能夠提供水文、氣象、漁業資源分布等大量重要海洋數據，對海洋科學研究、海洋資源開發、海洋權益維護等都具有重要意義[7-8]。歐美等漁業發達國家在漁業船聯網的研究和應用方面走在世界前列，部分國家已經開始將漁業船聯網獲取的數據進行管理和應用，并構建起海洋數據平臺為相關行業提供服務[9-12]。我國現有漁船多以小噸位漁船為主，智能化程度較低，漁船配置的傳感器差異較大，多處于單機工作狀態，無法實現多源異構數據的集中處理，漁船不能作為數據節點參與漁業船聯網構建，從而無法建立完善的漁業數據庫，嚴重制約了中國海洋漁業大數據庫的建設和漁業現代化發展[13-17]。

本研究根據中國漁船裝備現狀和作業特點，設計并實現基于漁業船聯網的船載終端系統，通過高度集成的主機設計和數據融合、自適應通信等算法設計，實現漁船全海域的漁業數據采集、傳輸和組網，降低現有漁船智能化改造和組網成本，為漁業船聯網的應用和推廣以及漁業大數據平臺建設打下基礎。

1 系統總體設計

漁船作為漁業船聯網的基本節點和信息源，依靠船載儀器和設備完成數據的采集和處理，并利用通信和組網技術完成數據的交換[6,18]。結合漁業船聯網及漁船助航助漁功能需求，提出了漁業船聯網船載終端系統總體設計。作為漁船節點的數據中心和控制中心，船載終端系統主要包括系統主機硬件和系統主機軟件2部分。系統主機硬件主要為多源傳感器提供電氣接口，完成通信協議及電平轉換，并為系統軟件運行提供平臺，根據系統指令實現相應的電路控制、數據傳輸等功能。系統主機軟件主要完成傳感器的數據處理，在相應功能區進行數據調用和信息顯示，并根據控制策略實現指令收發、數據融合及遠程傳輸控制等功能。系統總體設計框圖如圖1所示。

圖1 船載終端系統總體設計框圖

2 系統硬件設計

2.1 系統主機設計

船載系統主機作為信息處理、控制指令收發、數據顯示的核心，主要由主處理器、AIS收發機、設備接口模塊、轉換控制模塊、電源模塊等部分組成。主機及內部結構如圖2所示，采用雙層嵌套式設計，內層結構用于主控機等相關設備和電路板的固定，各功能區域之間設計有散熱風道，可實現機箱的溫度快速調節。集成系統主機體積小，長寬高僅為502 mm、471 mm、232 mm，降低了對漁船主控室的空間要求。

圖2 主機結構及整體圖

2.2 設備選型及接口設計

系統主處理器選用UNO-2484G型工控機，采用Core i7處理器，支持多種操作系統，主頻可達6.4 GHz，采用8 GB的DDR4內存，同時配備了1TB硬盤存儲模塊，可滿足系統軟件的運行和數據存儲需求；AIS作為漁船常用的通導設備[20]，選用ONWA KS_200型AIS收發機來進行船舶識別和參與海上交管。

主機接口主要由RS485串口、網口以及天線專用接口3種類型組成。串口采用RS485通信接口進行傳感器的連接，其采用平衡驅動器和差分驅動接收，可減少傳輸過程中的共模干擾，保證強電磁環境下信號的有效傳輸，最大無線傳輸距離為1 200 m[21]，能夠滿足大部分漁船信號傳輸距離的要求。主機接口共支持8路串口設備、8路網口設備、4路通信天線的接入，同時可根據需求進行接口的拓展，可滿足多種類型傳感器及通信設備的接入。

3 數據處理與傳輸

3.1 系統數據處理流程

船載集成系統的核心在于傳感器數據的有效采集和處理，即利用主機的中央處理器(CPU)對不同類型傳感器的數據進行自動解析、分析處理，從而完成信息的集中最優化處理。針對漁業船聯網多源傳感器產生的大量異構數據，系統數據處理過程如圖3所示。系統通過主機接口采集傳感器數據，首先通過信號轉換電路完成電平轉換，然后CPU判斷數據來源完成數據解析，根據節點描述表篩除不完整數據，并剔除數據包中的包頭、校驗位等字節，提取出有效數據；系統根據傳感器之間的相關性進行數據分組，根據設置的采樣周期完成各組中傳感器數據的計算，使得數據采樣率與系統設置采樣率一致；然后系統根據數據描述表完成數據的結構化處理，通過數據融合生成融合數據集；最后通過數據總線將融合數據集發送至相應設備，完成數據的存儲、顯示和遠程傳輸。

圖3 傳感器數據處理示意圖

3.2 多源傳感器數據融合

作為船載系統的重要功能，漁船作業區域的環境及作業等特征數據由船載傳感器網絡監測獲得，特征數據包含了文本、圖像、數字信號等多源異構數據類型，各特征數據采集速率和實時性要求也各不相同。多源傳感器異構數據融合主要過程是對測量數據進行預處理以解決數據的重復、冗余等問題，通過數據級的融合，降低數據量，提高強相關數據的有效性。多源異構數據融合結構如圖4所示，根據數據來源進行相關性判定，將傳感器數據進行協議解析，剔除數據包頭等冗余數據并進行類型轉換，完成數據的清洗。

圖4 多元數據融合結構框圖

系統通過CUP設定統一的采樣周期來解決多源傳感器采樣率不一致問題，假設設定的采樣周期為T，若傳感器n的數據采集頻率為fN，則傳感器n上傳的數據為：

(1)

系統采用數據級融合方法[22-23]，經過處理之后的數據，通過識別數據庫表頭的方式，進行強相關性多維數據組合，形成融合數據集。系統根據多源傳感器之間的相關性會生成多個融合數據集，多個融合數據集之間以時間和船位信息為統一識別基準，共同構建起采樣點的全面特征數據。

3.3 自適應通信切換

漁船作業海域范圍廣，近海作業漁船還會頻繁往來于漁港與作業區之間，漁船所處位置不同，網絡信號的覆蓋情況也不同，因此需要采用不同的方式來實現船-岸之間的遠程通信。系統采用自適應通信切換策略，以實現4G通信優先，衛星通信全覆蓋的目的。自適應通信切換工作控制流程如圖5所示。

圖5 自適應通信切換流程圖

主機根據設定的時間周期T1，通過“PING”命令測試4G信號鏈路質量，當4G鏈路信號質量較好時，采用4G網絡進行數據的遠程傳輸；如果4G網絡鏈路不連通，則通過多路選擇器自動切換至衛星通信鏈路，完成數據的傳輸。在衛星通信狀態下，主機根據設定的時間周期T2進行4G信號的鏈路測試，如果4G信號鏈路質量較好，則自動切換至4G通信鏈路。在此過程中，系統會調用位置數據來初步判斷漁船所處區域的網絡覆蓋情況，通過動態調整T1和T2的時間長度來實現數據的穩定傳輸。

4 系統軟件功能實現

4.1 系統軟件架構設計

船載終端作為漁船的數據中心，系統軟件主要實現傳感器數據的處理、信息的本地顯示、數據協議實現與傳輸等功能。本系統基于.NET Framework開發環境，通過Chromium內核框架進行系統開發。Chromium內核框架具有開源、穩定性高、流暢性好等優點，利用Chromium擴展庫，結合HTML、CCS、JavaScript可實現界面框架和各模塊控件的快速開發[24]。

系統軟件架構如圖6所示，傳感器系統通過網口和串口將數據連接至主機電氣接口；通過調用.NET Framework類庫中的API函數實現數據的解析和處理，并將數據傳輸至Chromium內核的數據更新緩存區；內核讀取緩存區的數據，并根據數據來源和執行動作，完成數據的處理，并通過系統圖形接口完成信息顯示。

圖6 系統軟件架構

4.2 系統軟件功能實現

4.2.1 信息顯示模塊

信息顯示模塊是人機交互的主要部分，根據信息的重要程度與查看頻次采用多級界面顯示方式，可以使得各傳感器數據更加清晰和直觀，系統主界面如圖7所示。主界面以衛星圖為基礎，完成漁船基本信息、航行信息、周圍漁船等基本信息的顯示；二級界面以彈出窗口的形式實時顯示傳感器數據，如探魚儀信息、視頻監控、氣象數據等；三級界面主要實現歷史數據查詢，可根據月、天、周切換進行歷史數據變化趨勢分析。系統通過.NET中的API接口調用系統設置、AIS等數據，完成衛星圖層中基本信息的添加，顯示界面主框架采用Chromium內核類庫搭建，通過調用類庫中函數完成各級窗口的創建和控件動作屬性的設置。

圖7 系統主界面

4.2.2 數據獲取與調用

主機通過串口或網口接收到傳感器數據后，首先根據數據來源完成協議解析及融合處理，并根據異構數據的相關性進行分組，通過調用.NET函數將數據上傳至內核緩存區。內核根據不同數據類型采取相應的處理策略，攝像頭和探魚儀等視頻數據直接進行調用，并在單獨窗口顯示；環境、漁船動力等文本數據則根據分組，分別提取數據要素，根據屬性設置完成傳感器數據的分組顯示。當查看歷史數據時，系統根據相應區域的動作屬性，將存儲的數據調入數據緩存區并根據時間順序進行顯示。

4.2.3 數據存儲與傳輸

對于獲取的傳感器數據，系統同時進行原始數據和處理后融合數據集的本地存儲。船載系統采用輕量級的MQTT通信協議進行數據遠程傳輸，在通訊過程中，船載集成系統定義為發布者(Publish)，岸基數據中心定義為訂閱者(Subscribe)；傳輸的消息隊列分為主題(Topic)和負載(payload)兩部分，在融合數據集的傳輸中，每條數據添加關鍵字作為主題，各傳感器融合后的數據作為消息隊列的負載。作為一種低開銷、低帶寬的即時通信協議，MQTT協議在帶寬受限的漁業船聯網應用場景中具有較好的傳輸性能，可有效降低信息傳輸成本[25]。

5 系統部署及試驗

5.1 船載系統部署設計

5.1.1 船載試驗整體部署

船載系統基于中國某型遠洋漁業船舶進行部署實驗，船長66.66 m，船寬12.4 m，續航力為8 000 n mile，可滿足系統在不同應用場景下的組網測試。為充分驗證系統對漁業船聯網常用傳感器的集成處理能力，根據漁船特點主要部署了3類傳感器：漁船助航傳感器、漁船環境監測傳感器、助漁儀器。同時，部署了4種不同的通信設備，可完成不同規模的組網功能。終端系統主機放置于駕駛室之內，船載系統整體部署如圖8所示。

圖8 船載系統部署圖

5.1.2 傳感器選型

完善的船載傳感器節點是實現漁業船聯網多樣化應用的基礎，根據漁業船聯網漁船節點數據需求，進行了傳感器的選型，如表1所示。所選傳感器可完成環境、助航、助漁等多種特征數據的采集，數據包括視頻、文本等多種類型，可充分驗證終端系統的數據集中處理能力。

表1 傳感器選型

5.1.3 船載通信設計

在漁業船聯網應用場景中，實時通信需求多為小數據量、高穩定性的場景[6,26]。針對漁船不同的作業場景的通信需求，結合漁船通信設備的情況，共部署了4類漁船終端通信方式[27-30]，如表2所示，可支持驗證船載終端系統自適應通信切換控制的有效性測試。

表2 船載系統通信方式

5.2 結果與分析

5.2.1 試驗結果

測試航行海域主要為中國南海海域，測試連續進行30余天。終端系統通過對傳感器網絡節點的集中采集和處理，完成數據的清洗和壓縮融合，共生成5類融合數據集，包括環境數據集、水質數據集、船舶系統數據集、助航數據集、助漁數據集，采集的原始數據達206余萬條。通過數據清洗及融合處理后，數據量壓縮至46萬余條，僅占原數據量的22%，在保留有效數據的前提下，大大降低了數據的傳輸量。以環境特征融合數據集為例，表3為部分數據，融合了從AIS獲得的船舶識別號、從北斗獲取的位置信息、系統時間、傳感器數據等強相關信息，全面直觀地體現了采樣點的各項特征數據。

表3 環境特征融合數據集

岸基數據中心監測如圖9所示。

圖9 岸基數據中心監測圖

可以看出整個航程中數據中心均連續獲得了船載集成系統的遠程實時數據。測試航行范圍覆蓋了近海和遠海海域，系統根據不同海域的信號覆蓋情況，通過自適應切換方式分別通過4G和衛星通信方式，將融合數據集實時遠程傳輸至漁業船聯網岸基數據中心。船聯網岸基數據中心通過對各類融合數據集的解析，實現了對測試船舶的實時動態監測。

5.2.2 分析討論

經實際航行測試，基于漁業船聯網的船載集成系統不僅能夠完成多源傳感器異構數據的采集與實時顯示，還通過數據清洗和融合設計生成融合數據集，實現對原始數據的壓縮，壓縮率可達78%，大大提高了傳輸效率。利用自適應通信切換，綜合利用不同通信方式優點，實現了近海和遠海不同信號覆蓋海域的不間斷實時通信，實現了數據中心對漁船全航程數據的實時遠程監測。試驗表明，船載集成系統性能穩定、功能完備，可滿足漁業船聯網不同應用場景的需求。但本系統還存在不足之處，如攝像頭和探魚儀等視頻數據量多，占用通信帶寬大等，后續系統將通過圖像識別算法進行關鍵信息提取的方法解決上述問題。

6 結論

針對中國海洋漁船現狀，為實現漁船的智能化升級改造，構建漁業船聯網，設計了一套基于漁業船聯網的船載終端系統。系統包括硬件主機和系統軟件2部分，硬件主機體積小、性能高，集成了多種類型的電氣接口，可滿足多源傳感器的集中接入和處理，實現了信息的本地集中處理和顯示。系統軟件通過多級界面設計，實現了傳感器數據的實時顯示和歷史查詢。通過數據級融合算法生成融合數據集，實現了數據的高效壓縮和傳輸，并通過自適應通信切換控制，在降低傳輸成本的同時實現了全海域的實時傳輸。通過部署測試，完成了航行海域多源傳感器異構數據的采集和處理，并通過不同的組網方式實現了數據的實時遠程傳輸。本研究設計的漁業船聯網船載終端系統集成度高、穩定性好、功能全面，可為我國漁船智能化改造和漁業船聯網建設提供支撐。

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