城市智慧港口安全預警監測系統設計

牛 帥，吳有龍，許 彬，朱子軒，龐啟明，方詠綺

（1.金陵科技學院 電子信息工程學院，江蘇 南京 211169；2.金陵科技學院 智能科學與控制工程學院，江蘇 南京 211169）

0 引 言

港口是全球綜合運輸網絡的節點，在我國國民經濟發展中處于樞紐地位，因此港口的安全至關重要。但由于港口的特殊性，氣象災害如大風、大霧等天氣對海上船只的運營以及港口的建設都會產生巨大的影響，特別是海洋氣象災害容易對航運、沿海基礎設施等造成巨大的經濟損失。而智慧城市的提出能夠為港口的安全監測提供新的思路。

許多學者開始研究如何讓現代港口加入到智慧城市的發展浪潮中，進一步發展智慧港口系統。王景敏[1]在物聯網技術的基礎上提出了一種集成化港口供應鏈協同管理模式，提高了港口的供應鏈集成度；袁飚等人[2]結合污染原因，設計了一套粉塵在線監測系統；文獻[3-4]提出了港口空氣質量監測和警報領域部署架構的解決方案；Tchao等[5]研究的MIMO技術在4G通信中的應用為本文的通信模塊設計提供了思路；王健華等人[6]研究了不同能見度下的港口交通風險，為不同能見度的航行風險預測提供理論依據；文獻[7-9]研究了港口區域的空氣質量情況以及污染來源，為港口環境治理提供參考。但綜合分析，這些設計依舊存在著成本過高、測量不夠準確和不全面等局限性。

為了解決以上問題，本文設計了一款基于北斗的城市智慧港口安全預警監測系統。系統硬件部分以STM32單片機為核心，大大降低了研發成本；同時加入多種傳感器，全方位檢測港口信息，保障了港口的安全，減少經濟損失。

1 系統設計

城市智慧港口安全預警監測系統采用硬件、軟件相結合的方式設計，硬件部分由STM32物聯網開發板、風速風向傳感器、雷電傳感器、水滴傳感器、pH值傳感器、濁度傳感器和激光測距模塊組成；利用多傳感器信息融合技術，實現智慧港口安全信息的全面感知和可靠傳輸。系統流程如圖1所示。軟件部分為智慧港口安全管理平臺。港口管理員可通過平臺網頁實時查看港口周邊信息，并及時做出異常報警，最大程度上降低港口的經濟損失。

圖1 城市智慧港口安全預警監測系統

城市智慧港口安全預警監測系統主要對港口內部的環境、路面以及水文進行實時監測，并將數據上傳至管理平臺。若有異常情況發生，則會及時通告相關管理人員開展應對措施，進而滿足智慧城市系統對城市港口整體狀況的統一管控和安全監測的需求。

2 功能子系統設計

監測系統由控制與通信、數據感知、數據處理和應用平臺四部分子系統組成，其硬件實物如圖2所示。

圖2 硬件實物連接圖

2.1 控制與通信子系統

2.1.1 北斗定位模塊

為了實現港口安全預警監測設備的統一管控，加入了北斗定位功能。板載EC20模塊支持北斗/GPS衛星定位，內置的GNSS接收器能快速準確地獲取定位信息，將模塊連接有源北斗天線，通過串口發送“AT+QGPS=1”AT指令即可接收衛星定位數據并通過NEMA端口輸出。

2.1.2 STM32F407控制核心

硬件核心控制模塊采用基于ARM Cortex-M4內核的STM32F407芯片，其最高主頻可達168 MHz，帶有一個浮點運算單元（FPU），同時支持CAN、FSMC、I2C、AD/DA等豐富外設接口，可以用來外接各種模塊和開發板進行通信。

物聯網開發板除主控外，接口豐富，還集成了SWD下載、USART、電源等電路，易于開發和驗證，硬件圖如圖3所示。

圖3 STM32物聯網開發板

2.1.3 4G通信模塊

為了實現實時記錄港口內的各項數據，使用4G網絡進行數據的上報。4G通信技術具有較強的抗干擾性和信號覆蓋能力，可以實現快速傳輸音頻、視頻等。EC20模塊在獲取定位信息的同時支持最大上行50 Mb/s和下行100 Mb/s的4G通信，通信質量較好，符合本設計的要求。EC20模塊通信如圖4所示。

圖4 EC20通信模塊

2.2 數據感知子系統

智慧港口安全預警監測系統的數據感知子系統由環境數據采集、路面情況預測、水文數據感知三大模塊組成，涵蓋了風速風向傳感器、溫濕度傳感器、紅外傳感器、pH值檢測器、雷電傳感器和降水預警裝置等多傳感器數據融合，為整體平臺提供了環境的安全以及路面、水文狀況等多方面的數據。

2.2.1 環境數據采集

（1）風速風向監測

三杯式風速儀和風向傳感器用于采集港口風速風向信息，通過STM32的ADC接口獲取傳感器信號端的電壓值，計算可得風速風向信息。

（2）溫濕度監測

通過使用DHT11溫濕度傳感器，可采集港口周邊的溫濕度情況。傳感器參數見表1所列。

表1 DHT11傳感器參數

（3）能見度監測

能見度受限的港口交通平均事故率是能見度不良與良好情況下的2.5～3倍，使用EC20 4G模塊連接心知天氣服務器，調用天氣實況API即可獲取當地能見度信息。

（4）雷電監測

雷電監測采用AS3935雷電傳感器。AS3935能夠準確監測閃電的出現時間和位置，估算風暴距離，量程為1～40 km。

（5）降水監測

監測港口區域的降水情況使用雨水感應模塊，模塊表面使用鎳涂成線形，在空氣中不易被氧化生銹。當雨滴滴落聚集在電路板上時，輸出電壓發生變化，當電壓處在不同范圍時，可判定雨量大小。

2.2.2 路面狀況監測

港口地區由于裝運貨需求量大，車輛行人眾多，出現道路結冰時，車輪與路面之間的摩擦力大幅減弱，容易打滑，造成交通事故。因此路面狀況監測對于防止港口交通事故造成經濟損失和人身危害有十分重要的意義。

根據中國氣象局發布的《道路結冰預警信號》標準[10]，道路結冰預警級別受地表溫度、降水情況以及時間的影響，其關系見表2所列。

表2 道路結冰預警等級

經測試，采用溫度傳感器結合降雨檢測模塊實現道路結冰預警監測，符合系統設計要求。

2.2.3 水文狀況監測

（1）水質檢測

水的渾濁度是指水中含有的泥沙、黏土、有機物、浮游生物等物質造成的渾濁程度。根據光學原理，采用TSW-30濁度傳感器，通過溶液中的透光率和散射率來綜合判斷濁度情況。TSW-30模塊具有模擬量和數字量輸出接口，測量精度高，性能穩定。

（2）pH酸堿度檢測

pH值是重要的水文特征。使用pH傳感器采集港口水域的酸堿度情況，擴展有DS18B20溫度傳感器接口，易于進行軟件溫度補償，減小溫度變化的影響。在25 ℃的環境下，模塊測量精度高達±0.01。

（3）水位測量

港口水域標準水位為2～10 m，水位異常則會導致船舶擱淺等事故。采用WT53R激光測距模塊測量港口水位，具備防水功能，工作穩定。使用時根據危險水位設置報警閾值，當測量距離異常時觸發報警。與MCU進行串口通信，易于開發。

2.3 數據處理子系統

作為銜接感知層和網絡應用平臺的物理環節，數據處理子系統需要實現對采集到的數據進行整合、多組數據分析識別、事件流程協調管理、獨立設備數據存儲、完備數據實時通信等功能，決定了系統的實時性和有效性，是“城市智慧港口安全檢測系統”的核心部分。例如依據海水水質標準的pH值規定[11]，項目采用的pH傳感器ADC采樣值與pH值之間的關系如下：

5 V ADC采集系統：

y=-5.754 1x+16.654

3.3 V ADC采集系統：

y=-5.888 7x+21.677

式中：x表示電壓值；y表示港口水域的pH值。

2.4 應用平臺子系統

應用平臺子系統使用Java、Spring、SpringMVC、MyBatis等多個技術棧搭建了后臺管理系統，實現了對于終端所傳回數據的基本處理邏輯；結合前端框架Vue，通過管理頁面展示處理后的信息。應用平臺如圖5所示。

圖5 應用平臺首頁

2.4.1 安全監測數據顯示

圖6顯示了后臺管理頁面中的環境監測數據，將由溫濕度傳感器、慣性傳感器、風速風向傳感器等多個終端設備測得并傳回的參數數據在管理頁面端進行相應的顯示；根據系統內部邏輯判斷是否異常并進行不同顏色的標記，方便工作人員更快地排查隱患，提高效率。

圖6 環境檢測數據

2.4.2 數據大屏顯示

數據大屏如圖7所示，可以將終端設備傳回的水質pH值、水位高度、位置信息、預警等級等在大屏上進行動態化展示，工作人員可以通過該大屏實時監測到港口各個方面的情況變化并對異常情況及時進行處理，有效提高了港口管理的智慧化水平。

圖7 數據大屏顯示

3 結 語

針對港口的復雜情況，設計了一款基于北斗的智慧港口安全預警檢測系統，涵蓋了城市港口周邊的環境信息、道路結冰和水文檢測功能，檢測數據全面，并配備異常數據報警反饋機制，能夠及時排查安全隱患，預防和減少事故發生，有效實現港口的自動化、信息化和智能化。