苑曉龍，邱占芝

(大連交通大學(xué) 軟件學(xué)院，遼寧 大連 116028)*

物聯(lián)網(wǎng)系泊船舶運(yùn)動監(jiān)測系統(tǒng)方案設(shè)計

苑曉龍，邱占芝

(大連交通大學(xué) 軟件學(xué)院，遼寧 大連 116028)*

研究了港口碼頭系泊船舶運(yùn)動監(jiān)測系統(tǒng)的方案設(shè)計問題，提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的系泊船舶運(yùn)動監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計的方案，闡述了系統(tǒng)構(gòu)成和監(jiān)測軟件的設(shè)計思想.數(shù)據(jù)感知層采用射頻識別和傳感器兩大核心技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，網(wǎng)絡(luò)層采用無線局域網(wǎng)技術(shù)傳輸監(jiān)測數(shù)據(jù)和控制命令，應(yīng)用層采用串口通信技術(shù)接收和發(fā)送數(shù)據(jù).模型試驗表明了系統(tǒng)方案和采用技術(shù)的有效性和可行性.

船舶運(yùn)動監(jiān)測;方案設(shè)計;物聯(lián)網(wǎng);數(shù)據(jù)傳輸;串口通信

0 引言

隨著世界海運(yùn)市場競爭日益激烈，提高效率成為當(dāng)務(wù)之急.由于海浪、海流、風(fēng)力等海洋環(huán)境要素的不斷變化，導(dǎo)致系泊船舶靠泊時極易產(chǎn)生橫移、縱移、升沉三個方向上的位移與橫搖、縱搖、艏搖三個方向上的轉(zhuǎn)動，過大的位移和搖轉(zhuǎn)會延長船舶在港內(nèi)系泊時間，增加相應(yīng)的費(fèi)用;甚至使得靠泊作業(yè)難以進(jìn)行，更嚴(yán)重的情況是船舶與碼頭或碼頭裝卸設(shè)備發(fā)生碰撞而造成經(jīng)濟(jì)損失.因此，研究和開發(fā)系泊船舶運(yùn)動監(jiān)測系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實意義和推廣價值.

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的提出，為船舶運(yùn)動監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)提供了可靠的技術(shù)基礎(chǔ).物聯(lián)網(wǎng)分為三層:感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層［1］.感知層主要是識別物體，采集信息;網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)傳遞和處理感知層獲取的信息;應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)和用戶的接口，它與行業(yè)需求相結(jié)合，從而實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的智能應(yīng)用.

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)需求與目標(biāo)

系統(tǒng)采用射頻識別、傳感器與串口通信技術(shù)，實現(xiàn)監(jiān)測船舶運(yùn)動和海洋環(huán)境信息，并依據(jù)監(jiān)測信息發(fā)出對應(yīng)的控制指令.系統(tǒng)實現(xiàn)相關(guān)信息的管理，方便工作人員查詢和分析信息.該系統(tǒng)有系統(tǒng)維護(hù)模塊、船舶距離模塊、船舶運(yùn)動信息模塊、船舶運(yùn)動視頻監(jiān)測模塊、海洋環(huán)境信息模塊以及報警信息模塊六大項功能(如圖1所示).

系統(tǒng)接收海洋環(huán)境信息、碼頭船舶距離和船舶六個自由度的運(yùn)動數(shù)據(jù)后實時顯示在大屏幕上，即實現(xiàn)對船舶運(yùn)動和海洋環(huán)境數(shù)據(jù)的動態(tài)實時監(jiān)測，同時將這些監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中.從而使得PDA監(jiān)測終端可以通過無線局域網(wǎng)絡(luò)接口接收到數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù).

當(dāng)船舶的位移超出正常范圍或船舶與碼頭距離過近時，系統(tǒng)發(fā)出聲光報警，將報警信息記錄在數(shù)據(jù)庫中.同時根據(jù)報警信息內(nèi)容自動解析產(chǎn)生控制指令，將報警信號和控制指令通過無線局域網(wǎng)絡(luò)傳輸至每個與系統(tǒng)連接的手持PDA設(shè)備中.現(xiàn)場操作人員遵照指令調(diào)節(jié)纜繩的長度，情況嚴(yán)重時甚至自動脫纜，船舶逃逸.

船舶運(yùn)動監(jiān)測采用多角度視頻監(jiān)測方式，視頻信號通過無線局域網(wǎng)絡(luò)傳輸至系統(tǒng)中，采用國際電聯(lián)的H.261編碼的方式對視頻進(jìn)行編碼，采用磁盤存儲陣列方式存儲視頻信息，同時將視頻信息顯示在大屏幕上.為節(jié)省磁盤空間，監(jiān)測視頻在系統(tǒng)中存儲一段時間后自動壓縮備份存儲.多角度視頻監(jiān)測可以更加清晰、直觀的顯示出船舶的位置變化.

增加歷史數(shù)據(jù)查詢功能，工作人員查詢某時間段內(nèi)碼頭系泊船舶的監(jiān)測數(shù)據(jù)或者海洋環(huán)境數(shù)據(jù)，系統(tǒng)不僅將查詢出的數(shù)據(jù)用曲線圖或者柱狀圖直觀的顯示出來，也可以將這些數(shù)據(jù)導(dǎo)出至Excel表格或者直接打印，供工作人員對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析.系統(tǒng)自動定時地對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行備份，防止數(shù)據(jù)丟失，確保監(jiān)測數(shù)據(jù)的安全.

圖1 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

1.2 系統(tǒng)方案與設(shè)計

系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成圖(如圖2所示)是船舶在碼頭系泊過程中，船舶運(yùn)動(橫移、縱移、升沉、橫搖、縱搖、艏搖)以及船舶與碼頭之間距離等船舶數(shù)據(jù)，水深、海浪、風(fēng)速風(fēng)向和流速流向等海洋環(huán)境數(shù)據(jù)由位于碼頭上不同種類的傳感器感知并由數(shù)據(jù)采集器采集之后通過無線局域網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)測系統(tǒng)中.由監(jiān)測系統(tǒng)軟件端完成各項數(shù)據(jù)的處理、記錄和顯示.這些數(shù)據(jù)信息的接收、顯示和存儲等操作組成了物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用層，實現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)的智能應(yīng)用.

從系統(tǒng)的頂層數(shù)據(jù)流圖(如圖3所示)可以看出，船舶運(yùn)動與海洋環(huán)境信息由傳感器感知后和監(jiān)測視頻信息一起傳輸至系統(tǒng)中，系統(tǒng)實時顯示這些信息.工作人員輸入自身信息，系統(tǒng)通過用戶信息和用戶權(quán)限的驗證賦予其相應(yīng)訪問權(quán)限，從而查看實時監(jiān)測信息.對于通過系統(tǒng)驗證擁有查詢歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)權(quán)限的用戶，系統(tǒng)處理查詢請求之后從數(shù)據(jù)庫取出滿足條件的歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)，并在相應(yīng)界面中以圖形直觀顯示供工作人員查看和分析.

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成圖

圖3 頂層數(shù)據(jù)流圖

2 系統(tǒng)的主要技術(shù)

碼頭系泊船舶運(yùn)動監(jiān)測系統(tǒng)是在射頻識別和傳感器兩大物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)的支撐下而實現(xiàn)的.同時，激光和無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，把這些技術(shù)應(yīng)用在碼頭系泊船舶運(yùn)動監(jiān)測系統(tǒng)上，使其更加可靠、準(zhǔn)確、方便、直觀的監(jiān)測各種所需數(shù)據(jù)，提高系泊船舶安全性.

2.1 射頻識別(RFID)和傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

系統(tǒng)賦予每艘船舶一個獨(dú)一無二的EPC(電子產(chǎn)品代碼，Electronic Product Code)代碼，船舶所對應(yīng)的船舶長度、寬度、高度、噸位、吃水等物理屬性以及名稱、船型、國籍等信息存儲在互聯(lián)網(wǎng)上EPCIS(EPC Information Service)服務(wù)器中.船舶到達(dá)碼頭后即可根據(jù)它的EPC標(biāo)簽從互聯(lián)網(wǎng)上的EPCIS服務(wù)器中查詢此船舶的屬性信息，從而選擇最優(yōu)的泊位使得船舶靠泊.

射頻識別RFID(Radio Frequency Identification)是一種非接觸式的智能自動識別技術(shù)，通過無線射頻方式進(jìn)行非接觸雙向數(shù)據(jù)通信，識別目標(biāo)并獲取相關(guān)的數(shù)據(jù).射頻識別技術(shù)具有同時識別多個標(biāo)簽、識別精度高、抗干擾能力強(qiáng)、識別速度快等優(yōu)勢.無源RFID產(chǎn)品主要工作頻率有低頻(125 ～134.2 kHz)、高頻(13.56 MHz)、超高頻(915 MHz);有源RFID產(chǎn)品具有遠(yuǎn)距離自動識別的特性，主要工作頻率有超高頻915 MHz、微波2.45 GHz;半有源RFID產(chǎn)品，結(jié)合有源RFID和無源RFID產(chǎn)品的優(yōu)勢，在低頻125 kHz頻率的觸發(fā)下，讓微波2.45 GHz發(fā)揮優(yōu)勢，識別距離可達(dá)幾百米.根據(jù)碼頭泊位與船舶之間的距離，系統(tǒng)選用半有源RFID產(chǎn)品來識別船舶上的EPC標(biāo)簽.

該系統(tǒng)涉及到的傳感器可分為兩類，一類稱為海洋環(huán)境傳感器:測量水深傳感器、波浪傳感器、風(fēng)速風(fēng)向傳感器、流速流向傳感器;另一類稱為船舶運(yùn)動傳感器:激光測距傳感器、傾角傳感器.這些傳感器的數(shù)據(jù)輸出端口為RS232、RS485、RS422等串口.傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量部署在監(jiān)測區(qū)域的傳感器節(jié)點(diǎn)感知周圍環(huán)境信息，并以子組網(wǎng)多跳的形式進(jìn)行通信的一種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng).該監(jiān)測系統(tǒng)使用射頻識別技術(shù)(RFID)感知船舶信息，傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)感知海洋環(huán)境要素和船舶運(yùn)動變化的數(shù)據(jù)，從而組成了物聯(lián)網(wǎng)的感知層.

2.2 數(shù)據(jù)采集和傳輸

本系統(tǒng)涉及的傳感器種類較多，因此采用接口分離設(shè)計，使監(jiān)測節(jié)點(diǎn)具有多種傳感器接口.系統(tǒng)采用的數(shù)據(jù)采集器可將多通道傳感器信號無縫的過渡到各類以太網(wǎng)中，而且采用標(biāo)準(zhǔn)MODBUS RTU協(xié)議，服務(wù)器端可以通過任何支持該協(xié)議的軟件與遠(yuǎn)端的任意節(jié)點(diǎn)的現(xiàn)場傳感器信號進(jìn)行數(shù)據(jù)交流.同時數(shù)據(jù)采集器還具有2個擴(kuò)展智能串口，可以方便的配接擴(kuò)展智能串口設(shè)備，實現(xiàn)監(jiān)測系統(tǒng)與遠(yuǎn)端設(shè)備的數(shù)據(jù)交互，可方便接入或更換各種傳感器，便于系統(tǒng)移植和升級.

信號的輸入采用RS232、RS485、RS422等串口，信號的輸出可以選用串口通信、有線以太網(wǎng)、無線局域網(wǎng)絡(luò)，也可以采用GPRS或CDMA網(wǎng)絡(luò)連接的方式將信號傳輸?shù)较到y(tǒng)中.本系統(tǒng)采用無線局域網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)杰浖到y(tǒng)，然后系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)，顯示、存儲數(shù)據(jù)等操作.

無線局域網(wǎng)相對于有線網(wǎng)絡(luò)具有靈活性和移動性、安裝便捷、易于進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和調(diào)整、故障定位容易、易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn).由于碼頭泊位布線較為復(fù)雜、手持設(shè)備PDA的移動性等特點(diǎn)，而且泊位與主控制室的距離在無線局域網(wǎng)絡(luò)的距離范圍之內(nèi)，雖然它的數(shù)據(jù)傳輸較慢，但也足以滿足本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信量.無線局域網(wǎng)絡(luò)相比于GPRS或CDMA網(wǎng)絡(luò)可以節(jié)省一部分開支.數(shù)據(jù)采集器和無線局域網(wǎng)絡(luò)在本系統(tǒng)中充當(dāng)了網(wǎng)絡(luò)層的角色，將感知層感知到的數(shù)據(jù)傳送至監(jiān)測系統(tǒng)中進(jìn)一步的處理.

2.3 數(shù)據(jù)接收和處理

數(shù)據(jù)采集器與監(jiān)測系統(tǒng)通過無線局域網(wǎng)進(jìn)行通信，需要使用數(shù)據(jù)采集器提供的網(wǎng)由－配置工具配置監(jiān)測系統(tǒng)所在計算機(jī)的IP地址和數(shù)據(jù)交互接口.監(jiān)測系統(tǒng)根據(jù)實際傳感器的信息添加對應(yīng)的虛擬串口.監(jiān)測系統(tǒng)可以通過虛擬數(shù)據(jù)采集串口與每個傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)“透傳”.每個傳感器的真實串口都對應(yīng)一個虛擬的串口，監(jiān)測系統(tǒng)通過Win32 API提供的相關(guān)串口通信函數(shù)即可實現(xiàn)與各傳感器的數(shù)據(jù)輸出串口進(jìn)行通信.不同的虛擬串口自動傳輸數(shù)據(jù)的周期是不同的，因此將串口通信函數(shù)封裝在一個實現(xiàn)了多線程接口的類中，對每一個串口啟動一個單獨(dú)的線程來并行接收數(shù)據(jù)，保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)的實時性.

系統(tǒng)采用SQLServer2005數(shù)據(jù)庫存儲實時監(jiān)測獲得的海洋環(huán)境要素信息和船舶運(yùn)動六個自由度的運(yùn)動等數(shù)據(jù)信息.由于實時監(jiān)測的需要，系統(tǒng)會存儲大量數(shù)據(jù).因此不僅要建立基本的數(shù)據(jù)表，還要利用索引和主、外鍵關(guān)聯(lián)等優(yōu)化數(shù)據(jù)查詢速度.系統(tǒng)使用了數(shù)據(jù)分區(qū)技術(shù)，數(shù)據(jù)分區(qū)是把大量的數(shù)據(jù)用接近平均分配的方法存儲到一組數(shù)據(jù)分區(qū)里，而且保證每個分區(qū)的數(shù)據(jù)都可以加載到系統(tǒng)中.在SQLServer2005中通過使用表與索引建立的分區(qū)，可以降低在使用分區(qū)視圖管理數(shù)據(jù)庫時的復(fù)雜性.SQLServer2005提供了使用數(shù)據(jù)行作為最小的分區(qū)單位的水平范圍分區(qū)功能，提高了數(shù)據(jù)查詢的速度以及管理效率.

3 原形系統(tǒng)模擬

原形系統(tǒng)主界面實現(xiàn)了系泊船舶運(yùn)動視頻監(jiān)控、運(yùn)動信息和海洋環(huán)境信息動態(tài)實時顯示(如圖4所示).界面最上方顯示根據(jù)船舶EPC標(biāo)簽讀取到的船舶相關(guān)信息和船舶與碼頭之間的距離;主界面顯示船舶三個不同視角的實時視頻信息(本次模擬試驗僅顯示一個視角)，下方實時顯示船舶六個自由度的運(yùn)動數(shù)據(jù);左方顯示風(fēng)、浪、流等海洋環(huán)境信息.當(dāng)船舶運(yùn)動過大出現(xiàn)安全隱患時，報警燈發(fā)出聲光報警，提醒現(xiàn)場人員采取相關(guān)措施保證系泊船舶的安全，避免造成較大的經(jīng)濟(jì)損失.(系統(tǒng)的運(yùn)動數(shù)據(jù)都采用模擬數(shù)據(jù).)

圖4 系統(tǒng)主界面圖

4 結(jié)論

本文主要介紹基于物聯(lián)網(wǎng)的射頻識別和傳感器兩大核心技術(shù)的碼頭系泊船舶運(yùn)動監(jiān)測系統(tǒng)，提供了不同種類的傳感器感知時刻變化的海洋環(huán)境和船舶運(yùn)動信息，并將感知到的數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)測系統(tǒng)中，實現(xiàn)對其數(shù)據(jù)變化的動態(tài)實時監(jiān)測.采用無線局域網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，省去了復(fù)雜的碼頭泊位布線.該系統(tǒng)極大限度的保證系泊船舶作業(yè)時的安全，大約提高單個泊位經(jīng)濟(jì)收入的5% ～8%，具有廣闊的推廣價值和應(yīng)用前景.

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Scheme Design of Mooring Ship Motion Monitoring Systems Based on The Internet of Things

YUAN Xiao-long，QIU Zhan-zhi

(Software Institute，Dalian Jiaotong University，Dalian 116028，China)

The scheme design problem of ship motion monitoring system for wharf mooring is studied.The design scheme of mooring ship motion monitoring system based on the internet of things technology is proposed，and the system configuration and the design idea of monitoring software are introduced.The Data-aware layer adopts RFID and sensing technologies to acquire data from the natural world，and the network layer adopts WLAN to transmit the monitoring data and control commands，while the application layer adopts the serial communication technology to receive and send data.The model test show the effectiveness and feasibility of the system schema and used technology.

ship motion monitoring;scheme design;internet of things;data transmissions;serial port communication

A

1673-9590(2013)06-0112-05*

2013-03-20

國家自然科學(xué)基金資助項目(61074029);遼寧省科學(xué)研究計劃資助項目(2011216007)

苑曉龍(1989－)，男，碩士研究生;邱占芝(1960－)，女，教授，博士，主要從事網(wǎng)絡(luò)控制方面的研究

E-mail:longjianzhiyun@163.com.