摘要：我國不僅是海洋運輸大國, 也是造船大國。船舶的大型化以及自動(dòng)化要求對船舶進(jìn)行實(shí)時(shí)監控, 很多船舶監控系統采用線(xiàn)纜連接, 靈活性差, 成本高, 且很難實(shí)現遠程監控。本文提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)和嵌入式技術(shù)的船舶遠程監控方案, 對系統的需求進(jìn)行分析, 重點(diǎn)設計基于Zigbee技術(shù)的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn), 并設計基于IOS的手機移動(dòng)端監控軟件。系統具有功耗低、實(shí)時(shí)性好、穩定性高等特點(diǎn)。

　　關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng); Zigbee; 遠程監控; 嵌入式; IOS;

　　Abstract：Our country is not only the ocean transportation power, and shipbuilding. Ship more and more automation requirements of real-time monitoring of the ship a lot of the ship monitoring and control system use cable connection, poor flexibility, cost is high, and it is difficult to realize remote monitoring. This paper puts forward a kind of based on Internet of things and ship remote monitoring scheme of embedded technology, the demand of system is analyzed, the key design a wireless network node based on Zigbee technology, and design the monitoring software of the mobile terminal based on IOS.System has low power consumption, good real-time, high stability, etc.

　　Keyword：the internet of things; Zigbee; remote monitoring; embedded; the IOS;

　　當前海洋運輸在全球經(jīng)濟中占據著(zhù)重要地位。船舶的噸位在不斷增長(cháng), 船舶上使用的各種電力設備、自動(dòng)化設備等也在不斷增多, 在海洋運輸過(guò)程中, 船舶設備的工作狀態(tài)關(guān)系著(zhù)船舶上貴重設備的使用壽命以及船舶運行安全, 因而對船舶設備的工作狀態(tài)進(jìn)行監控具有非常重要的意義。

　　最初的船舶監控系統采用模擬電路來(lái)實(shí)現, 船員通過(guò)對講機等方式和其他船只或者控制中心進(jìn)行通信報告船舶狀態(tài), 這種傳遞信息的方式效率低, 并且出錯率高, 已經(jīng)不能滿(mǎn)足現代化船舶運輸管理的需求[1–2]。同時(shí)隨著(zhù)全球越來(lái)越多新航線(xiàn)的開(kāi)辟, 海上運輸船舶的數量也越來(lái)越多, 如何高效率的對數量眾多的船舶進(jìn)行實(shí)時(shí)監控是急需解決的問(wèn)題。目前很多船舶上都采用PLC或者嵌入式系統來(lái)對船舶進(jìn)行監控, 但是各個(gè)公司產(chǎn)品之間缺乏兼容性, 并且有很多監控系統不具備網(wǎng)絡(luò )通信功能, 仍然處于半自動(dòng)化監控的狀態(tài)[3]。

　　物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是當前研究非常多的一種技術(shù), 它包括了無(wú)線(xiàn)射頻識別技術(shù)、傳感器技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò )技術(shù)等, 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以有效把不同地點(diǎn)的物品通過(guò)網(wǎng)絡(luò )連接起來(lái), 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)在諸多領(lǐng)域得到了應用, 特別是在危險品運輸跟蹤識別、智能家居以及智能醫療等方面。本文提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和嵌入式技術(shù)的船舶遠程監控系統, 其特點(diǎn)在于可以在現有船舶監控系統的基礎上構建遠程監控系統, 通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )采集數據, 嵌入式系統在接收到這些數據后將這些數據通過(guò)網(wǎng)絡(luò )發(fā)送到數據中心, 從而實(shí)現對船舶的遠程監控。

　　1、關(guān)鍵技術(shù)

　　1.1、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

　　物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是當前國家重點(diǎn)發(fā)展的技術(shù)之一, 并且在諸多領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應用。物聯(lián)網(wǎng)是指射頻識別 (RFID) 、全球定位系統、紅外感應器、激光掃描器等信息傳感設備, 根據設定好的協(xié)議, 將任何地點(diǎn)的任意物品和網(wǎng)絡(luò )連接, 實(shí)現一對多或者多對多的通信, 實(shí)現對物品的識別、跟蹤以及全球定位。

　　在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中不僅可以實(shí)現短距離的數據傳輸, 也可以實(shí)現遠距離的數據傳輸, 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)包括了Zigbee技術(shù)、RFID技術(shù)以及移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )技術(shù), 在數據傳輸上具有可靠性高、實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)。

　　1.2、Zigbee技術(shù)

　　Zigbee技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中一種非常有用的技術(shù)。Zigbee具有低功耗的特點(diǎn), 可以實(shí)現短距離的通信, 因而適用于在船舶上進(jìn)行數據的無(wú)線(xiàn)傳輸工作。Zigbee技術(shù)具有如下特點(diǎn):

　　1) 低功耗。在船舶上需要定期進(jìn)行數據的采集以實(shí)現對船舶的遠程監控, 因而采集端的功耗對整個(gè)系統具有非常大的影響。Zigbee傳輸數據的速度低, 發(fā)射信號的功率低至1 m W, 同時(shí)在不發(fā)射信號時(shí)可以進(jìn)入休眠模式, 因而功耗非常低。

　　2) 組網(wǎng)簡(jiǎn)單, 無(wú)線(xiàn)纜連接:由于Zigbee是一種無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù), 因而不需要線(xiàn)纜連接。同時(shí)由于船舶的噸位越來(lái)越大, 自動(dòng)化設備也越來(lái)越多, 因而監控節點(diǎn)也越來(lái)越多, 同時(shí)不同船舶對于監控點(diǎn)的數量需求也必然有所不同。Zigbee可以支持一個(gè)主設備同時(shí)連接256個(gè)子設備, 并且不同Zigbee網(wǎng)絡(luò )之間也可以進(jìn)行連接和通信[4]。

　　3) 數據的可靠性和安全性。對于現代船舶監控而言, 數據的可靠性和安全性對于使用者來(lái)說(shuō)非常重要。從監控節點(diǎn)傳輸到嵌入式系統的數據都經(jīng)過(guò)加密, 因而最大限度保證安全性[5]。

　　Zigbee技術(shù)采用IEEE802.15.4通信協(xié)議, 在技術(shù)實(shí)現上則有多種方式, 分別是:

　　1) 使用獨立嵌入式系統+Zigbee射頻芯片, 如TI公司的MSP430+CC2420;

　　2) 基于51內核的SOC解決方案:TI的CC2430/CC2431, FREESCLAE的MC1321X等。

　　本系統采用第2種方式, 即基于51內核的SOC解決方案, 除TI公司外, 其他幾大公司都是采用自身研發(fā)的微處理器, TI的CC2430/CC2431基于51內核, 在國內應用非常廣泛, 有利于研究人員進(jìn)行系統開(kāi)發(fā)。

　　2、系統設計

　　2.1、整體設計

　　基于物聯(lián)網(wǎng)和嵌入式技術(shù)的船舶遠程監控系統需要實(shí)現以下功能:

　　1) 可以對目標船舶進(jìn)行監控, 使用無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )將所有的監控節點(diǎn)連接到一起, 并且可以根據需求增加或者減少監控節點(diǎn);

　　2) 用戶(hù)可以通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )或者有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )實(shí)現對船舶的遠程監控。

　　3) 設置系統權限, 沒(méi)有權限的用戶(hù)無(wú)法訪(fǎng)問(wèn)船舶監控情況。

　　圖1是系統的結構框圖, 整個(gè)系統包括數據采集節點(diǎn)、船舶數據服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò )以及電腦等。數據采集節點(diǎn)采用基于Zigbee技術(shù)的監控節點(diǎn), 對船舶各個(gè)位置的溫度、濕度、電機參數 (轉速、電壓、電流) 等進(jìn)行采集。各傳感器在采集到數據后, 經(jīng)過(guò)濾波和A/D轉換傳輸到CC2430的處理器, 經(jīng)過(guò)處理后將這些數據傳輸到服務(wù)器, 電腦以及手持移動(dòng)設備可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò )訪(fǎng)問(wèn)服務(wù)器上的數據庫, 從而獲取船舶的監控情況。

　　基于物聯(lián)網(wǎng)和嵌入式技術(shù)的船舶遠程監控系統不僅需要對基于Zigbee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的監控節點(diǎn)進(jìn)行設計, 而且需要設計數據庫、電腦端以及移動(dòng)設備端的軟件, 本文后續只對網(wǎng)絡(luò )監控節點(diǎn)以及移動(dòng)端監控軟件設計進(jìn)行介紹。

圖1 系統結構框圖

　　2.2、網(wǎng)絡(luò )監控節點(diǎn)設計

　　基于Zigbee的網(wǎng)絡(luò )監控節點(diǎn)組網(wǎng)方便, 且每一個(gè)節點(diǎn)功耗低。圖2是網(wǎng)絡(luò )監控節點(diǎn)的硬件結構框圖。Zigbee網(wǎng)絡(luò )監控節點(diǎn)以CC2430為核心, 包括了傳感器、濾波電路、A/D轉換電路、電源模塊、內部存儲單元以及射頻模塊等。

圖2 網(wǎng)絡(luò )監控節點(diǎn)結構框圖

　　CC2430內部可自帶128 k Flash, 最多可以響應18個(gè)外設中斷, 并且可以判斷中斷的優(yōu)先級。在芯片上CC2430集成了射頻前端、微控制器以及內存, 從天線(xiàn)接收的射頻信號可以直接轉換為數字信號, 因而省去了大量的外圍電路。

　　船舶上的溫度傳感器、濕度傳感器、電機轉速傳感器等將信號采集完成以后, 通過(guò)濾波電路去除雜波信號, 最后通過(guò)A/D轉換將信號傳輸到CC2430。電源模塊考慮到船舶使用需求, 可以采用電池或者干電池, 整個(gè)系統供電3.3 V, 由于系統功耗非常低, 因而整個(gè)網(wǎng)絡(luò )監控節點(diǎn)的工作時(shí)間可達1年。

　　射頻模塊可以實(shí)現對外的信號發(fā)射和接收, 傳輸距離可以達到100 m, 適用于各類(lèi)船舶的布局需求。圖3為監控節點(diǎn)的實(shí)物圖, 監控節點(diǎn)的體積小, 功耗低。

　　2.3、移動(dòng)端軟件設計

　　移動(dòng)端軟件設計主要基于ios系統, 使用Xcode進(jìn)行APP開(kāi)發(fā)。軟件在進(jìn)行初始化后設置固定訪(fǎng)問(wèn)站點(diǎn), 服務(wù)器端已經(jīng)接收了若干監測數據并存儲到數據庫, 在服務(wù)器端配置IP為192.168.112.111, 手機訪(fǎng)問(wèn)數據庫后將數據呈現在屏幕上, 并繪制監控曲線(xiàn)。圖4為機艙溫度監控曲線(xiàn), 系統為ios8.0。

　　3、結語(yǔ)

　　隨著(zhù)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的發(fā)展, 船舶監控對實(shí)時(shí)性、便捷性以及穩定性的要求也越來(lái)越高。本文提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)和嵌入式技術(shù)的船舶遠程監控系統, 重點(diǎn)對基于Zigbee技術(shù)的網(wǎng)絡(luò )監控節點(diǎn)和基于IOS的手機移動(dòng)端軟件進(jìn)行設計, 系統功耗低, 穩定性好, 可以滿(mǎn)足船舶遠程監控的需求。

圖3 監控節點(diǎn)實(shí)物圖

圖4 機艙溫度監控曲線(xiàn)

　　參考文獻
　　[1]向春枝, 呂書(shū)林.無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )下船舶運行狀態(tài)遠程監控系統[J].艦船科學(xué)技術(shù), 2017, 39 (18) :73-75.
　　[2]賈秉峰.船舶遠程監控與管理系統研究[J].中國水運 (下半月) , 2016, 16 (07) :62-63.
　　[3]劉子晗, 李維嘉.基于GSM與ARM的船用設備遠程監控系統[J].機械與電子, 2016, 34 (05) :62-65.
　　[4]劉少楠.基于Zig Bee的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )數據采集系統的設計與實(shí)現[J].電腦知識與技術(shù), 2017, 13 (28) :234-236.
　　[5]孫小麗, 曹新偉, 馬皓誠, 等.基于Zig Bee的無(wú)線(xiàn)傳感器組網(wǎng)技術(shù)研究與應用探討[J].數字通信世界, 2017, (09) :102-103.