物联网和嵌入式技术下船舶远程监控系统设计

　　摘要：我国不仅是海洋运输大国, 也是造船大国。船舶的大型化以及自动化要求对船舶进行实时监控, 很多船舶监控系统采用线缆连接, 灵活性差, 成本高, 且很难实现远程监控。本文提出一种基于物联网和嵌入式技术的船舶远程监控方案, 对系统的需求进行分析, 重点设计基于Zigbee技术的无线网络节点, 并设计基于IOS的手机移动端监控软件。系统具有功耗低、实时性好、稳定性高等特点。

　　关键词：物联网; Zigbee; 远程监控; 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;

　　当前海洋运输在全球经济中占据着重要地位。船舶的吨位在不断增长, 船舶上使用的各种电力设备、自动化设备等也在不断增多, 在海洋运输过程中, 船舶设备的工作状态关系着船舶上贵重设备的使用寿命以及船舶运行安全, 因而对船舶设备的工作状态进行监控具有非常重要的意义。

　　最初的船舶监控系统采用模拟电路来实现, 船员通过对讲机等方式和其他船只或者控制中心进行通信报告船舶状态, 这种传递信息的方式效率低, 并且出错率高, 已经不能满足现代化船舶运输管理的需求[1–2]。同时随着全球越来越多新航线的开辟, 海上运输船舶的数量也越来越多, 如何高效率的对数量众多的船舶进行实时监控是急需解决的问题。目前很多船舶上都采用PLC或者嵌入式系统来对船舶进行监控, 但是各个公司产品之间缺乏兼容性, 并且有很多监控系统不具备网络通信功能, 仍然处于半自动化监控的状态[3]。

　　物联网技术是当前研究非常多的一种技术, 它包括了无线射频识别技术、传感器技术以及网络技术等, 物联网技术可以有效把不同地点的物品通过网络连接起来, 物联网技术已经在诸多领域得到了应用, 特别是在危险品运输跟踪识别、智能家居以及智能医疗等方面。本文提出一种基于物联网技术和嵌入式技术的船舶远程监控系统, 其特点在于可以在现有船舶监控系统的基础上构建远程监控系统, 通过无线传感器网络采集数据, 嵌入式系统在接收到这些数据后将这些数据通过网络发送到数据中心, 从而实现对船舶的远程监控。

　　1、关键技术

　　1.1、物联网技术

　　物联网技术是当前国家重点发展的技术之一, 并且在诸多领域已经得到了广泛的应用。物联网是指射频识别 (RFID) 、全球定位系统、红外感应器、激光扫描器等信息传感设备, 根据设定好的协议, 将任何地点的任意物品和网络连接, 实现一对多或者多对多的通信, 实现对物品的识别、跟踪以及全球定位。

　　在物联网技术中不仅可以实现短距离的数据传输, 也可以实现远距离的数据传输, 物联网技术包括了Zigbee技术、RFID技术以及移动网络技术, 在数据传输上具有可靠性高、实时性好等优点。

　　1.2、Zigbee技术

　　Zigbee技术是物联网技术中一种非常有用的技术。Zigbee具有低功耗的特点, 可以实现短距离的通信, 因而适用于在船舶上进行数据的无线传输工作。Zigbee技术具有如下特点:

　　1) 低功耗。在船舶上需要定期进行数据的采集以实现对船舶的远程监控, 因而采集端的功耗对整个系统具有非常大的影响。Zigbee传输数据的速度低, 发射信号的功率低至1 m W, 同时在不发射信号时可以进入休眠模式, 因而功耗非常低。

　　2) 组网简单, 无线缆连接:由于Zigbee是一种无线传输技术, 因而不需要线缆连接。同时由于船舶的吨位越来越大, 自动化设备也越来越多, 因而监控节点也越来越多, 同时不同船舶对于监控点的数量需求也必然有所不同。Zigbee可以支持一个主设备同时连接256个子设备, 并且不同Zigbee网络之间也可以进行连接和通信[4]。

　　3) 数据的可靠性和安全性。对于现代船舶监控而言, 数据的可靠性和安全性对于使用者来说非常重要。从监控节点传输到嵌入式系统的数据都经过加密, 因而最大限度保证安全性[5]。

　　Zigbee技术采用IEEE802.15.4通信协议, 在技术实现上则有多种方式, 分别是:

　　1) 使用独立嵌入式系统+Zigbee射频芯片, 如TI公司的MSP430+CC2420;

　　2) 基于51内核的SOC解决方案:TI的CC2430/CC2431, FREESCLAE的MC1321X等。

　　本系统采用第2种方式, 即基于51内核的SOC解决方案, 除TI公司外, 其他几大公司都是采用自身研发的微处理器, TI的CC2430/CC2431基于51内核, 在国内应用非常广泛, 有利于研究人员进行系统开发。

　　2、系统设计

　　2.1、整体设计

　　基于物联网和嵌入式技术的船舶远程监控系统需要实现以下功能:

　　1) 可以对目标船舶进行监控, 使用无线传感网络将所有的监控节点连接到一起, 并且可以根据需求增加或者减少监控节点;

　　2) 用户可以通过无线网络或者有线网络实现对船舶的远程监控。

　　3) 设置系统权限, 没有权限的用户无法访问船舶监控情况。

　　图1是系统的结构框图, 整个系统包括数据采集节点、船舶数据服务器、网络以及电脑等。数据采集节点采用基于Zigbee技术的监控节点, 对船舶各个位置的温度、湿度、电机参数 (转速、电压、电流) 等进行采集。各传感器在采集到数据后, 经过滤波和A/D转换传输到CC2430的处理器, 经过处理后将这些数据传输到服务器, 电脑以及手持移动设备可以通过网络访问服务器上的数据库, 从而获取船舶的监控情况。

　　基于物联网和嵌入式技术的船舶远程监控系统不仅需要对基于Zigbee无线网络的监控节点进行设计, 而且需要设计数据库、电脑端以及移动设备端的软件, 本文后续只对网络监控节点以及移动端监控软件设计进行介绍。

图1 系统结构框图

　　2.2、网络监控节点设计

　　基于Zigbee的网络监控节点组网方便, 且每一个节点功耗低。图2是网络监控节点的硬件结构框图。Zigbee网络监控节点以CC2430为核心, 包括了传感器、滤波电路、A/D转换电路、电源模块、内部存储单元以及射频模块等。

图2 网络监控节点结构框图

　　CC2430内部可自带128 k Flash, 最多可以响应18个外设中断, 并且可以判断中断的优先级。在芯片上CC2430集成了射频前端、微控制器以及内存, 从天线接收的射频信号可以直接转换为数字信号, 因而省去了大量的外围电路。

　　船舶上的温度传感器、湿度传感器、电机转速传感器等将信号采集完成以后, 通过滤波电路去除杂波信号, 最后通过A/D转换将信号传输到CC2430。电源模块考虑到船舶使用需求, 可以采用电池或者干电池, 整个系统供电3.3 V, 由于系统功耗非常低, 因而整个网络监控节点的工作时间可达1年。

　　射频模块可以实现对外的信号发射和接收, 传输距离可以达到100 m, 适用于各类船舶的布局需求。图3为监控节点的实物图, 监控节点的体积小, 功耗低。

　　2.3、移动端软件设计

　　移动端软件设计主要基于ios系统, 使用Xcode进行APP开发。软件在进行初始化后设置固定访问站点, 服务器端已经接收了若干监测数据并存储到数据库, 在服务器端配置IP为192.168.112.111, 手机访问数据库后将数据呈现在屏幕上, 并绘制监控曲线。图4为机舱温度监控曲线, 系统为ios8.0。

　　3、结语

　　随着移动网络技术的发展, 船舶监控对实时性、便捷性以及稳定性的要求也越来越高。本文提出一种基于物联网和嵌入式技术的船舶远程监控系统, 重点对基于Zigbee技术的网络监控节点和基于IOS的手机移动端软件进行设计, 系统功耗低, 稳定性好, 可以满足船舶远程监控的需求。

图3 监控节点实物图

图4 机舱温度监控曲线

　　参考文献
　　[1]向春枝, 吕书林.无线网络下船舶运行状态远程监控系统[J].舰船科学技术, 2017, 39 (18) :73-75.
　　[2]贾秉峰.船舶远程监控与管理系统研究[J].中国水运 (下半月) , 2016, 16 (07) :62-63.
　　[3]刘子晗, 李维嘉.基于GSM与ARM的船用设备远程监控系统[J].机械与电子, 2016, 34 (05) :62-65.
　　[4]刘少楠.基于Zig Bee的无线传感器网络数据采集系统的设计与实现[J].电脑知识与技术, 2017, 13 (28) :234-236.
　　[5]孙小丽, 曹新伟, 马皓诚, 等.基于Zig Bee的无线传感器组网技术研究与应用探讨[J].数字通信世界, 2017, (09) :102-103.