林曉松　，林少芬

(1.集美大學(xué)輪機工程學(xué)院，福建 廈門 361021；2.福建省船舶與海洋工程重點實驗室，福建 廈門 361021)

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基于Linux和CDMA的AIS數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

林曉松1,2，林少芬1,2

(1.集美大學(xué)輪機工程學(xué)院，福建 廈門 361021；2.福建省船舶與海洋工程重點實驗室，福建 廈門 361021)

[摘要]以ARM9微處理器為核心，使用linux操作系統(tǒng)和CDMA無線通信技術(shù)設(shè)計船舶自動識別系統(tǒng)(AIS)的船載終端.系統(tǒng)的設(shè)計主要包括AT指令實現(xiàn)CDMA模塊的網(wǎng)絡(luò)連接過程及程序?qū)崿F(xiàn)方法、圖形界面的設(shè)計、紅外無線鍵盤軟硬件設(shè)計及AIS數(shù)據(jù)接收和處理、硬件設(shè)計.試驗結(jié)果表明，整個AIS數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)模塊集成度高，既可以作為單獨的AIS數(shù)據(jù)發(fā)送系統(tǒng)，也可以集成到GPS海圖儀上.

[關(guān)鍵詞]嵌入式系統(tǒng)；碼分多址；自動識別；圖形界面；AIS

0引言

隨著現(xiàn)代船舶日益大型化、高速化，海上交通密度及危險性貨物量和裝載量與日俱增，以及全球恐怖主義的影響，國際上越來越需要提高全球海上監(jiān)視能力[1- 2].解決辦法之一是采用船舶自動識別系統(tǒng)(AIS)[3].AIS系統(tǒng)是集計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和電子顯示技術(shù)為一體的船舶數(shù)字式助航系統(tǒng)，可通過網(wǎng)絡(luò)將船舶位置信息、標(biāo)識信息、航行狀態(tài)、運動參數(shù)等數(shù)據(jù)實時發(fā)送到監(jiān)控中心和周圍船舶，提高航運安全[4].目前，船載AIS主要采用通用分組無線業(yè)務(wù)(General Packet Radiao Service，簡稱GPRS)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)AIS數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，但由于GPRS采用專用國際頻道，導(dǎo)致GPRS通信存在頻率資源缺乏、抗干擾能力差等問題.

當(dāng)前，國內(nèi)不少人員對上述問題做了相關(guān)研究.文獻(xiàn)[5]通過對Winsock網(wǎng)絡(luò)通信接口的編程，實現(xiàn)了近海及內(nèi)河航道中多個基站與一個或多個監(jiān)控中心的點對點通信；文獻(xiàn)[6]采用ARM體系架構(gòu)的嵌入式系統(tǒng)和USB無線網(wǎng)卡實現(xiàn)AIS數(shù)據(jù)的無線傳輸；文獻(xiàn)[7]提出了基于CAN總線的集多模北斗/ GPS模塊、RFID、AIS等多種技術(shù)的智能船載終端，既可接收AIS數(shù)據(jù)，又可遠(yuǎn)程發(fā)送數(shù)據(jù).雖然以上遠(yuǎn)程無線數(shù)據(jù)傳輸方式頻率資源豐富，抗干擾措施多，但傳輸距離都有限.

碼分多址通信技術(shù)(Code Divison Multiple Access，簡稱CDMA)可同時使用800M頻段和1300 U頻段，與GPRS比較具有良好的抗干擾性和抗衰減性，具有傳輸速度快、不易掉線、破解密碼難、發(fā)射功率小、容量大等特點，正逐步擴大覆蓋面[8].因此，本文在嵌入式Linux實時操作系統(tǒng)環(huán)境下，擬采用CDMA無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)實現(xiàn)AIS數(shù)據(jù)的實時發(fā)送，實現(xiàn)本地AIS數(shù)據(jù)的液晶屏實時顯示，實現(xiàn)通過按鍵進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)查詢和相關(guān)信息的輸入，以促進(jìn)水路運輸船舶的遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理的便捷化.

1船載AIS終端的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

船載AIS終端系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示.AIS數(shù)據(jù)接收模塊接收GPS/BD導(dǎo)航信息(位置信息、日期、時間等)，同時還接收傳感器、陀螺羅經(jīng)儀、計程儀、轉(zhuǎn)向儀等采集的航向、航速、吃水水深等船舶的運動參數(shù).AIS數(shù)據(jù)接收模塊采用VHF數(shù)據(jù)鏈路，用廣播的方式發(fā)送和接收這些重要信息，以實現(xiàn)對附近海域船舶的識別和監(jiān)視.主控器(嵌入式微處理器)用串行通信的方式接收運動參數(shù)和航行狀態(tài)等信息，再將這些信息采用串行通信的方式送給CDMA模塊，通過CDMA無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到海岸基站，同時用液晶顯示器顯示這些發(fā)送信息.鍵盤模塊采用紅外遙控鍵盤,實現(xiàn)船載AIS終端系統(tǒng)的人機交互.

1.1　主控模塊

本嵌入式linux系統(tǒng)實現(xiàn)了串口通信、數(shù)據(jù)解碼、數(shù)據(jù)儲存和圖形界面功能，是整個系統(tǒng)的核心.為了保證數(shù)據(jù)處理的效率和準(zhǔn)確性，采用RISC架構(gòu)的ARM9微處理器，其擁有獨立的16KB指令Cache和16KB數(shù)據(jù)Cache、MMU、支持TFT的LCD控制器、NAND閃存控制器、3路UART、4路DMA、4路帶PWM的Timer、I/O口、RTC、8路10位ADC、Touch Screen接口、IIC-BUS 接口、IIS-BUS 接口、2個USB主機、1個USB設(shè)備、SD主機和MMC接口、2路SPI，具有體積小、低功耗、低成本、高性能、指令執(zhí)行速度快、執(zhí)行效率高等特點.

圖形用戶接口采用Micro windows.其目的是把圖形視窗環(huán)境引入到運行Linux 的小型設(shè)備和平臺上，允許設(shè)計者輕松加入各種顯示設(shè)備、鼠標(biāo)、觸摸屏和鍵盤等.同時，Micro windows 的可移植性非常好，基本上用C 語言實現(xiàn)，以圖形方式支持在主機平臺上的仿真目標(biāo)平臺，可以在臺式機上進(jìn)行編寫和開發(fā)，不用進(jìn)行交叉編譯就可測試和運行，并且直接在目標(biāo)平臺上運行.

1.2　AIS模塊

光電耦合器常用于接口電路中，作為兩種供電電路間的信號電平轉(zhuǎn)換.為了滿足市場上AIS的系統(tǒng)輸出電壓(3~12 V)，需采用光電耦合器對AIS數(shù)據(jù)進(jìn)行光耦轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)多信號的AIS數(shù)據(jù)接入.AIS數(shù)據(jù)通過光耦電平轉(zhuǎn)換信號隔離后，通過比較器輸出，得到最終的信號.AIS數(shù)據(jù)接收轉(zhuǎn)換電路如圖2所示，采用專用集成比較器構(gòu)成的電壓比較電路.

圖2中AIS_IN+和AIS_IN-為AIS數(shù)據(jù)輸入端，4N25A為光電耦合器，實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換功能.R4為輸出上拉電阻，改變R4可以改變通過比較器的電壓，改變R5可以改變輸入電流，R10實際為懸空狀態(tài).LM393為雙電壓比較器，具有切換速度快、延遲時間小、消耗電流小、輸入失調(diào)電壓小等優(yōu)點.經(jīng)過測試，電流值為1.823~37.66 mA的信號都能通過本模塊.根據(jù)市場上的AIS輸出電壓為3~12 V，計算得出承受外接信號的內(nèi)阻在300~4400 Ω以內(nèi)，可滿足市場需求.

1.3　CDMA模塊

考慮到系統(tǒng)的性價比，體積大小等眾多因素，CDMA模塊選擇Telit BCM-865.Telit BCM-865[9]是一款I(lǐng)S-95A/B CDMA2000 1x無線模塊，帶有ADC和可選R-UIM功能.超薄超輕的BCM-865僅重10g，是尺寸敏感性應(yīng)用的理想選擇；集成式TCP/IP協(xié)議棧和兩通道ADC等額外特性帶來了更多功能，在不增加成本的情況下為最終應(yīng)用增添了價值；包括IIC和用戶定義GPIO在內(nèi)的豐富接口使得外設(shè)、傳感器和執(zhí)行器的集成非常容易；BCM-865適用于實時監(jiān)控應(yīng)用，可最大程度減少或消除遠(yuǎn)程機器和后臺服務(wù)之間的人為干預(yù).

1.4　鍵盤模塊

無線紅外鍵盤由發(fā)射端和接收端兩部分組成.發(fā)射端對待發(fā)送的一幀數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，通過紅外發(fā)射管將編碼數(shù)據(jù)發(fā)送出去.接收端將接收到的數(shù)據(jù)送入AT89C51單片機進(jìn)行解碼處理，并將解碼后的數(shù)據(jù)通過串行口方式發(fā)送到上位機，實現(xiàn)鍵盤操作功能.接收端紅外解碼電路如圖3所示.

圖3中，HS0038為紅外接收探頭，發(fā)光二級管D1用來指示紅外發(fā)射和接收是否正常，INTO為AT89C51單片機的外部中斷0接口，與HS0038輸出端相連.當(dāng)HS0038接收到紅外信號時 ，輸出端OUT輸出脈沖信號，觸發(fā)AT89C51單片機的外部中斷0，將紅外信號傳到單片機上.同時，脈沖信號使三極管導(dǎo)通，發(fā)光二極管發(fā)光，表明紅外發(fā)射和接收正常.

2系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1　CDMA通信設(shè)計

CDMA工作流程如圖4所示，包括Telit BCM-865模塊初始化、連接TCP、發(fā)送數(shù)據(jù)和關(guān)閉TCP 4部分. 在程序?qū)崿F(xiàn)過程中，必須保證能完全連上網(wǎng)絡(luò)，并對是否有卡，是否有信號能做出判斷，若掉線能自動連接.用戶通過發(fā)送AT指令輸入用戶名和密碼，進(jìn)行撥號上網(wǎng)，若撥號成功，則建立應(yīng)用數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議(TCP)連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)通信.同時，AIS數(shù)據(jù)接收和解析進(jìn)程將所采集到的AIS數(shù)據(jù)放入共享內(nèi)存，CDMA 無線通信進(jìn)程調(diào)用共享內(nèi)存，將數(shù)據(jù)發(fā)送至遠(yuǎn)程服務(wù)器，存入遠(yuǎn)程服務(wù)器數(shù)據(jù)保庫，等待查詢[10].在建立服務(wù)器端和客戶端TCP連接時，采用阻塞式通信，確保AIS數(shù)據(jù)正確完整地傳送到遠(yuǎn)程服務(wù)器，中間引入超時機制，防止通信過程的死鎖，造成系統(tǒng)崩潰.

2.2　紅外接收程序設(shè)計

HS0038鍵碼由一個起始碼9 ms，一個結(jié)果碼4.5 ms，低8位地址碼9~18 ms，高8位地址碼9~18 ms， 8位數(shù)據(jù)碼9~18 ms和這8位數(shù)據(jù)的反碼 9~18 ms組成，共108 ms.如果鍵按下超過108 ms仍未松開，HS0038鍵碼將僅由起始碼 9 ms和結(jié)束碼4.5 ms組成.

紅外接收流程如圖5所示，采用定時中斷方式實現(xiàn).由于HS0038接收頻率為38 kHz，紅外信號周期為26 μs，可設(shè)定時值為65510，即每隔26 μs中斷一次.接收9 ms起始信號時，控制定時器T1中斷次數(shù)為346次即可.當(dāng)接收完4個數(shù)據(jù)后，判斷數(shù)據(jù)3是否是數(shù)據(jù)4的反碼，確保數(shù)據(jù)正確.若數(shù)據(jù)3是數(shù)據(jù)4的反碼，則將數(shù)據(jù)3放入緩存，以待通過串行口發(fā)送到上位機；若數(shù)據(jù)3不是數(shù)據(jù)4的反碼，說明接收到的數(shù)據(jù)錯誤，結(jié)束程序.

3系統(tǒng)測試

整個系統(tǒng)在某基站平臺和實驗室環(huán)境下進(jìn)行模擬測試，由基站平臺產(chǎn)生信號并發(fā)送.目標(biāo)機本身帶有Linux操作系統(tǒng)，且識別SD卡，將編譯好的文件直接放到SD卡中，則開機后Linux會自動運行該文件，實現(xiàn)圖形界面在目標(biāo)板上的顯示和數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程發(fā)送.圖6a表示AIS數(shù)據(jù)接收和液晶屏顯示界面，包含13條船舶的信息，其信息有船名、水上移動通信業(yè)務(wù)標(biāo)識碼(Maritime Mobile Service Identify，簡稱“MMSI”)、緯度、經(jīng)度、航向、航速等.圖6b表示CDMA遠(yuǎn)程通信數(shù)據(jù)接收界面.由圖6可看出船載AIS終端可實時、準(zhǔn)確地采集AIS數(shù)據(jù)，顯示并遠(yuǎn)程發(fā)送數(shù)據(jù)到監(jiān)控中心或其他裝有CDMA終端的船舶.同時，采用紅外鍵盤在顯示屏下方輸入作者信息和進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)的查詢，模擬主從機的接收和發(fā)送，實現(xiàn)船載AIS終端系統(tǒng)的人機交互.

4結(jié)論

船舶自動識別系統(tǒng)的出現(xiàn)對船舶的航行安全起著重要作用，也拓寬了海事管理范圍.本文針對AIS數(shù)據(jù)接收情況，設(shè)計了能夠接入大部分AIS數(shù)據(jù)的接收轉(zhuǎn)換電路，并在Linux操作系統(tǒng)下實現(xiàn)了將AIS信息通過CDMA無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到一個網(wǎng)絡(luò)終端，運用Micro windows 完成了圖形界面顯示，克服了標(biāo)準(zhǔn)船載AIS終端頻率資源短缺，抗干擾能力差的問題，以及其他相關(guān)產(chǎn)品傳輸距離短的問題.所設(shè)計的無線紅外鍵盤，對電臺、對講機的干擾有很強的抗干擾能力，方便用戶與終端間的交互.然而，本文沒有考慮數(shù)據(jù)發(fā)送過程中的可靠性，斷電保護和數(shù)據(jù)加密將是后續(xù)研究的主要內(nèi)容.

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(責(zé)任編輯朱雪蓮英文審校黃振坤)

AIS Data Transmission System Based on Linux and CDMA

LIN Xiao-song1,2,LIN Shao-fen1,2

(1.Marine Engineering Institute,Jimei University,Xiamen 361021,China;

2.Fujian Provincial Key Laboratory of Naval Architecture and Ocean Engineering，Xiamen 361021，China)

Abstract:With ARM9 as core microprocessor,an Automatic Identification System (AIS) onboard terminal is designed based on linux operating system and CDMA wireless communication technology.The design of system includes AT commands for network connection and Program implementations,GUI design,software and hardware design of wireless infrared keyboard,reception and processing of AIS data and hardware design.As the results shown in the experiment,the module’s integration is high in the system,which makes the AIS data transmission not only can be used lonely,but also can be integrated into GPS chart plotter.

Key words:Embedded system；CDMA;Automatic identification;Graphical user interface;AIS

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

[中圖分類號]U 675.7

[文章編號]1007-7405(2015)03-0198-05

[作者簡介]林曉松(1990—)，男，碩士生，主要從事嵌入式系統(tǒng)的方向研究.通信作者：林少芬(1962—)，女，教授，博導(dǎo)，主要從事船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計制造、機電一體化等的方向研究.

[基金項目]交通運輸部應(yīng)用基礎(chǔ)研究項目(2014329815100)

[收稿日期]2014-12-10[修回日期]2015-01-20