李海博

關(guān)鍵詞：智能船載終端；RK3288；硬件設(shè)計(jì)；軟件架構(gòu)；全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)；船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：U666.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0引言

隨著現(xiàn)代海洋技術(shù)和信息化的快速發(fā)展，船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（AIS）[1] 和全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）[2] 等船舶導(dǎo)航和監(jiān)控設(shè)備的需求量逐漸增加。船舶在復(fù)雜的海洋環(huán)境中需要對(duì)多種信息進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和展示，包括但不限于導(dǎo)航、位置跟蹤、海圖展示和多媒體信息處理。然而，現(xiàn)有的船載終端系統(tǒng)存在硬件性能較差、軟件兼容性不高以及信息整合方面混亂等問題。

為了解決上述問題，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一款基于RK3288 [3] 的船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)智能船載終端。該系統(tǒng)不僅集成了高性能的硬件計(jì)算能力和豐富的外部接口，還具備高度模塊化的軟件架構(gòu)，能夠進(jìn)行各種功能拓展。本系統(tǒng)兼顧了實(shí)時(shí)性能和高度可靠性，能有效提升船舶的導(dǎo)航和信息處理能力。

本文首先介紹了系統(tǒng)的總體架構(gòu)和各個(gè)組成模塊，包括硬件設(shè)計(jì)、軟件架構(gòu)以及與外部設(shè)備的數(shù)據(jù)接口等。其次，對(duì)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過程和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入分析。最后，通過一系列實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證系統(tǒng)的性能和可靠性。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基于RK3288 構(gòu)建的智能船載終端具有多模塊、多接口的特性。這一設(shè)計(jì)不僅實(shí)現(xiàn)了與GNSS和AIS 模塊的集成，以便進(jìn)行高精度導(dǎo)航和自動(dòng)識(shí)別，而且通過隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器（DDR4 RAM）[4] 和嵌入式多媒體卡（eMMC）存儲(chǔ)芯片確保了數(shù)據(jù)高速處理和數(shù)據(jù)長(zhǎng)期存儲(chǔ)。系統(tǒng)還包括通用串行總線（USB）、高清晰度多媒體接口（HDMI）、422 差分信號(hào)串行通信標(biāo)準(zhǔn)（RS422）、揚(yáng)聲器接口（SPK）接口，并通過串行外設(shè)接口（SPI）總線連接按鍵和屏幕低壓差分信號(hào)（LVDS）接口，從而實(shí)現(xiàn)與多種外界設(shè)備的高度互操作性。

1.1 設(shè)計(jì)需求分析

由于RK3288 具有優(yōu)越的多核處理能力與數(shù)據(jù)高吞吐量，因此選用其作為本船載終端系統(tǒng)的核心處理單元，為復(fù)雜的數(shù)據(jù)流解析和處理任務(wù)，如GNSS和AIS 模塊的數(shù)據(jù)，提供了強(qiáng)有力的計(jì)算支持。加入DDR4 RAM 與eMMC 存儲(chǔ)芯片作為外掛存儲(chǔ)單元，旨在優(yōu)化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與運(yùn)行效率。DDR4 RAM 主要負(fù)責(zé)高速緩存運(yùn)行數(shù)據(jù)，以減少讀寫延遲，提高數(shù)據(jù)處理效率。相對(duì)地，eMMC 用于持久地存儲(chǔ)關(guān)鍵系統(tǒng)信息，如系統(tǒng)配置文件和日志記錄。

多接口設(shè)計(jì)考量則是為了確保與其他船載設(shè)備和系統(tǒng)的兼容性和互操作性。USB、HDMI、RS422及SPK 接口的集成不僅拓寬了外設(shè)連接的靈活性，還加強(qiáng)了系統(tǒng)與外部世界的數(shù)據(jù)交流能力。RS422接口通過通用異步收發(fā)器（UARTs）與主處理單元連接[5]，主要用于高穩(wěn)定性和長(zhǎng)距離的數(shù)據(jù)通信，特別是在船舶這種惡劣環(huán)境中。

在用戶交互方面，通過SPI 總線實(shí)現(xiàn)按鍵連接，旨在提供一種低延遲和高可靠性的用戶輸入方法。在視覺輸出方面，通過LVDS 接口與顯示屏連接，支持高分辨率和高刷新率的圖像輸出，以優(yōu)化用戶體驗(yàn)。

硬件架構(gòu)如圖1 所示?？傮w而言，本硬件設(shè)計(jì)方案綜合多方面需求與優(yōu)化目標(biāo)，力求實(shí)現(xiàn)船載終端的多功能性和高性能運(yùn)算，從而滿足航海安全和船員操作需求。

1.2 接口與驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)

1.2.1 接口設(shè)備

考慮到終端涉及多種功能模塊，如GNSS 和AIS，以及多樣的用戶交互需求，RK3288 的多接口能力成為解決方案的核心。RK3288 不僅具備出色的計(jì)算能力，而且支持多種通信協(xié)議和接口標(biāo)準(zhǔn)，這對(duì)于本系統(tǒng)是至關(guān)重要的。

為了滿足各種海上導(dǎo)航和信息交互需求，本設(shè)計(jì)考慮了每個(gè)接口的功能定位和性能需求。USB 接口用于與其他船載設(shè)備或外部存儲(chǔ)設(shè)備的數(shù)據(jù)交換，而HDMI 接口則為用戶提供高質(zhì)量的圖形輸出。這些接口的驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)都依托于RK3288 強(qiáng)大的系統(tǒng)資源和豐富的接口支持。

1.2.2 GNSS 與AIS模塊

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了GNSS 發(fā)出的NMEA0183 語(yǔ)句以及AIS 發(fā)出的AIS 報(bào)文的解析與利用。這一部分的具體實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)涉及底層數(shù)據(jù)解析和上層應(yīng)用之間的高效配合。其中，NMEA0183 語(yǔ)句的解析不僅可以獲取定位信息，還可以與其他模塊如AIS 等進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，以提供更為全面和準(zhǔn)確的導(dǎo)航信息。

1.2.3 數(shù)據(jù)交換與傳輸

為確保數(shù)據(jù)的高速、穩(wěn)定傳輸，本系統(tǒng)專門采用100 M/1000 M 網(wǎng)絡(luò)口作為數(shù)據(jù)接口。通過該網(wǎng)絡(luò)口，所有設(shè)備數(shù)據(jù)都能進(jìn)行高效的交換和傳輸，從而為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理和決策提供可靠的支持。

接口與驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)是一個(gè)系統(tǒng)集成和優(yōu)化的過程，需綜合考慮硬件、軟件和應(yīng)用層多個(gè)方面。通過合理的接口設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，本系統(tǒng)在滿足各種復(fù)雜功能和環(huán)境需求的同時(shí)，也確保了系統(tǒng)的高效性和穩(wěn)定性。

1.3 設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)

1.3.1 高度集成與空間效率

本系統(tǒng)整合了RK3288 與多種外部模塊，具有高度的集成性。這一設(shè)計(jì)不僅簡(jiǎn)化了硬件架構(gòu)，還在有限的船艙空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了多功能集成，提供了一站式的解決方案。

1.3.2 多功能接口與可擴(kuò)展性

通過RK3288 的豐富接口支持（包括但不限于USB、HDMI、RS422），本系統(tǒng)確保了極高的可擴(kuò)展性。各種接口的多樣性允許系統(tǒng)靈活地適應(yīng)不同應(yīng)用場(chǎng)景，并能輕易地進(jìn)行功能升級(jí)或擴(kuò)展。

每個(gè)功能模塊都采用獨(dú)立的設(shè)計(jì)方案和特定的通信接口，并形成設(shè)計(jì)規(guī)范。這種模塊化設(shè)計(jì)不僅簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，還在產(chǎn)品更新?lián)Q代時(shí)實(shí)現(xiàn)了引擎層和應(yīng)用層代碼的無(wú)感化替換。

1.3.3 環(huán)境穩(wěn)定性與可靠性

考慮到海上環(huán)境的多變性，特別是潮濕和鹽霧的影響，本設(shè)計(jì)對(duì)所有硬件接口進(jìn)行了防潮、防鹽處理。這極大提高了系統(tǒng)在惡劣環(huán)境下的穩(wěn)定性和可靠性。

1.3.4 數(shù)據(jù)處理能力與用戶交互性

本系統(tǒng)能夠高效地解析和處理來(lái)自GNSS 和AIS 模塊的復(fù)雜數(shù)據(jù)，支持高精度的導(dǎo)航和監(jiān)控。同時(shí)，通過LVDS 顯示屏和SPK 接口，本系統(tǒng)提供了豐富和直觀的用戶交互方式，進(jìn)一步提升了用戶體驗(yàn)。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件系統(tǒng)架構(gòu)

基于RK3288 搭載的Android 操作系統(tǒng)，智能船載終端的軟件設(shè)計(jì)主要由一個(gè)主程序及其子模塊構(gòu)成[6]。主程序是整個(gè)軟件系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)統(tǒng)籌和控制各個(gè)子模塊的運(yùn)行，如圖2 所示。

從業(yè)務(wù)角度出發(fā)，主程序可劃分為兩大核心功能模塊：NMEA 信息服務(wù)（NMEA Service）模塊[7]和用戶交互模塊。① NMEA 信息服務(wù)模塊： 這個(gè)模塊承擔(dān)了對(duì)GNSS、AIS、水深等數(shù)據(jù)的解析和處理任務(wù)。除了數(shù)據(jù)解析和處理，該模塊還負(fù)責(zé)管理各個(gè)數(shù)據(jù)源，并對(duì)外提供信息查詢服務(wù)。為確保數(shù)據(jù)處理的穩(wěn)定性和可靠性，NMEA 信息服務(wù)模塊在單獨(dú)的進(jìn)程中運(yùn)行。②用戶交互模塊： 作為承擔(dān)接收和處理信息的角色，這一模塊負(fù)責(zé)獲取、加工和展示由NMEA 信息服務(wù)模塊提供的通導(dǎo)信息。此外，該模塊還負(fù)責(zé)接收和處理用戶的操作反饋，如界面操作或命令輸入等。

數(shù)據(jù)和命令的交換是通過gRPC（進(jìn)程間通信）機(jī)制完成的[8]，確保了系統(tǒng)各組件能夠高效、安全地共享信息。整個(gè)軟件系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，優(yōu)化了系統(tǒng)的可維護(hù)性和可擴(kuò)展性。特別是采用單獨(dú)進(jìn)程來(lái)運(yùn)行NMEA 信息服務(wù)模塊，既確保了服務(wù)的穩(wěn)定性，又方便了其他模塊或應(yīng)用通過gRPC 來(lái)獲取必要的服務(wù)信息，從而實(shí)現(xiàn)了功能的靈活擴(kuò)展。

2.2 NMEA 信息服務(wù)模塊

NMEA 信息服務(wù)模塊是系統(tǒng)主程序的核心組成部分，負(fù)責(zé)對(duì)由內(nèi)部AIS 和GNSS 模塊接收到的信息進(jìn)行全面處理。該模塊接收通過NMEA0183 和NMEA2000 協(xié)議通信接口輸入的數(shù)據(jù)，執(zhí)行數(shù)據(jù)解析和融合操作，并通過一個(gè)設(shè)定好的信息訪問接口進(jìn)行信息發(fā)布。因?yàn)镹MEA 服務(wù)是其他業(yè)務(wù)模塊的基礎(chǔ)，該模塊在系統(tǒng)啟動(dòng)后會(huì)立即自動(dòng)初始化并開始其數(shù)據(jù)處理活動(dòng)。

2.2.1 線程架構(gòu)

該模塊內(nèi)部采用多線程架構(gòu)以提高數(shù)據(jù)處理的效率和并發(fā)性，具體分為兩個(gè)主要處理線程。

（1）串口數(shù)據(jù)處理線程。此線程負(fù)責(zé)從串口讀取NMEA 數(shù)據(jù)，包括但不限于GNSS 和AIS 信息。讀取完成后，解析這些數(shù)據(jù)并將得到的信息實(shí)時(shí)推送到信息處理線程進(jìn)行進(jìn)一步整合。

（2）信息處理線程。此線程的主要職責(zé)是進(jìn)行串口管理和NMEA 信息整合。它會(huì)接收從串口數(shù)據(jù)處理線程推送過來(lái)的各類NMEA 信息，并根據(jù)預(yù)設(shè)的規(guī)則和算法進(jìn)行信息的整合和融合。

2.2.2 功能實(shí)現(xiàn)

解析算法能快速地從原始NMEA 數(shù)據(jù)中提取關(guān)鍵信息，而高度復(fù)雜的數(shù)據(jù)融合算法則確保了從不同源接收到的數(shù)據(jù)能被智能地整合，從而能提供全面且精確的導(dǎo)航和船舶狀態(tài)信息。

外部信息訪問主要通過gRPC 或其他定制的通信協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)，以便其他業(yè)務(wù)模塊或應(yīng)用方便地訪問和利用這些處理后的NMEA 信息。該模塊在整個(gè)系統(tǒng)中占據(jù)核心地位，是整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)健運(yùn)行的關(guān)鍵，體現(xiàn)在高數(shù)據(jù)處理效能和持續(xù)可用性方面。

2.3 海圖模塊

海圖模塊是用戶交互模塊中的樞紐，具有匯集和整合定位、航向、航速和AIS 信息的功能[9]。這些信息經(jīng)由海圖模塊處理后，將直觀地呈現(xiàn)在用戶界面的海圖上，以便為船舶提供全方位的安全通航信息。該模塊包括兩個(gè)關(guān)鍵線程，即海圖安裝線程和切片線程，如圖3 所示。

海圖安裝線程主要負(fù)責(zé)將系統(tǒng)電子航海圖（SENC）數(shù)據(jù)加載到特定的SENC 數(shù)據(jù)庫(kù)中。盡管SENC 數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)量龐大，但通過切片線程與OpenGL（開放圖形庫(kù)）子集ES，并結(jié)合使用GPU加速優(yōu)化性能。這種設(shè)計(jì)方式顯著提高了圖像渲染效率，實(shí)現(xiàn)了每秒30 幀的顯示性能，從而增強(qiáng)了用戶體驗(yàn)。

切片線程執(zhí)行的是一系列高度優(yōu)化的數(shù)據(jù)處理操作，包括裁剪和瓦片化。在這個(gè)過程中，海圖數(shù)據(jù)首先按照預(yù)設(shè)的規(guī)格被切割成多個(gè)瓦片。每個(gè)瓦片都是經(jīng)過精確裁剪和數(shù)據(jù)抽稀的SENC 海圖小區(qū)域。這些瓦片進(jìn)一步被轉(zhuǎn)換為高效的MBTile 格式并存儲(chǔ)，以便快速加載和渲染。

在圖像渲染方面，模塊采用OpenGL 進(jìn)行圖形繪制[10]。具體而言，各種海圖元素如點(diǎn)、線、面和文字符號(hào)被三角化后，通過特定的著色器程序傳送給GPU 進(jìn)行渲染。這種方法不僅大幅減少了CPU的負(fù)擔(dān)，而且顯著提高了圖像渲染的效率和精度。

海圖模塊的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)突出了其在整個(gè)系統(tǒng)中的核心地位。通過高度優(yōu)化的數(shù)據(jù)處理和高性能的圖像渲染，它在提供安全通航信息方面起到了不可或缺的作用。

3 實(shí)驗(yàn)與評(píng)估

3.1 自主模式測(cè)試與評(píng)估

在自主模式下，執(zhí)行了多項(xiàng)測(cè)試，包括發(fā)射位置報(bào)告、接收頻道A 和頻道B 位置報(bào)告、在臨近時(shí)隙接收以及接收性能測(cè)試。所有測(cè)試都在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境中進(jìn)行，并且待測(cè)設(shè)備（EUT）成功地通過了所有測(cè)試項(xiàng)目。

（1）發(fā)射位置報(bào)告：EUT 成功發(fā)射了超短波數(shù)據(jù)鏈（VDL）消息，與預(yù)期一致。

（2）接收頻道A 和頻道B 位置報(bào)告： EUT 在預(yù)設(shè)時(shí)間段內(nèi)成功接收了從其他設(shè)備發(fā)射的位置報(bào)告，無(wú)任何錯(cuò)誤或延遲。

（3）在臨近時(shí)隙接收： EUT 能夠正確處理在臨近時(shí)隙內(nèi)發(fā)生的數(shù)據(jù)接收，證明了其處理能力和靈活性。

（4）接收性能測(cè)試： 在高負(fù)荷條件下，EUT 依然能夠保持高性能，證實(shí)了其在各種情況下的穩(wěn)定性。

3.2 指派模式測(cè)試與評(píng)估

在指派模式下，對(duì)小組任務(wù)和基站預(yù)留兩個(gè)方面進(jìn)行深入的測(cè)試。

（1）小組任務(wù)：在自主模式下，EUT 能成功接收和執(zhí)行發(fā)射的小組任務(wù)指令消息，結(jié)果符合預(yù)期。

（2）基站預(yù)留：EUT 能準(zhǔn)確地在預(yù)定的時(shí)間段內(nèi)發(fā)射預(yù)留消息，確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

3.3 調(diào)查模式/ 詢問響應(yīng)測(cè)試與評(píng)估

這一部分主要測(cè)試了EUT 對(duì)詢問消息18 和24，以及消息19 的響應(yīng)。

（1）詢問消息18 和24：EUT 成功地響應(yīng)了通過VDL 發(fā)出的詢問消息，并返回了正確的消息18 和24。

（2）消息19 的響應(yīng)：在自主模式下，EUT 成功地響應(yīng)了消息19 的詢問，結(jié)果符合預(yù)期。

4 結(jié)論與展望

本文成功設(shè)計(jì)了一款基于RK3288[3] 的船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)智能船載終端，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。通過對(duì)NMEA 信息服務(wù)模塊、用戶交互模塊及海圖模塊的深入研究與設(shè)計(jì)，得出該系統(tǒng)不僅在技術(shù)層面達(dá)到了高度優(yōu)化，而且在實(shí)用性和用戶體驗(yàn)方面表現(xiàn)出色。值得一提的是，設(shè)備在自主模式、指派模式和調(diào)查模式/ 詢問響應(yīng)下均順利通過了各項(xiàng)功能和性能測(cè)試，充分證明了其可行性和高效性。

未來(lái)仍可在數(shù)據(jù)融合和分析、用戶體驗(yàn)、系統(tǒng)安全性、模塊擴(kuò)展性等多個(gè)方向進(jìn)行深入研究。特別是在系統(tǒng)安全性和模塊擴(kuò)展性方面，有待進(jìn)一步強(qiáng)化，以適應(yīng)更為復(fù)雜和多變的海上環(huán)境。期望通過持續(xù)的優(yōu)化和改進(jìn)，該海洋導(dǎo)航系統(tǒng)能在未來(lái)得到更廣泛的應(yīng)用，并持續(xù)推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新。