CN109714256A - 船联网多通道北斗通信网关系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种船联网多通道北斗通信网关系统，包括一数据汇集模块和一通信控制模块，数据汇集模块包括一数据采集前端、一数据处理子模块、至少一人机接口和至少一北斗通信接口；通信控制模块与数据处理子模块、人机接口和北斗通信接口通信连接，数据采集前端与数据处理子模块通信连接；数据采集前端与至少一船载数据采集设备通信连接；人机接口与至少一上位机通信连接；北斗通信接口与一北斗卫星终端通信连接；北斗卫星终端与北斗卫星导航系统通信连接，北斗卫星导航系统与一岸基调度中心通信连接。本发明的一种船联网多通道北斗通信网关系统，可实现人船岸的实时数据传输，对船舶航行数据实时监控，具有良好的扩展性、灵活性与可移植性。

Description

船联网多通道北斗通信网关系统

技术领域

本发明涉及船联网通信领域，尤其涉及船联网多通道北斗通信网关系统。

背景技术

船联网中对船舶航行信息的实时监控是船舶安全航行的重要保障，随着船载传感器与智能设备种类的增加，数据缺乏有效融合，有价值的数据难以及时传递给工作人员，影响航行安全；负责感知和广播船舶航行信息的船载仪器往往受工作频段与天线高度等因素的限制，通信距离受限，使得监控系统存在盲区，不能很好满足岸基调度中心对远洋船舶进行实时监控的需求。北斗卫星导航系统作为我国自主研制的全球卫星定位与通信系统，通常是无公网覆盖海域实现渔民作业时船-船、船-岸之间通信的唯一方式。但船载传感器与智能设备种类繁多、数据冗杂、难以有效使用北斗通信带宽。

单个单片机的串口通道及处理能力有限，随着船载传感器的增加、通信数据量的增大，单片机难以实现高效的数据处理，且在船舶潮湿、强电磁干扰的航行环境中，难以保证系统运行的可靠性与稳定性。常用串口扩展方法主要有软件模拟和并行口扩展串口两种，软件模拟法可根据串行通信的传送格式，利用定时器和主机的I/O口来模拟串行通信的时序，以达到扩展串口的目的，该方法占用系统资源少、成本低、易于实现，但其采样次数较低，数据的正确性难以保证，不能模拟过高的波特率，并会占用较多的软件资源；并行口扩展串口方法的功能比较强大，能提供通信控制信号、通信速度高，但控制复杂，占用MCU的端口资源较多，同时价格也较高。

发明内容

针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种船联网多通道北斗通信网关系统，以可扩展多串口的MC8051 IP核为核心，实现人船岸的实时数据传输，对船舶航行数据实时监控，具有良好的扩展性、灵活性与可移植性，为多种船载传感器数据借助于北斗通信融入船联网提供解决方案。

为了实现上述目的，本发明提供一种船联网多通道北斗通信网关系统，包括一数据汇集模块和一通信控制模块，所述数据汇集模块包括一数据采集前端、一数据处理子模块、至少一人机接口和至少一北斗通信接口；所述通信控制模块与所述数据处理子模块、所述人机接口和所述北斗通信接口通信连接，所述数据采集前端与所述数据处理子模块通信连接；所述数据采集前端与至少一船载数据采集设备通信连接；所述人机接口与至少一上位机通信连接；所述北斗通信接口与一北斗卫星终端通信连接；所述北斗卫星终端与北斗卫星导航系统通信连接，所述北斗卫星导航系统与一岸基调度中心通信连接。

优选地，所述船载数据采集设备包括船载AIS和柴油机监控仪。

优选地，所述通信控制模块用于对所述数据采集前端、所述人机接口和所述北斗通信接口的通信数据进行解析、提取目的通信端口信息和完成通信数据的分发，所述通信控制模块基于FPGA。

优选地，所述人机接口用于与所述上位机通信；所述上位机用于实现作业信息的集中监控和交互。

优选地，所述数据采集前端用于对船载数据采集设备进行数据实时数据采集，并将采集的数据发送至所述数据处理子模块进行数据预处理，以及接收来自所述上位机和所述北斗卫星终端的信息查询指令。

优选地，所述北斗通信接口用于与所述北斗卫星终端通信根据所述上位机的指令完成所需的卫星数据的查询和采集，实现船与船之间，或船与岸之间的交互。

优选地，所述数据汇集模块和所述通信控制模块基于MC8051 IP核，所述MC8051IP核包括256个扩展串口。

优选地，所述MC8051 IP核中将所述扩展串口中已连接扩展设备的所述扩展串口的中断信号采用逻辑或的方式联结。

优选地，所述MC8051 IP核还包括一特殊功能存储器，所述特殊功能存储器内存储有一串口中断标志存储单元，所述串口中断标志存储单元用于保存所述扩展串口的所述中断信号的标示信息。

优选地，所述北斗卫星终端与所述北斗通信接口之间、所述人机接口与所述上位机之间和所述船载数据采集设备与所述数据采集前端之间通过RS232串口通信连接。

本发明由于采用了以上技术方案，使其具有以下有益效果：

通过数据采集前端、数据处理子模块、上位机、船载数据采集设备和北斗卫星终端的配合，实现了船舶感知端、上位机和岸基调度中心信息的交互；实现人船岸的实时数据传输，对船舶航行数据实时监控，为多种船载传感器数据借助于北斗通信融入船联网提供解决方案。北斗卫星终端完成船载数据采集设备和上位机数据的转发，实现人船岸的无盲区通信。通信控制模块用于对数据采集前端、人机接口和北斗通信接口的数据传输进行解析控制，使基于MCU软核的多串口网关能够有序地传输数据。通信控制模块基于FPGA，可利用FPGA的灵活性将IP核时钟频率根据单片机晶振频率按比例提高，在有多个串行数据接口进行通信时，可有效增强了网关对信息的处理速率，提高了系统的稳定性。MC8051 IP核中将扩展串口中已连接扩展设备的扩展串口的中断信号采用逻辑或的方式联结，输出新的触发串口中断的信号，从而可实现多串口的即时中断机制，保证了MCU软核对多串口数据传输的实时性。串口中断标志存储单元的采用使得能够获取发生串口中断的串口号。数据汇集模块和通信控制模块基于MC8051 IP核，MC8051 IP核包括256个扩展串口；保证了系统工作的稳定性，可以根据实际需要对串行通信接口进行扩展；具有良好的扩展性、灵活性与可移植性。

附图说明

图1为本发明实施例的船联网多通道北斗通信网关系统的结构示意图；

图2为本发明实施例的MC8051 IP核串口扩展与控制结构示意图；

图3为本发明实施例的即时中断原理图。

具体实施方式

下面根据附图1～图3，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述，使能更好地理解本发明的功能、特点。

请参阅图1～图3，本发明实施例的一种船联网多通道北斗通信网关系统，包括一数据汇集模块1和一通信控制模块2，数据汇集模块1包括一数据采集前端11、一数据处理子模块12、至少一人机接口13和至少一北斗通信接口14；通信控制模块2与数据处理子模块12、人机接口13和北斗通信接口14通信连接，数据采集前端11与数据处理子模块12通信连接；数据采集前端11与至少一船载数据采集设备3通信连接；人机接口13与至少一上位机4通信连接；北斗通信接口14与一北斗卫星终端5通信连接；北斗卫星终端5与北斗卫星导航系统6通信连接，北斗卫星导航系统6与一岸基调度中心7通信连接。

本实施例中，北斗卫星终端5连接北斗天线，并通过北斗天线与北斗卫星导航系统6通信连接，北斗天线可设置于船舱顶部。上位机4为通用PC机，工作电压为AC220V。

还包括至少一船载通信设备，船载通信设备与通信控制模块2通信连接，包括北斗手持通信设备，用于船舶工作人员实时接收与发送相关通信信息。

其中，船载数据采集设备3包括船载AIS31(船舶自动识别系统)和柴油机监控仪32。

通信控制模块2用于对数据采集前端11、人机接口13和北斗通信接口14的通信数据进行解析、提取目的通信端口信息和完成通信数据的分发，按比例提高系统时钟频率，提高数据传输吞吐率。

由于数据采集前端11采集到船舶感知数据是保障船舶安全航行的重要依据，通信控制模块2仅对数据采集前端11发出的数据按相应报文格式进行封装，同时发至人机接口13和北斗通信接口14。

本实施例中，通信控制模块2基于FPGA，以FPGA开发板作为载体，可选用Altera公司的型号为CycloneⅣEP4CE6E22C8N的FPGA开发板，板载晶振频率为50MHz，按比例提高时钟频率最大可取到44.2368MHz。

通信控制模块2基于FPGA，可利用FPGA的灵活性将IP核时钟频率根据单片机晶振频率按比例提高，精准填充TH1和TL1初始值，其中TH1和TL1分别指的是单片机中定时器的Timer寄存器的高八位，低八位；有效增强了网关对信息的处理速率，提高了系统的稳定性。

本实施例中，通信控制模块2对人机接口13和北斗通信接口14数据解析分发，起始状态为监听状态，收到人机接口13或北斗通信接口14发出数据后，进入到数据解析状态，对数据进行解析，根据解析出的数据内容进行信息的分发，以收到人机接口13数据为例，若是船舶作业人员的相关作业信息，则将数据发送至北斗通信接口14，利用北斗卫星终端5把数据传回岸基调度中心7，若是感知信息查询命令，则将数据发送至数据采集前端完成相应数据的采集。同时，通信控制模块2会对发送数据进行检测，若检测到数据的结束符完成数据的发送，则再次进入数据的监听状态，等待数据的传输。

人机接口13用于与上位机4通信；上位机4用于实现作业信息的集中监控和交互。

作业人员通过上位机4对船载AIS31及柴油机监控仪32数据进行集中监控，并将必要的相关作业数据发送至北斗通信终端5等设备，以实现作业及与岸基调度中心的信息交互。

数据采集前端11用于对船载数据采集设备3进行数据实时数据采集，并将采集的数据发送至数据处理子模块12进行数据预处理，以及接收来自上位机4和北斗卫星终端5的信息查询指令。

北斗通信接口14用于与北斗卫星终端5通信根据上位机4的指令完成所需的卫星数据的查询和采集，实现船与船之间，或船与岸之间的交互。

本实施例中，北斗通信接口14通过北斗卫星通信终端5完成必要的数据采集前端11数据与上位机4作业信息的远程传输，同时下发岸基调度中心7相关作业命令和船舶航行信息查询命令，完成船与船、船与岸之间的信息交互。

数据汇集模块1和通信控制模块2基于MC8051 IP核，MC8051 IP核包括256个扩展串口。

本实施例中，采用Oregano Systems公司的MC8051 IP核，该IP核与MSC-51系列微处理器指令集完全兼容。

MC8051 IP核中将扩展串口中已连接扩展设备的扩展串口的中断信号采用逻辑或的方式联结，输出新的触发串口中断的信号，从而可实现多串口的即时中断机制，替代原IP核轮询查询串口中断的方式，采用这种方式，当扩展串口中有任意一个或多个串口接收到数据，都会即时触发串口中断，保证了MCU软核对多串口数据传输的实时性。

MC8051 IP核还包括一特殊功能存储器，特殊功能存储器内存储有一串口中断标志存储单元，串口中断标志存储单元用于保存扩展串口的中断信号的标示信息。

串口中断标志存储单元的采用使得能够获取发生串口中断的串口号，例如可设置一SFR组--RI_flag(0…31)，当扩展的串口单元在接收数据时，将每8个串口单元的接收中断标志位存放至一个RI_flag特殊功能寄存器中，当检测到有串口中断发生并进入中断子程序时，可通过查询相应RI_flag特殊功能寄存器中的值，找到发生接收中断的串口单元，如扩展8个串口时，若特殊功能寄存器Ri_flag(0)中的值为0x04则表示第三个串口(从第0个串口开始计数)发生了接收中断，则可进入到相应的处理程序中。RI_flag特殊功能寄存器可根据扩展串口单元的情况进行选择用户可用的SFR，如地址为0x9B等。

北斗卫星终端5与北斗通信接口14之间、人机接口13与上位机4之间和船载数据采集设备3与数据采集前端11之间通过RS232串口8通信连接。

以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种船联网多通道北斗通信网关系统，其特征在于，包括一数据汇集模块和一通信控制模块，所述数据汇集模块包括一数据采集前端、一数据处理子模块、至少一人机接口和至少一北斗通信接口；所述通信控制模块与所述数据处理子模块、所述人机接口和所述北斗通信接口通信连接，所述数据采集前端与所述数据处理子模块通信连接；所述数据采集前端与至少一船载数据采集设备通信连接；所述人机接口与至少一上位机通信连接；所述北斗通信接口与一北斗卫星终端通信连接；所述北斗卫星终端与北斗卫星导航系统通信连接，所述北斗卫星导航系统与一岸基调度中心通信连接。

2.根据权利要求1所述的船联网多通道北斗通信网关系统，其特征在于，所述船载数据采集设备包括船载AIS和柴油机监控仪。

3.根据权利要求2所述的船联网多通道北斗通信网关系统，其特征在于，所述通信控制模块用于对所述数据采集前端、所述人机接口和所述北斗通信接口的通信数据进行解析、提取目的通信端口信息和完成通信数据的分发，所述通信控制模块基于FPGA。

4.根据权利要求3所述的船联网多通道北斗通信网关系统，其特征在于，所述人机接口用于与所述上位机通信；所述上位机用于实现作业信息的集中监控和交互。

5.根据权利要求4所述的船联网多通道北斗通信网关系统，其特征在于，所述数据采集前端用于对船载数据采集设备进行数据实时数据采集，并将采集的数据发送至所述数据处理子模块进行数据预处理，以及接收来自所述上位机和所述北斗卫星终端的信息查询指令。

6.根据权利要求5所述的船联网多通道北斗通信网关系统，其特征在于，所述北斗通信接口用于与所述北斗卫星终端通信根据所述上位机的指令完成所需的卫星数据的查询和采集，实现船与船之间，或船与岸之间的交互。

7.根据权利要求1～6任一项所述的船联网多通道北斗通信网关系统，其特征在于，所述数据汇集模块和所述通信控制模块基于MC8051IP核，所述MC8051IP核包括256个扩展串口。

8.根据权利要求7所述的船联网多通道北斗通信网关系统，其特征在于，所述MC8051IP核中将所述扩展串口中已连接扩展设备的所述扩展串口的中断信号采用逻辑或的方式联结。

9.根据权利要求8所述的船联网多通道北斗通信网关系统，其特征在于，所述MC8051IP核还包括一特殊功能存储器，所述特殊功能存储器内存储有一串口中断标志存储单元，所述串口中断标志存储单元用于保存所述扩展串口的所述中断信号的标示信息。

10.根据权利要求9所述的船联网多通道北斗通信网关系统，其特征在于，所述北斗卫星终端与所述北斗通信接口之间、所述人机接口与所述上位机之间和所述船载数据采集设备与所述数据采集前端之间通过RS232串口通信连接。