CN118337879A - 基于autbus总线的智能船舶数据采集系统 - Google Patents

Abstract

基于AUTBUS总线的智能船舶数据采集系统，系统包括数据采集、数据传输、数据缓存和数据分发四个部分；在数据采集部分，使用AUTBUS协议转换装置TN将采集设备挂载到AUTBUS总线；在数据传输部分，AUTBUS协议转换装置TN接收来自各类型采集设备发送的不同格式数据，对不同类型的数据进行协议转换，转换为AUTBUS数据帧格式并加密。实现不同厂商生产的工业采集设备之间的无缝连接，提高生产效率和降低维护成本，保证了采集设备的数据在传输过程中的稳定性与安全性；船舶数据采集系统主动向集成平台服务器发送数据，可以满足船舶集成平台智能应用的数据需求。

Description

基于AUTBUS总线的智能船舶数据采集系统

技术领域

本发明涉及船舶通信技术领域，具体涉及一种基于AUTBUS总线的智能船舶数据采集系统。

背景技术

全球航运业正迅速朝着船舶智能化的方向发展。智能船舶充分利用传感、通信和信息技术，实现航行系统、设备运行和货物管理等功能的智能化，逐渐实现了信息与实体智能的融合。

智能船舶涵盖了多种智能应用，例如智能导航、智能船体和智能能源管理。这些应用需要获取船舶状态数据以确保正常运行。然而，目前采用的方法存在一些挑战，各个智能应用需要自行采集船用传感器的数据，导致数据采集系统大量重复建设，并且无法满足多个智能应用同时进行数据采集的需求。

此外，随着船舶底层设备的增加，不同厂家的设备接口各异，各种类型的采集设备都需要转换为标准采集模块。这一情况可能给数据采集系统带来一系列问题。

（1）由于不同厂商和设备采用的各异接口和协议，系统难以实现无缝协同工作，增加了集成的难度，可能导致互操作性问题。

（2）随着接口和协议数量的增加，系统整体复杂性上升，对于开发、维护和管理构成了巨大的挑战，同时也增加了系统设计和管理的成本。

（3）在船体较大时，增加采集设备可能需要独立增加网线进行连接，受到距离限制。中途可能需要增加级联交换机或通过光纤进行部署，导致网络结构复杂，交换机成本较高。在实际施工过程中，由于距离问题，可能需要部署多台交换机。

因此，构建一个智能船舶数据采集系统成为了当务之急。通过智能船舶数据采集系统，所有设备厂家的设备都可以无缝动态加入整个船舶系统，而无需再考虑设备接口问题，降低了开发、维护、管理难度与成本。智能船舶数据采集系统主动向智能应用发送船舶状态数据，可以同时满足多个智能应用的需求，避免了多个智能应用同时采集数据发生抢占的情况。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于AUTBUS总线的智能船舶数据采集系统，解决当船舶采集设备过多，采用的接口和协议各不相同时，系统难以实现无缝协同工作，维护成本高、开发难度大等问题；能够实现不同厂商生产的工业设备之间的无缝连接，提高生产效率和降低维护成本，保证了采集设备的数据在传输过程中的稳定性与安全性；同时，智能船舶数据采集系统主动向智能应用发送船舶状态数据，可以同时满足多个智能应用的数据需求，避免了多个智能应用同时采集数据发生抢占的情况。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

基于AUTBUS总线的智能船舶数据采集系统，系统包括数据采集、数据传输、数据缓存和数据分发四个部分；

在数据采集部分，使用AUTBUS协议转换装置TN将采集设备挂载至AUTBUS总线；在总线两端使用匹配电阻进行阻抗匹配；或者采用环形连接方式进行挂载；采用何种挂载形式根据系统的通讯距离而定；

在数据传输部分，AUTBUS协议转换装置TN接收来自各类型采集设备发送的不同格式数据，对不同类型的数据进行协议转换，转换为AUTBUS数据帧格式，然后再利用Sm4-CTR加密算法对这些数据进行加密，再通过AUTBUS通信单元发送至AUTBUS总线；在AUTBUS协议转换装置CN接收到AUTBUS总线数据时，先对数据进行解析，得到数据加密类型、数据长度、补齐长度、源节点标识和目标节点标识，Sm4-CTR解密单元根据解析数据对数据进行解密，将解密之后的数据发送给协议转换单元，转换为Ethernet数据格式后，发送给数据分发装置。

在数据缓存部分，数据分发装置接收到Ethernet数据格式之后，首先由数据校验单元进行校验，校验完成之后，发送缓存单元，等待分发单元读取数据。

在数据分发部分，数据分发装置的分发单元获取服务器的数据需求信息，对需求信息进行分析，根据分析结果读取缓存单元的数据，将数据发送至服务器。

上述的数据缓存部分，当数据校验单元接收到数据之后，首先会对数据进行校验，判断是否存在某一路的采集设备因故障或其它原因缺失数据的情况；若存在，则将该路的数据用警告信号进行填充；若不存在，则直接将数据转发到缓存单元进行储存。

上述的数据分发部分包含数据分发装置，数据分发装置由数据校验单元、缓存单元、数据分发单元构成；通过数据分发单元，获取船舶集成平台服务器的数据需求信息，并对数据需求信息进行分析，根据分析结果从缓存单元中读取数据，再将数据发送至船舶集成平台的服务器。

上述的AUTBUS协议转换装置TN，由协议转换单元、Sm4-CTR加密单元、AUTBUS通信单元构成。

上述的AUTBUS协议转换装置TN的协议转换单元，接收到采集设备的数据之后，首先进行帧格式转换，将原始数据帧转换为AUTBUS数据帧格式；然后进行优先级转换，将原始数据的优先级与AUTBUS数据类型优先级进行映射；然后流识别转换；最后进行地址转换，将AUTBUS地址与TSN地址进行一一映射。

上述的Sm4-CTR加密单元，利用Sm4-CTR算法进行加密；在AUTBUS数据帧中添加头信息；

头信息包括数据加密类型、数据长度、补齐长度、源节点标识和目标节点标识；其中，数据加密类型用于指示数据帧的加密类型;数据长度用于指示所述数据帧中的传输数据的长度；补齐长度用于在所述数据加密类型为分组加密数据的情况下，指示用于补齐的无效数据的字节数加密完成之后，利用AUTBUS通信单元将数据发送至AUTBUS总线。

上述的AUTBUS协议转换装置CN，由AUTBUS通信单元、解析单元、Sm4-CTR解密单元、协议转换单元构成；

AUTBUS通信单元接收AUTBUS总线上的数据，然后将数据发送给解析单元进行解析，解析单元对数据帧的头信息进行解析，得到数据加密类型、数据长度、补齐长度、源节点标识和目标节点标识，然后将数据发送给解密单元进行解密.使用Sm4-CTR算法进行解密，在所述目标节点标识与本节点的节点标识一致的情况下，根据所述数据加密类型、所述数据长度和所述补齐长度对所述数据帧中的传输数据进行解密处理，解密完成之后发送给协议转换单元。

本发明提供的一种基于AUTBUS总线的智能船舶数据采集系统，与现有技术相比，具有如下有益效果：

1、能够实现不同厂商生产的工业设备之间的无缝连接，提高生产效率和降低维护成本。

2、保证了采集设备的数据在传输过程中的稳定性与安全性。

3、当采集设备出现故障没有数据时，智能应用将读取到警告信息。

4、智能船舶数据采集系统主动向智能应用发送船舶状态数据，可以同时满足多个智能应用的需求，避免了多个智能应用同时采集数据发生抢占的情况。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1是本发明提供的一种应用于智能船舶集成平台的AUTBUS总线的船舶数据采集系统的结构框图。

图2是本发明提供的一种应用于智能船舶集成平台的AUTBUS总线的船舶数据采集系统的建设架构框图。

图3是本发明提供的一种AUTBUS协议转换装置TN框图。

图4是本发明提供的AUTBUS协议转换装置TN的流程图。

图5是本发明提供的一种AUTBUS协议转换装置CN框图。

图6是本发明提供的AUTBUS协议转换装置CN的流程图。

图7是本发明提供的一种数据分发装置的框图。

图8是本发明提供的数据分发装置的流程图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例详细说明本发明技术方案。

基于AUTBUS总线的智能船舶数据采集系统，系统包括数据采集、数据传输、数据缓存和数据分发四个部分；

在数据采集部分，使用AUTBUS总线对数据采集设备进行组网；将采集设备利用AUTBUS协议转换装置TN挂载到AUTBUS总线；采集设备包括各种船舶传感器、摄像头等，采集设备涉及到的接口可能包括CAN、RS485、RS232、RS22等，涉及到的协议包括Modbus Rtu、OPCDA、串口自定义、CAN open等；在通信距离达到500米或以上，传输带宽100Mbps时，采集设备使用总线方式进行挂载，在总线两端使用匹配电阻进行阻抗匹配；或者采用环形连接方式进行挂载；采用何种挂载形式根据系统的通讯距离而定；

在数据传输部分，AUTBUS协议转换装置TN接收来自各类型采集设备发送的不同格式数据，对不同类型的数据进行协议转换，转换为AUTBUS数据帧格式，然后再利用Sm4-CTR加密算法对这些数据进行加密，再通过AUTBUS通信单元发送至AUTBUS总线；在AUTBUS协议转换装置CN接收到AUTBUS总线数据时，先对数据进行解析，得到数据加密类型、数据长度、补齐长度、源节点标识和目标节点标识，Sm4-CTR解密单元根据解析数据对数据进行解密，将解密之后的数据发送给协议转换单元，转换为Ethernet数据格式后，发送给数据分发装置。

在数据缓存部分，数据分发装置接收到Ethernet数据格式之后，首先由数据校验单元进行校验，校验完成之后，发送缓存单元，等待分发单元读取数据。

在数据分发部分，数据分发装置的分发单元获取服务器的数据需求信息，对需求信息进行分析，根据分析结果读取缓存单元的数据，将数据发送至服务器。

上述的数据缓存部分，当数据校验单元接收到数据之后，首先会对数据进行校验，判断是否存在某一路的采集设备因故障或其它原因缺失数据的情况；若存在，则将该路的数据用警告信号进行填充；若不存在，则直接将数据转发到缓存单元进行储存。

上述的数据分发部分包含数据分发装置，数据分发装置由数据校验单元、缓存单元、数据分发单元构成；通过数据分发单元，获取船舶集成平台服务器的数据需求信息，并对数据需求信息进行分析，根据分析结果从缓存单元中读取数据，再将数据发送至船舶集成平台的服务器。

上述的AUTBUS协议转换装置TN，由协议转换单元、Sm4-CTR加密单元、AUTBUS通信单元构成。

上述的AUTBUS协议转换装置TN，接收到采集设备的数据之后，将数据发送给协议转换单元；协议转换单元首先进行帧格式转换，将原始数据帧转换为AUTBUS数据帧格式；然后进行优先级转换，将原始数据的优先级与AUTBUS数据类型优先级进行映射，保证AUTBUS数据流在转换之后的特性；然后流识别转换，保证数据在跨网过程中唯一性；最后进行地址转换，将AUTBUS地址与TSN地址进行一一映射，保证网络节点可以正常访问AUTBUS总线网络。

上述的Sm4-CTR加密单元，利用Sm4-CTR算法进行加密；在AUTBUS数据帧中添加头信息；

头信息包括数据加密类型、数据长度、补齐长度、源节点标识和目标节点标识；其中，数据加密类型用于指示数据帧的加密类型;数据长度用于指示所述数据帧中的传输数据的长度；补齐长度用于在所述数据加密类型为分组加密数据的情况下，指示用于补齐的无效数据的字节数加密完成之后，利用AUTBUS通信单元将数据发送至AUTBUS总线。

上述的AUTBUS协议转换装置CN，由AUTBUS通信单元、解析单元、Sm4-CTR解密单元、协议转换单元构成；

AUTBUS通信单元接收AUTBUS总线上的数据，然后将数据发送给解析单元进行解析，解析单元对数据帧的头信息进行解析，得到数据加密类型、数据长度、补齐长度、源节点标识和目标节点标识，然后将数据发送给解密单元进行解密；使用Sm4-CTR算法进行解密，在所述目标节点标识与本节点的节点标识一致的情况下，根据所述数据加密类型、所述数据长度和所述补齐长度对所述数据帧中的传输数据进行解密处理，解密完成之后发送给协议转换单元。

如图1，是本发明提供的一种应用于智能船舶集成平台的AUTBUS总线的船舶数据采集系统的结构框图；由信息展现、信息应用、数据整合、数据资源、数据采集构成；智能集成平台利用AUTBUS总线船舶数据采集系统获取船舶状态数据，并将其转化为符合 OPC UA统一标准的数据，通过以太网将OPC UA 格式的数据发送至系统基础平台，保存在集群数据库中；系统管理员及系统用户可以在船上任何地点通过访问不同虚拟机及安装在虚拟机中的应用软件实现监测底层设备数据、控制底层设备等功能；利用虚拟化技术，可以实现资源利用率的最大化，增强用户体验。

如图2，是本发明提供的一种应用于智能船舶集成平台的AUTBUS总线的船舶数据采集系统的建设架构框图，主要由采集设备、AUTBUS协议转换装置TN、AUTBUS总线、AUTBUS协议转换装置CN、数据分发装置构成；基于AUTBUS总线的数据采集系统应用于智能船舶集成平台，数据采集系统需要为集成平台的智能应用提供船舶状态数据，以维持船舶的正常运行。

采集设备通过AUTBUS协议转换装置TN挂载到AUTBUS总线，在对采集设备与数据接收单元进行组网时，有两种组网方式，若通信距离超过500m时，需要使用AUTBUS总线方式对采集设备与数据接收单元进行组网，在总线两端使用匹配电阻进行阻抗匹配；首先，在船舶的弱电管道部署AUTBUS总线，双线制，包含ATB+，ATB-；将船舶的采集设备数据输出端连接上AUTBUS协议转换装置TN，AUTBUS协议转换装置TN采用KY3001 SOC；再将AUTBUS协议转换装置TN输出端ATB+、ATB-与管道内的AUTBUS总线ATB+、ATB-连接，所有AUTBUS协议转换装置TN均作为从节点TN连接在AUTBUS总线上，AUTBUS协议转换装置CN作为控制节点连接在AUTBUS总线上；采集设备包括各种船舶传感器、摄像头等，采集设备涉及到的接口可能包括CAN、RS485、RS232、RS22等，涉及到的协议包括Modbus Rtu、OPC DA、串口自定义、CAN 、Ethernet等。

若通信距离小于500m，则使用环形结构进行组网，在AUTBUS总线中，AUTBUS协议转换装置CN为控制节点；AUTBUS协议转换装置TN对采集设备的数据进行协议转换，转换为AUTBUS数据并对数据进行Sm4-CTR加密，再发送至AUTBUS总线；AUTBUS协议转换装置CN接收到数据之后，首先对数据进行解析，然后进行对数据进行解密，解密后的数据发送至协议转换单元，转换为Ethernet格式数据，然后发送给数据分发装置的数据校验单元；数据校验单元先对数据进行校验，若存在某一路数据缺失，则将该路数据填充警告信息，再发送给缓存单元进行存储；若不存在则直接发送给缓存单元对数据进行存储。

数据分发单元在接收到船舶集成平台服务器的数据需求信息之后，对数据需求信息进行处理，根据数据需求信息，从缓存单元中读取需要的数据并发送至船舶集成平台的服务器。

如图3，是AUTBUS协议转换装置TN功能框图，由协议转换单元、Sm4-CTR加密单元、AUTBUS通信单元构成；通信单元接收到采集设备的数据之后，将数据发送给协议转换单元；协议转换单元首先进行帧格式转换，将原始数据帧转换为AUTBUS数据帧格式；然后进行优先级转换，将原始数据的优先级与AUTBUS数据类型优先级进行映射，保证AUTBUS数据流在转换之后的特性；流识别转换，保证数据在跨网过程中唯一性；最后进行地址转换，将AUTBUS地址与TSN地址进行一一映射，保证网络节点可以正常访问AUTBUS总线网络。

再利用Sm4-CTR算法进行加密；在AUTBUS数据帧中添加头信息;所述头信息包括数据加密类型、数据长度、补齐长度、源节点标识和目标节点标识；其中，数据加密类型用于指示数据帧的加密类型;数据长度用于指示所述数据帧中的传输数据的长度;补齐长度用于在所述数据加密类型为分组加密数据的情况下，指示用于补齐的无效数据的字节数加密完成之后，利用AUTBUS通信单元将数据发送至AUTBUS总线。

如图4，是AUTBUS协议转换装置TN的流程图。

在S110中，采集设备将采集到的数据传输至协议转换单元。

在S120中，由协议转换单元将来自采集设备的数据转换为AUTBUS数据。

在S130中，由Sm4-CTR加密单元对AUTBUS数据进行加密。

在S140中，由AUTBUS通信单元将加密之后的数据发送至AUTBUS总线。

如图5，是AUTBUS协议转换装置CN结构框图，由AUTBUS通信单元、解析单元、SM4-CTR解密单元、协议转换单元构成；AUTBUS通信单元接收AUTBUS总线上的数据，然后将数据发送给解析单元进行解析，解析单元对数据帧的头信息进行解析，得到数据加密类型、数据长度、补齐长度、源节点标识和目标节点标识，然后将数据发送给解密单元进行解密.使用Sm4-CTR算法进行解密，在所述目标节点标识与本节点的节点标识一致的情况下，根据所述数据加密类型、所述数据长度和所述补齐长度对所述数据帧中的传输数据进行解密处理，解密完成之后发送给协议转换单元，由协议转换的单元，转换为Ethernet格式数据，发送给数据分发装置。

如图6，是AUTBUS协议转换装置CN的流程图。

在S210中，AUTBUS通信单元接收来自AUTBUS总线的数据。

在S220中，解析模块对所述数据帧的头信息进行解析，得到数据加密类型、数据长度、补齐长度、源节点标识和目标节点标识等信息。

在S230中，根据解析得到的数据加密类型、数据长度和补齐长度对数据进行解密处理。

在S240中，将解密之后的数据发送至协议转换单元。

在S250中，协议转换单元将数据转换为Ethernet数据发送至数据分发装置。

如图7，是数据分发装置的结构图，由数据校验单元、缓存单元、数据分发单元构成；数据分发装置接收到数据之后，将数据发送给数据校验单元，当数据校验单元接收到数据之后，首先会对数据进行校验，判断是否存在某一路的采集设备因故障或其它原因缺失数据的情况；若存在，则将该路的数据用警告信号进行填充，然后将数据转发到缓存单元进行储存；若不存在，则直接将数据转发到缓存单元进行储存。

数据分发装置的数据分发单元获取船舶集成平台服务器的数据需求信息，对数据需求信息进行分析，根据分析结果，从缓存单元中读取数据，再将数据转发给船舶集成平台的服务器。

如图8，是数据分发装置流程图。

在S310中，数据分发单元获取服务器的数据需求信息。

在S320中，对数据需求信息进行处理并根据结果从缓存单元读取所需数据。

在S330中，数据分发单元将读取到的数据发送至船舶集成平台服务器。

Claims (7)

1.基于AUTBUS总线的智能船舶数据采集系统，其特征在于，系统包括数据采集、数据传输、数据缓存和数据分发四个部分；

在数据采集部分，使用AUTBUS协议转换装置TN将采集设备挂载至AUTBUS总线；在总线两端使用匹配电阻进行阻抗匹配；或者采用环形连接方式进行挂载；采用何种挂载形式根据系统的通讯距离而定；

在数据传输部分，AUTBUS协议转换装置TN接收来自各类型采集设备发送的不同格式数据，对不同类型的数据进行协议转换，转换为AUTBUS数据帧格式，然后再利用Sm4-CTR加密算法对这些数据进行加密，再通过AUTBUS通信单元发送至AUTBUS总线；在AUTBUS协议转换装置CN接收到AUTBUS总线数据时，先对数据进行解析，得到数据加密类型、数据长度、补齐长度、源节点标识和目标节点标识，Sm4-CTR解密单元根据解析数据对数据进行解密，将解密之后的数据发送给协议转换单元，转换为Ethernet数据格式后，发送给数据分发装置。

在数据缓存部分，数据分发装置接收到Ethernet数据格式之后，首先由数据校验单元进行校验，校验完成之后，发送缓存单元，等待分发单元读取数据。

在数据分发部分，数据分发装置的分发单元获取服务器的数据需求信息，对需求信息进行分析，根据分析结果读取缓存单元的数据，将数据发送至服务器。

2.根据权利要求1所述的基于AUTBUS总线的智能船舶数据采集系统，其特征在于，所述的数据缓存部分，当数据校验单元接收到数据之后，首先会对数据进行校验，判断是否存在某一路的采集设备因故障或其它原因缺失数据的情况；若存在，则将该路的数据用警告信号进行填充；若不存在，则直接将数据转发到缓存单元进行储存。

3.根据权利要求2所述的基于AUTBUS总线的智能船舶数据采集系统，其特征在于，所述的数据分发部分包含数据分发装置，数据分发装置由数据校验单元、缓存单元、数据分发单元构成；通过数据分发单元，获取船舶集成平台服务器的数据需求信息，并对数据需求信息进行分析，根据分析结果从缓存单元中读取数据，再将数据发送至船舶集成平台的服务器。

4.根据权利要求3所述的基于AUTBUS总线的智能船舶数据采集系统，其特征在于，所述的AUTBUS协议转换装置TN，由协议转换单元、Sm4-CTR加密单元、AUTBUS通信单元构成。

5.根据权利要求4所述的基于AUTBUS总线的智能船舶数据采集系统，其特征在于，所述的AUTBUS协议转换装置TN的协议转换单元，接收到采集设备的数据之后，首先进行帧格式转换，将原始数据帧转换为AUTBUS数据帧格式；然后进行优先级转换，将原始数据的优先级与AUTBUS数据类型优先级进行映射；然后流识别转换；最后进行地址转换，将AUTBUS地址与TSN地址进行一一映射。

6.根据权利要求5所述的基于AUTBUS总线的智能船舶数据采集系统，其特征在于，所述的Sm4-CTR加密单元，利用Sm4-CTR算法进行加密；在AUTBUS数据帧中添加头信息；

头信息包括数据加密类型、数据长度、补齐长度、源节点标识和目标节点标识；其中，数据加密类型用于指示数据帧的加密类型;数据长度用于指示所述数据帧中的传输数据的长度；补齐长度用于在所述数据加密类型为分组加密数据的情况下，指示用于补齐的无效数据的字节数加密完成之后，利用AUTBUS通信单元将数据发送至AUTBUS总线。

7.根据权利要求6所述的基于AUTBUS总线的智能船舶数据采集系统，其特征在于，所述的AUTBUS协议转换装置CN，由AUTBUS通信单元、解析单元、Sm4-CTR解密单元、协议转换单元构成；

AUTBUS通信单元接收AUTBUS总线上的数据，然后将数据发送给解析单元进行解析，解析单元对数据帧的头信息进行解析，得到数据加密类型、数据长度、补齐长度、源节点标识和目标节点标识，然后将数据发送给解密单元进行解密.使用Sm4-CTR算法进行解密，在所述目标节点标识与本节点的节点标识一致的情况下，根据所述数据加密类型、所述数据长度和所述补齐长度对所述数据帧中的传输数据进行解密处理，解密完成之后发送给协议转换单元。