CN214014534U - 一种船联网数据采集和通信系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种船联网数据采集和通信系统，属于船联网技术领域。包括一个主节点控制器和若干个从节点控制器，所述主节点控制器包括单片机最小系统模块、存储器模块、ZIGBEE模块、RS232模块、CAN模块、网口模块、电源模块、报警模块和LCD显示模组接口；所述从节点控制器包括单片机最小系统模块、ZIGBEE模块、CAN模块、报警模块、传感器通信模块或A/D采样模块、网口模块和电源模块；所述主节点控制器通过CAN、ZIGBEE或以太网通信方式中的一种或多种组合与从节点控制器组网通信。本实用新型传感器布置简单，数据传输稳定，通信方式选择灵活，适用于船舶周围环境数据及运行状态数据的采集和监控。

Description

一种船联网数据采集和通信系统

技术领域

本实用新型涉及船联网技术领域，特别涉及船联网数据采集和通信系统。

背景技术

在信息化的大趋势下，船联网以船舶、航道、岸端设施为基本节点和信息源，结合具有卫星定位系统、无线通信技术的船载智能信息服务，利用船载电子传感装置，通过网络完成信息交换。船联网主要有传感器、岸端设施和船舶三个要素，传感器采集船舶与航道信息，岸端设施发布航道信息，为船舶提供接入服务，数据是船联网的中心，目前，船联网数据处理和通信方面的研究已经取得了一定的成果，如中国专利申请号201921629700.1公开了一种船舶用数据管理主机，用于对数据采集装置采集数据的处理、管理和上传；如中国专利申请号201720942995.2公开了一种智慧海洋无线船联网系统，包括若干个船舶终端、基站云服务器和客户端，船舶终端包括北斗与GPS定位模块、控制板、油量传感器、吃水水位传感器、运行状态传感器、显示屏和信息输入模块，运行状态传感器用于检测船舶的实时运行状态，包括电子指南针、加速度和陀螺仪，客户端通过互联网与基站云服务器通信连接，能够及时掌握船船舶的动态信息及船舶设备运行状态；如中国专利申请号201711403346.6公开了一种船联网应用支撑平台，包括船端数据采集与处理中心、船岸通信中心、岸基应用支撑平台和岸端应用中心，对远洋船舶航行安全、油耗管理等起到了重要作用，有效地降低了运输成本和风险，有力的支撑远洋船舶和货物管理业务的运行和发展；如中国专利申请号202020084744.7公开了一种基于多种通信方式的船联网多传感器节点控制器及其系统，通过多种传输方式将板载和外接传感器所采集到的船舶气象海洋数据传输至单片机，采集数据在单片机中进行预处理和统一的存储管理，之后单片机将对相应的板载模块和外接传感器发出运行控制指令，同时使用统一的协议将结果数据对外传输，这种方式最大范围的采集了船舶气象海洋数据，同时有效的提高了系统的工作效率，能够适用于大、中、小等范围的船舶气象海洋数据的采集和监控。

船联网时代下，考虑海洋航运网络通信方法、航运规模、设施配备、气象海洋环境等方面因素，为实现海洋船舶周围环境数据及船舶运行状态数据的采集和传输，传感器组网需克服通信容易中断、线路布置复杂、数据传输抗干扰能力弱等问题；为实现船舶与岸端、船舶与船舶组网通信，需克服数据传输中断、通信费用价格昂贵等问题，本实用新型针对以上问题，提出了一种船联网数据采集和通信系统。

实用新型内容

为了克服船舶周围环境数据及船舶运行状态数据的采集和传输以及船舶与岸端、船舶与船舶组网通信方面的困难，本实用新型提出一种船联网数据采集和通信系统，系统包括一个主节点控制器和若干个从节点控制器，从节点控制器可接入多种传感器采集船舶周围环境数据及船舶运行状态数据，主节点控制器可以通过CAN、ZIGBEE、以太网中的一种或多种通信方式与从节点控制器组网通信，也可以通过VSAT卫星、4G网络或北斗卫星中的一种或多种通信方式实现船舶与岸端、船舶与船舶组网通信。

本实用新型解决问题所采用的技术方案如下：

一种船联网数据采集和通信系统，包括一个主节点控制器和若干个从节点控制器，所述主节点控制器主要包括单片机最小系统模块、存储器模块、ZIGBEE模块、RS232模块、CAN模块、网口模块、电源模块、报警模块和LCD显示模组接口。所述从节点控制器主要包括单片机最小系统模块、ZIGBEE模块、 CAN模块、报警模块、传感器通信模块或A/D采样模块、网口模块和电源模块。

上述的一种船联网数据采集和通信系统，所述从节点控制器的传感器通信模块是RS232模块或RS422 模块中的一种，也可以是RS485模块和1-WIRE模块的组合。

上述的一种船联网数据采集和通信系统，所述主节点控制器通过CAN、ZIGBEE或以太网通信方式中的一种或多种组合与从节点控制器组网通信，所述从节点控制器可以通过RS232、RS485、RS422、1-WIRE 通信方式中的一种或多种组合与外接传感器通信来获取传感器输出的数字数据，也可以通过A/D采样通道采集外接传感器输出的模拟数据。

上述的一种船联网数据采集和通信系统，所述外接传感器是外接在从节点控制器上的温度传感器、温湿度传感器、大气压力传感器、能见度传感器、风速风向仪、可燃气体传感器、大仓进水传感器、姿态传感器等传感器中的一种或者多种的组合。

上述的一种船联网数据采集和通信系统，所述主节点控制器的RS232模块可以外接4G通信设备、北斗设备和船载工控机的一种或多种的组合。

上述的一种船联网数据采集和通信系统，所述的主节点控制器的网口模块可以外接从节点控制器或 VSAT通信设备。

上述的一种船联网数据采集和通信系统，所述的主节点控制器的CAN模块外接从节点控制器。

上述的一种船联网数据采集和通信系统，所述主节点控制器和从节点控制器的电源模块将来自于外部的电源电压通过分压稳压电路后为节点控制器和传感器供电。电源模块为了防止电源异常造成电路损坏，安装了自恢复保险丝和防止电源反接二极管，具有短路保护和过热保护功能。

上述的一种船联网数据采集和通信系统，所述LCD显示模组接口，首选连接带有800×480分辨率电容触摸屏的LCD显示模组。

上述的一种船联网数据采集和通信系统，所述主节点控制器的单片机最小系统模块的单片机优选采用 STM32F429系列的单片机，所述从节点控制器的单片机最小系统模块的单片机优选采用STM32F407系列的单片机。

上述的一种船联网数据采集和通信系统，所述的存储器模块包括SD卡电路、SDRAM电路、EEPROM 电路和FLASH电路。

上述的一种船联网数据采集和通信系统，所述SDRAM电路的SDRAM芯片首选MT48LC4M32B2；所述EEPROM电路的EEPEOM芯片首选AT24C128AN；所述FLASH电路的FLASH芯片首选 W25Q64BVSSIG。

上述的一种船联网数据通信系统，所述的4G设备首选H7710 4GDTU，所述的北斗设备首选BDSC-03。

上述的一种船联网数据采集和通信系统，所述ZIGBEE模块优选DL-LN32。

本实用新型的有益效果为：

本实用新型公开了一种船联网数据采集和通信系统，包括一个主节点控制器和若干从节点控制器，从节点控制器可以通过RS232、RS485、RS422、1-WIRE通信方式中的一种或多种组合与外接传感器通信来获取传感器的输出数据，也可以通过A/D采样通道采集外接传感器的输出数据。从节点控制器结构简单、体积小的特点提高了传感器接入的灵活性，降低了传感器的布置难度。主节点控制器可以通过CAN、 ZIGBEE或以太网通信方式中的一种或多种组合与从节点控制器组网通信，主从节点多种通信组网方式提高了从节点控制器的布置的灵活度，比如，在无线通信传输稳定，布线困难的环境下可以选择ZIGBEE无线组网通信方式；在留有网口的船舱内可以选择以太网组网通信方式；在通信干扰较强的恶劣环境下，可以选择多种通信组合的组网通信方式。本实用新型主节点控制器可以通过VSAT卫星通信方式、4G网络通信方式、北斗卫星通信方式实现船舶与岸端、船舶与船舶组网通信，其中VSAT通信主要用于近海或远洋，大数据量的船舶与岸端、船舶与船舶通信，北斗通信主要用于近海或远洋，小数据量或极端气象、海洋灾害、海难情况下的船舶与岸端、船舶与船舶通信。4G通信主要用于4G基站可以覆盖范围内的船舶与岸端、船舶与船舶通信。综上所述，本实用新型传感器布置简单，数据传输稳定，通信方式选择灵活，适用于船舶周围环境数据及运行状态数据的采集和监控，适用于船舶与岸端，船舶与船舶的组网通信。

附图说明

图1为本实用新型的主节点控制器电路板示意图。

图2为本实用新型的从节点控制器电路板示意图。

图3为本实用新型的系统组成框图。

标号说明如下：

1、CAN电路；2、CAN通信接口；3、CAN模块；4、RS232电路1；5、RS232通信接口；6、RS232 电路2；7、RS232模块；8、RS232电路3；9、按键1；10、按键2；11、按键3；12、网口模块；13、电路板固定孔；14、LCD显示模组固定孔；15、网口通信接口；16、单片机最小系统模块；17、FLASH 电路；18、EEPROM电路；19、ZIGBEE模块；20、SD卡电路；21、电源模块；22、报警模块；23、SDRAM 电路；24、LCD显示模组接口；25、传感器通信模块或A/D采样模块；26、传感器通信接口或A/D采样接口；27、RS232模块；28、电路板固定孔；29、网口模块；30、网口通信接口；31、单片机最小系统模块；32、ZIGBEE模块；33、电源模块；34、CAN通信接口；35、CAN电路；36、CAN模块；37、报警模块。

具体实施方式

下面，为使本实用新型的技术方案更加清晰明确，将结合上述附图和附图标记，对本实用新型的形状、构造或者其结合进行详细描述。

实施例1

本实施例，为一种船联网数据采集和通信系统，包括一个主节点控制器(如图1所示)和若干从节点控制器(如图2所示)；主节点控制器主要包括单片机最小系统模块16(标号16，下同)、存储器模块、 ZIGBEE模块19、RS232模块7、CAN模块3、网口模块12、LCD显示模组接口24、电源模块21、报警模块22和LCD显示模组接口24。从节点控制器主要包括单片机最小系统模块31、ZIGBEE模块32、CAN 模块36、报警模块37、传感器通信模块或A/D采样模块25、网口模块29和电源模块33。

上述主节点控制器的存储器模块包括SD卡电路20、SDRAM电路23、EEPROM电路18和FLASH 电路17。

上述从节点控制器的传感器通信接口或A/D采样接口26与外接传感器相连，传感器通信接口是RS232 接口或RS422接口中的一种，也可以是RS485和1-WIRE接口的组合。

上述的外接传感器是指外接在从节点控制器上的温度传感器、温湿度传感器、大气压力传感器、能见度传感器、大仓进水传感器、风速风向仪、可燃气体传感器、姿态传感器等的一种或者多种的组合。

上述主节点控制器可以与若干从节点控制器通信，从节点控制器根据通信接口的不同可以外接一个或两个传感器，从节点控制器可以将接收到传感器数据通过CAN、ZIGBEE或以太网通信方式中的一种或多种发送给主节点控制器。

本实施例中，主节点控制器和从节点控制器可以通过多种方式通信，为布置节点控制器提供了更多的选择，比如在无线通信传输稳定，布线困难的环境下可以选择ZIGBEE无线通信方式；在留有网口的船舱内可以选择以太网通信方式；在通信干扰较强的恶劣环境下，可以选择多种通信并存的通信方式，若系统检测到当前通信方式数据传输中断就会自动切换到另一种通信方式，降低了数据传输中断的可能性，提高了数据传输的稳定性。主节点控制器接收到数据后统一存储于SD卡电路20的SD卡中，并且通过LCD 显示模组接口24外接的LCD显示模组的LCD屏进行可视化数据展示，本实施例实现了对船舶周围环境数据及运行状态数据的采集、传输、存储和显示功能。

实施例2

本实施例的一种船联网数据采集和通信系统，除以下区别外，其余部分同实施例1：

主节点控制器的RS232通信接口连接4G设备和北斗设备，对于大数据量的船舶，主节点控制器将传感器数据整合，再综合汇集船舶的基本参数，然后利用4G设备将整合的信息通过4G网络发送到岸端或其他船舶。但海洋运输环境下4G网络受基站覆盖范围的限制存在通信死角，所以系统可以实时检测4G 信号强度，当信号强度值小于-90dbm，系统自动切换为网口和VSAT设备通信，将整合的信息通过VSAT 卫星通信方式发送到岸端或其他船舶。4G信号强度值大于-90dbm，系统又恢复到4G网络通信，数据通信过程中，北斗设备主要将定位信息和坐标信息发送到岸端或其他船舶。对于小数据量的船舶，主节点控制器主要利用北斗设备将整合的传感器数据和北斗自身的定位数据通过北斗卫星发送到岸端或其他船舶，因为北斗卫星数据通信较为稳定且带有定位信息，所以，当遇到极端气象、海洋灾害、海难等情况需要发送紧急数据，一律首选北斗卫星通信方式发送数据到岸端或其他船舶，不论选择何种通信方式，主节点控制器都可以通过该通信方式接收岸端或其他船舶发送来的数据。本实施例实现了不同数据量的船舶与岸端或其他船舶之间的信息互通，实现了对船舶当前动态信息及船舶运行环境状态的有效监控，方便岸端工作人员管理调度，增强船舶之间信息互通，以保证海洋运输安全。本实施例考虑到大数据量船舶卫星通信费用昂贵的问题，使用了4G网络和VSAT卫星两种通信方式，当4G当信号强度值大于-90dbm，系统首选4G网络通信方式组网通信，有效的降低了船舶与岸端、船舶与船舶组网通信的通信费用。

实施例3

本实施例的一种船联网数据采集和通信系统，除以下区别外，其余部分同实施例1和实施例2：

本实施例，如图3所示，为本实用新型的系统组成框图，综合实施例1和实施例2，一种船联网数据通信系统，主节点控制器可以与若干从节点控制器通信，后续新增传感器只需要新增一从节点控制器，简单修改主节点控制器的数据接收程序，就可以将一新的传感器接入网络，提高了系统二次开发潜力。若已经接入的传感器出现故障需要更换，只需要在从节点控制器的通信接口处将故障传感器更换为新的传感器，有效降低了更换传感器的难度，也为后期维护提供了便利。

实施例4

本实施例的一种船联网数据采集和通信系统，除以下区别外，其余部分同实施例1和实施例2：

主节点控制器的LCD显示模组接口24外接LCD显示模组，该模组的LCD屏幕选择800×480分辨率的电容触摸屏，系统可通过触摸屏幕图标来查看接收到的传感器数据。默认情况下，系统自动检测主节点控制器和从节点控制器当前通信方式的数据传输是否中断，但自动检测存在检测失效的可能性，因此触摸屏设置手动切换主节点控制器和从节点控制器通信方式的触摸按键，避免自动切换通信方式失效造成的数据传输中断。大数据量船舶在默认情况下系统会自动检测4G信号强度，当信号强度值小于-90dbm，主节点控制器切换为VSAT卫星通信方式实现船舶与岸端、船舶与船舶之间信息互通，但自动检测4G信号强度存在检测失效的可能性，为避免自动检测4G信号强度失效造成船舶与岸端、船舶与船舶之间数据通信中断，触摸屏设置手动切换4G和VSAT数据通信方式的触摸按键，为船舶海洋运输恶劣环境下数据传输提供稳定保障。

实施例5

本实施例的一种船联网数据采集和通信系统，除以下区别外，其余部分同实施例1：

主节点控制器分析接收到传感器数据，判断传感器检测到的船舶周围环境数据及运行状态数据是否处于船舶安全运行范围内，若数据超出船舶安全运行阈值，主节点控制器报警模块22的蜂鸣器发出报警声， LCD触摸屏显示当前报警原因，提醒船员做出安全防范措施。

实施例6

本实施例的一种船联网数据采集和通信系统，除以下区别外，其余部分同实施例1：

主节点控制器整合传感器数据和北斗数据，再综合汇集船舶的基本参数后，将数据存储于SD卡电路 20中的SD卡中，以方便本地查看历史数据，本实施例综合数据每三分钟存取一次，可以通过LCD触摸屏的触摸按键切换数据存储频率，以满足不同航运环境对数据存储频率的要求。

实施例7

本实施例中，考虑到内部控制器电路的防护问题，一种船联网数据采集和通信系统在电源输入处安装了自恢复保险丝和防止电源反接二极管，具有短路保护和过热保护功能，在CAN和RS485输入输出线上配置了滤波防雷防器件，还在电流电压采样电路中增加了钳位电路等防护电路，防止可能发生的电压电流超标等现象。

综上所述，本实用新型公开了一种船联网数据采集和通信系统，包括一个主节点控制器和若干个从节点控制器，所述主节点控制器主要包括单片机最小系统模块、存储器模块、ZIGBEE模块、RS232模块、 CAN模块、网口模块、电源模块、报警模块和LCD显示模组接口。所述从节点控制器主要包括单片机最小系统模块、ZIGBEE模块、CAN模块、报警模块、传感器通信模块或A/D采样模块、网口模块和电源模块。本实用新型从节点控制器的传感器通信模块可以是RS232模块或RS422模块中的一种，也可以是RS485 模块和1-WIRE模块的组合，传感器通过从节点控制器的传感器通信接口外接，从节点控制器接收到传感器采集到的船舶周围环境数据及运行状态数据后，通过CAN、ZIGBEE、以太网中的一种或多种通信方式将数据发送到主节点控制器，主节点控制器统一存储数据于SD卡中，并且通过LCD显示模组的LCD显示屏显示数据。对于大数据量的船舶，主节点控制器的RS232通信接口连接北斗设备获取船舶的位置、方向、速度信息，并将传感器数据和北斗数据整合，再综合汇集船舶的基本参数后，利用4G设备将整合的信息通过4G网络发送到岸端或其他船舶。但海洋运输环境下4G网络受基站覆盖范围的限制存在通信死角，所以系统可以实时检测4G信号强度，当信号强度值小于-90dbm，系统自动切换为网口和VSAT设备通信，将整合的信息通过VSAT卫星通信方式发送到岸端或其他船舶，4G信号强度值大于-90dbm，系统又恢复到4G网络通信。小数据量船舶，主节点控制器将整合的数据的通过北斗卫星通信方式直接发送到岸端或其他船舶，因为北斗卫星数据通信较为稳定且带有定位信息，所以当遇到极端气象、海洋灾害、海难等情况需要发送紧急数据，一律首选北斗卫星通信方式发送数据到岸端或其他船舶。不论选择何种通信方式，主节点控制器都可以通过该通信方式接收岸端或其他船舶发送来的数据，整体实现了船舶和船舶、船舶与岸端双向组网通信。本实用新型在通信干扰较强的恶劣环境下，主节点控制器和从节点控制器可以选择多种通信并存的通信方式，若系统检测到当前通信数据传输中断就会自动切换到另一种通信方式，降低了数据传输中断的可能性，提高了数据传输的稳定性，确保海洋运输恶劣环境下数据传输稳定。考虑到内部控制器电路的防护问题，本实用新型在电源输入口安装了自恢复保险丝和防止电源反接二极管，具有短路保护和过热保护功能，在CAN和RS485输入输出线上安装了滤波防雷器件，在电流电压采样电路中安装了钳位电路，防止可能发生的电压电流超标等现象。本实用新型设计合理，结构简单，抗干扰能力强，布线灵活，在充分保障数据通信稳定的基础上实现对船舶当前动态信息及船舶设备运行环境状态的有效监控管理，保证海洋运输安全。

Claims (7)

1.一种船联网数据采集和通信系统，包括一个主节点控制器和若干个从节点控制器，其特征在于：所述主节点控制器包括单片机最小系统模块、存储器模块、ZIGBEE模块、RS232模块、CAN模块、网口模块、电源模块、报警模块和LCD显示模组接口；所述从节点控制器包括单片机最小系统模块、ZIGBEE模块、CAN模块、报警模块、传感器通信模块或A/D采样模块、网口模块和电源模块；

所述从节点控制器的传感器通信模块是RS232模块或RS422模块中的一种，也可以是RS485模块和1-WIRE模块的组合；

所述主节点控制器通过CAN、ZIGBEE或以太网通信方式中的一种或多种组合与从节点控制器组网通信，所述从节点控制器通过RS232、RS485、RS422、1-WIRE通信方式中的一种或多种组合与外接传感器通信来获取传感器输出的数字数据；

所述从节点控制器通过A/D采样通道采集外接传感器输出的模拟数据。

2.根据权利要求1所述的一种船联网数据采集和通信系统，其特征在于，所述外接传感器是外接在从节点控制器上的温度传感器、温湿度传感器、大气压力传感器、能见度传感器、大仓进水传感器、风速风向仪、可燃气体传感器、姿态传感器的一种或者多种的组合。

3.根据权利要求1所述的一种船联网数据采集和通信系统，其特征在于，所述主节点控制器的RS232模块外接4G设备、北斗设备或船载工控机的一种或多种的组合。

4.根据权利要求1所述的一种船联网数据采集和通信系统，其特征在于，所述的主节点控制器的网口模块外接从节点控制器或VSAT通信设备。

5.根据权利要求3所述的一种船联网数据采集和通信系统，其特征在于，所述的4G设备选择H77104GDTU，所述的北斗设备选择BDSC-03。

6.根据权利要求1所述的一种船联网数据采集和通信系统，其特征在于，所述LCD显示模组接口连接带有800×480分辨率电容触摸屏的LCD显示模组。

7.根据权利要求1所述的一种船联网数据采集和通信系统，其特征在于，所述主节点控制器的单片机最小系统模块的单片机采用STM32F429BIT6单片机，所述从节点控制器的单片机最小系统模块的单片机采用STM32F407IGT6单片机。

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