基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的船舶遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)

1、基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的船舶遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn) 江 蘇 科 技 大 學(xué)碩 士 學(xué) 位 論 文大 摘 要論 文 題 目基于物聯(lián) 網(wǎng)技術(shù) 的船舶 遠(yuǎn) 程監(jiān)控系 統(tǒng)的研 究與實(shí)現(xiàn) 研 究 方 向 遠(yuǎn)程 監(jiān)控 學(xué) 科 、 專 業(yè) 模 式 識 別 與 智 能 系 統(tǒng)研 究 生 姓 名楊 虎導(dǎo) 師 姓 名 王衛(wèi)東 填表時間 2013 年 3 月 20 日摘要 摘要 近些年隨著計算機(jī), 集成 電路, 嵌入式開發(fā)平臺以及網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)的快速發(fā)展,遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)越來越受到人們的重視。在傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng) 中引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),并結(jié)合B/S 模式開發(fā)的 嵌入式遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)逐漸成為新的研究熱點(diǎn) 。本文將在此基礎(chǔ)上,對船舶 遠(yuǎn)程監(jiān)

2、控系統(tǒng) 進(jìn)行設(shè)計和開發(fā) , 鑒于常規(guī)監(jiān)控方法難以做到快速、 準(zhǔn)確、 動態(tài)的監(jiān)測和控制, 滿足不了越來越高的遠(yuǎn)程監(jiān)控要求, 因此 本文設(shè)計了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的船舶 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng), 這 對于船舶監(jiān)控系統(tǒng)的研究與發(fā)展有重要的意義。 本文首先介紹 了監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展和研究現(xiàn)狀, 并對遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的原理、 層次結(jié)構(gòu)以及實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行了研究和探討, 通過對不同監(jiān)控系統(tǒng)模式 的比較, 確定了 B/S 模式的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)方案。 其次, 本文 從系統(tǒng)集成的角度分析了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的若干關(guān)鍵技術(shù),主要包括 Web 數(shù)據(jù)庫訪問、動態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)時顯示、曲線的動態(tài)繪制等技術(shù),并給出 了解決技術(shù)難點(diǎn)的路線和改進(jìn)措施,

3、 解決了系統(tǒng)在實(shí)時性和安全性等方面存在的問題。以 Zigbee 無線 傳感網(wǎng)絡(luò)為數(shù)據(jù)采集端,服務(wù)器通過串口通信連接 CC2530 無線通信模塊接收無線傳感網(wǎng)絡(luò)采集到的數(shù)據(jù) 。 另外, 結(jié)合用戶的實(shí)際需求, 按照軟件工程的開發(fā)流程對服務(wù)器系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計,在實(shí)現(xiàn)了正常的 PC 瀏 覽器對服務(wù)器的訪問的同時,開發(fā)出了移動終端的 Android 應(yīng)用程序,實(shí)現(xiàn)了移動 終 端對服務(wù)器的訪問。 用 戶 可 以 通 過 接 入 網(wǎng) 絡(luò) 中 的電腦 和 裝 有Android 系統(tǒng)的 進(jìn)行服務(wù)器 的訪問。查看設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài) ,授權(quán)的用戶還可以根據(jù)實(shí)時數(shù)據(jù)做出判斷,發(fā)送控制命令,調(diào)節(jié)環(huán)境。 最后, 結(jié)合自己在項目

4、中所作的工作和在課題研究過程中遇到的困難, 對論文進(jìn)行了總結(jié)并對船舶遠(yuǎn)程監(jiān)控的發(fā)展予以展望。 關(guān)鍵詞 物聯(lián)網(wǎng);Android ;遠(yuǎn)程監(jiān)控;服務(wù)器; 嵌入式I 江蘇科技大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文II Abstract Abstract In recent years along with the computer, integrated, embedded development platform and network communication technology fast development, the remote monitoring system get more and more a

5、ttention from people, and the traditional monitoring system content networking technology combination of B/S model of embedded remote monitoring system has gradually become a new research hotspot,the paper research object is the ship remote monitoring system, in view of the conventional monitoring m

6、ethods are difficult to achieve fast, accurate, dynamic monitoring and controland it cannot satisfy the more and more high remote monitoring requirements, therefore established based on things networking technology ship remote monitoring system, for boats research and development has an important si

7、gnificanceThis paper first introduces monitoring technology development and research status, and the principle of remote monitoring system, hierarchical structure as well as the realization plan was studied and discussed, according to the different monitoring system models, determine the B/S model o

8、f remote monitoring system solutionsFrom the perspective of system integration based on things networking technology for remote monitoring system, and some key techniques mainly include Web database access technology, dynamic data real-time display, the curve of dynamic rendering technology, and giv

9、es the solution technical difficulties route and improvement measures to solve the system in real time and the existing problems in such aspects as safety. To Zigbee wireless sensor network for data acquisition terminal. Server through the serial port communication connection CC2530 wireless communi

10、cation module receiving wireless sensor network the collected dataCombined with the actual needs of users, server system in accordance with the software engineering development process, not only to achieve a normal PC browser access, while developing Android applications for mobile terminal.The user

11、 can access the computer via the Internet or through mobile phone Android access network access serverCheck environmental data, authorized users can also according to the real-time data to make judgment, send control command, regulate the environment.III 江蘇科技大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 Finally, the combination of th

12、e project's work and the difficulties encountered in the research process, summarize and look forward to the Ship Remote Monitoring SystemKeywords WSN; Android; Remote monitoring; The server. embedded system IV Contents 目錄 摘要 I Abstract III 目錄. V Contents. IX 第 1 章 緒論 1 1.1 課 題的 研究 背景 及意 義. 1 1.

13、2 船舶監(jiān) 控的 發(fā)展 及現(xiàn) 狀2 1.2.1 船舶 監(jiān)控 發(fā)展 概述2 1.2.2 基于 物聯(lián) 網(wǎng)遠(yuǎn) 程監(jiān) 測 系統(tǒng)研 究 3 1.2.3 物聯(lián) 網(wǎng)技 術(shù)發(fā) 展3 1.2.4 無線 傳感 技術(shù) 發(fā)展. 4 1.3 本 文研 究的 主要 內(nèi)容5 1.4 小結(jié) 6 第 2 章 可行性及需求分析 7 2.1 系 統(tǒng)的 可行 性分 析. 7 2.1.1 技術(shù) 可行 性分 析 7 2.1.2 經(jīng)濟(jì) 可行 性分 析 7 2.1.3 操作 可行 性分 析 8 2.1.4 結(jié)論8 2.2 系 統(tǒng)的 需求 分析8 2.2.1 系統(tǒng) 目標(biāo) 8 2.2.2 系統(tǒng) 建模 8 2.2.3 系統(tǒng) 數(shù)據(jù) 流圖. 9 2.

14、2.4 數(shù)據(jù) 模型 11 2.2.5 系統(tǒng) 編碼 規(guī)則. 12 2.3 小結(jié)13 第 3 章 船舶遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng) 整體的方案設(shè)計. 15 3.1 系 統(tǒng)總 體框 架設(shè) 計. 15 3.2 系 統(tǒng)功 能模 型. 16 3.3 數(shù) 據(jù)庫 設(shè)計. 16 3.4 系 統(tǒng)服 務(wù)器 開發(fā) 環(huán)境. 17 3.4.1 系統(tǒng) 架構(gòu) 設(shè)計18 3.4.2 JA VA 技術(shù). 19 3.4.3 SQL Server 2005 數(shù)據(jù) 庫 21 3.5 B/S (瀏 覽器/ 服務(wù) 器) 模式的 選擇22 3.6 手 機(jī)客 戶端 Android 應(yīng) 用程序 的開 發(fā)22 3.7 小結(jié)23 第 4 章 無線傳感器節(jié)點(diǎn)模 塊

15、25 4.1 傳 感器 節(jié)點(diǎn) 整體 結(jié)構(gòu) 26 V 江蘇科技大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 4.2 節(jié) 點(diǎn)硬 件設(shè) 計. 27 4.2.1 處理 器電 路芯 片選 擇27 4.2.2 CC2530 模塊 電路29 4.2.3 傳感 器選 擇 30 4.3. 串 口通 信 31 4.3.1 通信 協(xié)議. 31 4.3.2 通信 步驟. 31 4.4 節(jié) 點(diǎn)數(shù) 據(jù)的 采集 、存 儲 和處理 32 4.4.1 數(shù)據(jù) 采集 32 4.4.2 數(shù)據(jù) 存儲 33 4.4.3 數(shù)據(jù) 處理 33 4.5 ZigBee 無線 傳感 網(wǎng)絡(luò) 設(shè) 計. 34 4.5.1 無線 通信 方式 的選 擇. 34 4.5.2 ZigB

16、ee 無 線傳 感器 網(wǎng) 絡(luò)節(jié)點(diǎn) 類型35 4.5.3ZigBee 網(wǎng) 絡(luò)拓 撲結(jié) 構(gòu)36 4.6 軟 件低 功耗 設(shè)計 37 4.7 節(jié) 點(diǎn)實(shí) 物圖38 4.8 小結(jié)39 第 5 章 ZigBee 無線傳感 網(wǎng)絡(luò)通信模塊41 5.1 IEEE 802.15.4 概述. 41 5.2 ZigBee 協(xié)議 體系. 42 5.2.1 ZigBee 協(xié) 議體 系結(jié) 構(gòu). 42 5.2.2 信標(biāo) 與非 信標(biāo) 模式43 5.3 路由. 44 5.3.1 概述44 5.3.2 ZigBee 路 由協(xié) 議 44 5.4 Z-Stack 協(xié)議棧應(yīng) 用 45 5.5 遠(yuǎn) 程數(shù) 據(jù)網(wǎng) 絡(luò)采 集47 5.6 無 線

17、傳 感網(wǎng) 絡(luò)通 信測 試 49 5.7 小結(jié)50 第 6 章系統(tǒng)服務(wù)應(yīng) 用端的 設(shè)計與實(shí)現(xiàn)51 6.1 服 務(wù)器 應(yīng)用 開發(fā) 51 6.1.1 持久 層開 發(fā) 51 6.1.2 DAO 層 設(shè)計. 53 6.1.3 業(yè)務(wù) 邏輯 層實(shí) 現(xiàn). 53 6.1.4 WEB 層實(shí) 現(xiàn). 53 6.2 船 舶遠(yuǎn) 程監(jiān) 控系 統(tǒng)實(shí) 現(xiàn) 54 6.3 Android 移動 客戶 端設(shè)計. 57 6.3.1 Android 網(wǎng)絡(luò) 通信 模 型 57 6.3. 2 Android 網(wǎng) 絡(luò)通信 接 口選擇 58 6.4 Android 移動 應(yīng)用 測 試. 58 6.5 小結(jié). 59 總結(jié)與展望. 61 論文總 結(jié)

18、 61 VI Contents 工作展 望 61 參考文獻(xiàn). 63 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā) 表的 學(xué)術(shù)論文 65 致謝 67VII 江蘇科技大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 VIII ContentsContents Abstractin Chinese I Abstract III Contentsin Chinese V Contents. IX Chapter 1 Introduction. 1 1.1 Research Background and Significance of the Research. 1 1.2 The development and status quo of Vessel

19、Monitoring. 2 1.2.1 Vessel Monitoring Overview 2 1.2.2 Remote monitoring system based on Internet of Things 3 1.2.3 The development of the Internet of Things technology. 3 1.2.4 The development of the WSN. 4 1.3 Main Contents in this Paper 5 1.4 Summary6 Chapter 2 Feasibility and needs analysis7 2.1

20、 The feasibility analysis of the system 7 2.1.1 Technical feasibility analysis 7 2.1.2 Economic feasibility analysis7 2.1.3 Operational feasibility analysis8 2.1.4 Summary 8 2.2 System requirements analysis 8 2.2.1 System goals 8 2.2.2 System Modeling8 2.2.3 System data flow diagram. 9 2.2.4 Data mo

21、del. 11 2.2.5 System encoding rules12 2.3 Summary 13 Chapter 3 The ship remote monitoring system as a whole design15 3.1 System Design Program. 15 3.2 System Functional Model. 16 3.3 Database Design. 16 3.4 System development environment 17 3.4.1 System Architecture Design18 3.4.2 Technology of JAVA

22、. 19 3.4.3 Database of SQL Server 200521 3.5 B/S mode selection 22 3.6 The mobile client Android application development22 3.7 Summary 23 Chapter 4 Wireless sensor node modules 25 IX 江蘇科技大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 4.1 Sensor nodes overall structure. 26 4.2 Node hardware design. 27 4.2.1 The processor circuit chip s

23、elect. 27 4.2.2 CC2530 module circuit 29 4.2.3 Sensor selection 30 4.3. Serial communication. 31 4.3.1 Communication protocols31 4.3.2 Communication steps 31 4.4 The nodes data collection 、storage and processing. 32 4.4.1 Data acquisition 32 4.4.2 Data storage 33 4.4.3 Data processing 33 4.5 Zigbee

24、wireless sensor network design34 4.5.1 Wireless communication method of choice 34 4.5.2 ZigBee wireless sensor network node type 35 4.5.3 ZigBee network topology 36 4.6 Software low-power design37 4.7 Node physical map 38 4.8 Summary 39 Chapter 5 ZigBee wireless sensor network communication module.

25、41 5.1 IEEE 802.15.4 Outline 41 5.2 ZigBee Protocol architecture 42 5.2.1 ZigBeeProtocol Architecture. 42 5.2.2 Beacon and non-beacon mode43 5.3 Routing 44 5.3.1 Outline44 5.3.2 ZigBee routing Protocol44 5.4 Z-Stack protocol stack application 45 5.5 Remote data network acquisition47 5.6 Wireless sen

26、sor network communication test. 49 5.7 Summary 50 Chapter 6 Design and Implementation of the system service application end 51 6.1 Server application development. 51 6.1.1 Persistence layer development. 51 6.1.2 DAO layer design 53 6.1.3 Business logic layer to achieve 53 6.1.4 WEB layer53 6.2 Ship

27、Remote Monitoring System54 6.3 Phone Android mobile client design 57 6.3.1 The Android network communication model 57 6.3. 2 The Android network communication interface options 58 6.4 Mobile Android Mobile Application Testing 58 6.5 Summary 59 Summary and Outlook61 X Contents Paper summarizes. 61 Jo

28、b Outlook61 References63 Studying for a master's degree during the academic65 Acknowledgments. 67XI 江蘇科技大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 XII 第 1 章 緒論 第 1 章 緒論 1.1 課題的研究 背景 及意義 海上運(yùn)輸行 業(yè)特別是 船 舶運(yùn)輸業(yè)的 發(fā)展一般 呈 現(xiàn)資金高密 集、技術(shù) 高 密集和勞 動力高密集,海 上運(yùn)輸業(yè) 的發(fā)展在國民 經(jīng)濟(jì)事業(yè) 發(fā)展中具有非 常重要的 地位。國際經(jīng)濟(jì)貿(mào)易中的貨物 運(yùn)輸中極 大部分是由海 上運(yùn)輸完 成的。隨著船 舶行業(yè)的 快速發(fā)展,船舶數(shù)量的大量增 多、業(yè)務(wù)

29、 的不斷增長、 新線路大 量的開辟等, 對船舶的 作業(yè)狀態(tài),運(yùn)行狀況的智能通信要求不斷被提高1 。 特別是對 船舶的監(jiān)控保養(yǎng), 維修等提出了很高的要求。 船舶設(shè)備的 保養(yǎng)維修 工 作主要依靠 定期檢查 和 事后維修的 方式解決 。 這兩種方 式不僅 工作量大 ,并且存 在著誤修的可 能。極大 地浪費(fèi)人力物 力。同時 隨著船舶運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展, 對船舶運(yùn)力的大量要求使得許多的船舶在超負(fù)荷的工作。 因此, 能夠?qū)崟r的、準(zhǔn)確的獲悉船 舶的運(yùn)行 動態(tài)顯得非常 急切。船 舶設(shè)備的運(yùn)行 狀態(tài)以及 報警系統(tǒng)的實(shí)時監(jiān)測,可以實(shí) 時監(jiān)測船 舶的關(guān)鍵設(shè)備 的信息參 數(shù),對船舶的 未來發(fā)展 和建設(shè)具有極其重要的意義。

30、在過去的船 舶監(jiān)控系 統(tǒng) 中,船舶企 業(yè)的工作 人 員利用對講 機(jī)或者手 機(jī) 等手段, 實(shí)現(xiàn)船岸信息通訊來傳遞船舶設(shè)備的信息狀態(tài)。 這種方式不僅達(dá)不到監(jiān)控的實(shí)時性要求,而且操作性能低、管理不方便。 目前船舶設(shè)備數(shù)據(jù)的監(jiān)控系統(tǒng), 其實(shí)現(xiàn)方式有多種, 如 PLC 、RS-485 總線等有線方式等。船舶 監(jiān)控系統(tǒng) 緊密結(jié)合了船 舶現(xiàn)代化 發(fā)展的趨勢, 實(shí)現(xiàn)了船 舶的網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控和全船數(shù)據(jù)資 源的共享 。主要功能包 括,對船 舶關(guān)鍵部位和 主要設(shè)備 的運(yùn)行及使用情況的監(jiān)測;對 船舶的工 作情況的實(shí)時 檢查;減 少了人力重復(fù) 勞動的資 源性浪費(fèi);提高了船舶航行的 安全性、 可靠性和經(jīng)濟(jì) 性。但是 由于各家

31、公司 開發(fā)研制 的系統(tǒng)主要是針對特定型號的 船舶開發(fā) 的,所以開發(fā) 的產(chǎn)品通 用性差,與實(shí) 際船舶企 業(yè)的需求存在分歧,這些分歧主要體現(xiàn)在以下幾個方面: (1) 傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)一般具有的功能比較豐富, 而企業(yè)的實(shí) 際需要只是一部分功能,這就造成了資源和成本的浪費(fèi); (2) 由于各家企業(yè)的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)有區(qū)別, 在選擇監(jiān)控產(chǎn)品時, 需要考慮各間企業(yè)間的系統(tǒng)是否能夠兼容; (3) 在監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用過程中, 因為設(shè)備的升級改造, 監(jiān)控軟件的更新時, 系 統(tǒng)很可能出現(xiàn)由于環(huán)境的變化而崩潰等問題。 本文以船舶 監(jiān)控系統(tǒng) 的 實(shí)際情況為 背景,設(shè) 計 了一套可行 的船舶遠(yuǎn) 程 監(jiān)控系統(tǒng) ,1 江蘇科技大學(xué)工學(xué)碩

32、士學(xué)位論文 不僅可以實(shí)現(xiàn) 有線方式 的船舶監(jiān)控功 能,另外 ,系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了 整個系統(tǒng) 有機(jī)整合,即在不改變原系統(tǒng) 整體框架 的前提下,對 整個系統(tǒng) 信息進(jìn)行整合 。本文提 出的艦船監(jiān)控系統(tǒng)的特點(diǎn)是, 船舶的監(jiān) 控不受地理位 置、 計算 機(jī)配置等制約 ;可實(shí)現(xiàn) 實(shí)時監(jiān)控;只要打開瀏覽器輸 入服務(wù)器 地址即可對船 舶各項實(shí) 時狀態(tài)進(jìn)行訪 問;對船 舶設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測控 制等。另 外,提供了靈 活的系統(tǒng) 訪問方法,通 過對訪問 權(quán)限的設(shè)置,用戶可以通過任何接入 Internet 的設(shè)備, 如 PC 機(jī)、 等訪問相關(guān)的監(jiān)控數(shù)據(jù), 這樣的使訪問方式更加靈活、便捷。 1.2 船舶監(jiān)控 的發(fā)展 及現(xiàn)狀

33、1.2.1 船舶監(jiān)控發(fā)展概述 船舶2,3 監(jiān)控 系統(tǒng) 是針對 船 舶設(shè) 備的 運(yùn) 行 狀態(tài)參 數(shù) 的進(jìn) 行監(jiān) 測和 控制。 船 舶監(jiān) 控主要分為船端的本地局域監(jiān)控和陸地端的遠(yuǎn)程監(jiān)控兩個部分。 船舶本地局 域監(jiān)控曾 經(jīng) 是船舶監(jiān)控 的主要方 式 ,主要是集 中式控制 結(jié) 構(gòu)、分布 式控制結(jié)構(gòu)、 現(xiàn)場總線式控制系統(tǒng)FCS 以及全 船網(wǎng)絡(luò)型。 這種監(jiān)控方式受到通訊能力的限制, 只能在船舶局域內(nèi)實(shí)現(xiàn)對設(shè)備運(yùn)行情況的監(jiān)控。 比較有代表性的監(jiān)控系統(tǒng)包括:分布式機(jī)艙數(shù)據(jù)監(jiān)測控制系統(tǒng), 典型的產(chǎn)品有德國 SIMENS 公司開發(fā) 研制的 SIMA32C系統(tǒng), 挪威 NORCONTROL 公司研制的 DATA C

34、HIEF1000 系統(tǒng)。 到 上世紀(jì)末, 船舶艙室環(huán)境的監(jiān)控向分布 式計算機(jī)監(jiān)控方向轉(zhuǎn)移。船舶監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展如下 : 1 、1964 以前船舶只能實(shí)現(xiàn)單設(shè)備的監(jiān)控,監(jiān)控的可靠性低。 2 、1964-1968 提出了 “無人值班船” 的概念, 實(shí)現(xiàn)了工作人員依靠自動化設(shè)備對船舶的運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)控。 3 、1969-1975 提出了“超自動化”的概念,開始采用計算機(jī)系統(tǒng)。 4 、75-1980 監(jiān)控系統(tǒng)開始采用分散控制, 對設(shè)備塊進(jìn)行劃分, 實(shí)現(xiàn)以信息對象為主要監(jiān)控目標(biāo)。 5 、80- 現(xiàn)在 監(jiān)控系統(tǒng)的智能化大幅提升, 船舶監(jiān)控由本地局域監(jiān)控向遠(yuǎn)程監(jiān)控發(fā)展,已初步實(shí)現(xiàn)數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化。 船舶遠(yuǎn)程監(jiān) 控技

35、術(shù)的 發(fā) 展 是伴隨著 計算機(jī)通 訊 技術(shù)、自動 化技術(shù)等 技 術(shù)的飛速 發(fā)展,從而衍生 出的一種 新型的遠(yuǎn)程監(jiān) 控方式。 通常的船舶遠(yuǎn) 程監(jiān)控系 統(tǒng)是將船端設(shè)備監(jiān)控區(qū)域劃分 成眾多小 塊,各個小塊 利用總線 等技術(shù)將小塊 的信息整 合到一起(即總線起到匯流數(shù)據(jù)信息的作用) , 結(jié)合局域網(wǎng)技術(shù), 將局域網(wǎng)內(nèi)各個監(jiān)控點(diǎn)利用局域網(wǎng)技術(shù)串聯(lián)起來, 形成內(nèi)網(wǎng) 。本文所采用 的是無線 傳感網(wǎng)絡(luò)的方 式,其不 僅具有了一般船舶遠(yuǎn)程監(jiān)控方 式的優(yōu)點(diǎn) ,并且通過無 線的方式 使信息的采集 以及發(fā)布 免除了傳統(tǒng)有線方式的布線、 維護(hù)、修 理等一系列后 期難題。 同時可以利用 局域網(wǎng)進(jìn) 行資源共享,該2 第 1

36、章 緒論 方式充分考慮了目前 監(jiān)控方式對監(jiān)控點(diǎn)的數(shù)目與布控的要求。目前船舶遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主要應(yīng)用的技術(shù)包括以下幾點(diǎn): 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集技術(shù)、 遠(yuǎn)程通訊技術(shù) 遠(yuǎn)洋的船站通訊、 近海的海事寬帶、3G 無線網(wǎng)絡(luò) 、Internet 技術(shù)和局域網(wǎng)技術(shù)等。 1.2.2 基于物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)研究 遠(yuǎn)程監(jiān)控主 要分為有 線 監(jiān)控和無線 監(jiān)控。相 對 于有線監(jiān)控 ,無線監(jiān) 控 方式的監(jiān) 測點(diǎn)可以轉(zhuǎn)換, 這樣監(jiān)測 點(diǎn)的適應(yīng)能力 強(qiáng),不需 要復(fù)雜的布線 ,并且有 安裝和維護(hù)容易等優(yōu)點(diǎn)。物聯(lián) 網(wǎng)技術(shù)是 以數(shù)據(jù)為中心 ,網(wǎng)絡(luò)通 信不需要傳統(tǒng) 網(wǎng)絡(luò)的復(fù) 雜尋址方式,能夠迅速和有效 的處理監(jiān) 測到節(jié)點(diǎn)的信 息,并且 具有大規(guī)

37、模 、 高可靠性 的優(yōu)點(diǎn),高密度的節(jié)點(diǎn)部署不 僅是監(jiān)測 區(qū)域的覆蓋面 積增大, 而且使系統(tǒng)容 錯性得到 很大提高。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)最重要 的是其應(yīng) 用前景廣闊, 能夠廣泛 的應(yīng)用在軍事 、醫(yī)療設(shè) 備、環(huán)境、工業(yè)生產(chǎn)等眾多領(lǐng) 域。許多 發(fā)達(dá)國家已經(jīng) 對物聯(lián)網(wǎng) 技術(shù)在遠(yuǎn)程監(jiān) 控方面的 應(yīng)用方面展開了研究。比如在環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用中,美國的相關(guān)研究人員開發(fā)了的 ALERT 系統(tǒng),采用了無線傳感網(wǎng)絡(luò)來監(jiān)測降水量、 土壤水分以及河水水位, 并以此來預(yù)測山洪的地質(zhì)變化。哈佛大學(xué)與北 卡大學(xué)合 作研究的系統(tǒng) ,通過物 聯(lián)網(wǎng)技術(shù)收集 到的地質(zhì) 震動信息和次聲波信息,進(jìn)行 了火山地 質(zhì)變化的監(jiān)測 。美國加 州大學(xué)伯克利 分

38、校通過 在樓、橋梁等建筑中安裝傳感 器節(jié)點(diǎn)收 集建筑應(yīng)力、 扭矩、震 動幅度等狀態(tài) 參數(shù),來 分析建筑物的狀態(tài)。物聯(lián)網(wǎng)技 術(shù)在船舶 安全監(jiān)測方面 的應(yīng)用研 究也正受到許 多研究機(jī) 構(gòu)和公司的密切關(guān)注。 1.2.3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展 物聯(lián)網(wǎng)4 的概念是 MIT Auto-ID 中心 Ashton 教授在 1999 年提出的。在國內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)曾經(jīng)被稱為 傳感網(wǎng)絡(luò) ,物聯(lián)網(wǎng)的核 心技術(shù)即 為傳感網(wǎng)技術(shù) 。物聯(lián)網(wǎng) 在我國迅速發(fā)展的原因 有以下幾點(diǎn): 我國在 1999 年就啟動了傳感網(wǎng)技術(shù)的研究, 研發(fā)水平達(dá)到了世界的前列;我國 在世界傳 感網(wǎng)領(lǐng)域是標(biāo) 準(zhǔn)主導(dǎo)國 之一,擁有大 量的專利 ;我國有完整的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)

39、業(yè)鏈 ;我國無 線通信網(wǎng)絡(luò)和 寬帶網(wǎng)絡(luò) 的高覆蓋為物 聯(lián)網(wǎng)的發(fā) 展提供了廣泛而堅實(shí)的基礎(chǔ); 我國的經(jīng) 濟(jì)經(jīng)過改革開 發(fā)三十多 年的發(fā)展,有 較為雄厚 的經(jīng)濟(jì)實(shí)力和人才儲備來支持物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的關(guān)鍵是以下幾個方面: (1) 感知技術(shù): 主要 是指傳感器技術(shù), 它是提取物理信息的關(guān)鍵技術(shù), 是構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)與核心單元; (2) 識別技術(shù): 主要指集成無線通信、 芯片設(shè)計制造、 系統(tǒng)集成等技 術(shù), 以 RFID技術(shù)為代表; (3) 結(jié)點(diǎn)軟硬件設(shè)計技術(shù): 主要包含硬件技術(shù)和軟件技術(shù)的感知結(jié)點(diǎn)和識別結(jié)點(diǎn)能力; 3 江蘇科技大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 (4) 組網(wǎng)與泛在接入技術(shù): 主要指物聯(lián)網(wǎng)中通信

40、網(wǎng)絡(luò)的信息傳遞和服務(wù)的基礎(chǔ)設(shè)施; (5)大規(guī)模的感知信息處理技術(shù)。1.2.4 無線傳感技術(shù)發(fā)展 伴隨著傳感 器、微電 子 、無線通信 等技術(shù)的 快 速發(fā)展,帶 動了低功 耗 多功能微 型傳感器的快速 發(fā)展。使 微型傳感器具 有了信息 采集、數(shù)據(jù)處 理、無限 通信和協(xié) 同合作等多方面功能 。借助于 各種傳感器, 探測和集 成包括溫度、 濕度、壓 力、速度等物質(zhì)現(xiàn)象的無線傳感網(wǎng)絡(luò),也是溫總理“ 感知中國” 提法的主要依據(jù)。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)5 (WSN, wireless sensor network ) 是指由大量傳感器 節(jié)點(diǎn)在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)無線的 通信方式 利用多跳自組 織構(gòu)成的 網(wǎng)絡(luò)。能夠?qū)?時地

41、對設(shè) 備進(jìn)行監(jiān)測和感知各種有效信息 (諸如溫度、 光強(qiáng)、 噪音、 濕 度和氣體濃度等) , 在對這些信息進(jìn)行了處理以后通過無線的方式將信息發(fā)送出去。如圖 1.1 為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)圖: 互聯(lián)網(wǎng) 、 衛(wèi)星或者移動 通信網(wǎng)絡(luò)匯聚 節(jié) 點(diǎn)監(jiān) 控中 心監(jiān) 測 區(qū) 域傳 感節(jié) 點(diǎn)圖 1.1 :無 線傳 感器 網(wǎng)絡(luò) 體系結(jié) 構(gòu)圖 Fig.1.1 system structure of WSN 無線傳感器 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn) 主 要包括傳感 器單元、 處 理器單元、 無線通信 模 塊和能量 供應(yīng)模塊,分別 負(fù)責(zé)設(shè)備 信息數(shù)據(jù)的采 集、轉(zhuǎn)換 、存儲、處理 、傳輸和 能量模塊的能源供應(yīng)。節(jié)點(diǎn)將 監(jiān)測到的 數(shù)據(jù)通過相

42、鄰 的節(jié)點(diǎn)逐 條信息傳輸, 經(jīng)過多跳 路的方式匯聚到匯聚節(jié)點(diǎn),最 后通過外 部的其他方式 (如局域 網(wǎng)絡(luò))發(fā)送到 監(jiān)控中心 。傳感器節(jié)點(diǎn)的體積很小,通 常是通過 自身攜帶的電 池供電, 且數(shù)量一般較 大,分布 區(qū)域較廣,同時其價格低功耗 小。由于 單個 節(jié)點(diǎn)的通 信距離短 ,并且計算和 存儲能力 非常有限,因此4 第 1 章 緒論 采用匯聚節(jié)點(diǎn) 的方式使 通信、存儲和 計算能力 得到增強(qiáng),主 要是通過 轉(zhuǎn)換通信協(xié)議來實(shí)現(xiàn)。使傳感 器網(wǎng)絡(luò)與 外網(wǎng)相連,同 時將監(jiān)測 到的數(shù)據(jù)傳輸 到外部網(wǎng) 絡(luò),并發(fā)布到監(jiān)控中心。匯聚 節(jié)點(diǎn)既可 以是一個具有 充足能量 和內(nèi)存的增強(qiáng) 性傳感器 節(jié)點(diǎn),也可以轉(zhuǎn)變成一個

43、網(wǎng)關(guān)設(shè)備。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種高可靠性、 大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)。 為了獲得準(zhǔn)確的設(shè)備狀態(tài)信息,大量的傳感器 節(jié)點(diǎn)會被 部署所要監(jiān)測 區(qū)域的范 圍內(nèi),這使得 無線傳感 器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測獲得了增大了的空 間視角、 通過獲取的大 量信息對 比可以得到更 加準(zhǔn)確的 設(shè)備狀態(tài)信息以及范圍更加大的監(jiān)測區(qū)域。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是通過一種自組織的動態(tài)性網(wǎng)絡(luò)。 通常無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)被隨機(jī)的部署在監(jiān) 控的區(qū)域 內(nèi),各個節(jié)點(diǎn) 的位置和 它們相互間的 位置關(guān)系 不可知。這個情況要求節(jié)點(diǎn)能 夠通過自 身進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的 配置和管 理,通過分布 式網(wǎng)絡(luò)協(xié) 議來實(shí)現(xiàn)組成網(wǎng)絡(luò)。但是在使 用的過程 中,部分節(jié)點(diǎn) 可能會由 于環(huán)境、能量 甚至損壞

44、等因素的影響而出現(xiàn)故障。為 了正常運(yùn) 行,網(wǎng)絡(luò)中會 設(shè)置、增 加新的傳感器 節(jié)點(diǎn)來取 代已失效節(jié)點(diǎn)的相應(yīng)作用,保 證網(wǎng)絡(luò)拓 撲結(jié)構(gòu)不會隨 著節(jié)點(diǎn)的 突然失效或者 損壞而發(fā) 生改變。傳感器網(wǎng)絡(luò)的自組織性能夠保證網(wǎng)絡(luò)能夠適應(yīng)惡劣的外部 環(huán)境的變化, 其具有系統(tǒng)重構(gòu)能力。 目前互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)只給每單個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備分配了唯一的 IP 地址, 只有通過 這個唯一的IP 地址才能夠進(jìn)行信息 的定位以及傳輸, 該網(wǎng)絡(luò)是以 IP 地址為中心。 而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中是以數(shù)據(jù) 為中心的 應(yīng)用網(wǎng)絡(luò),節(jié) 點(diǎn)采用編 號標(biāo)識,節(jié)點(diǎn) 可以隨機(jī) 部署,不受具體位置的約束。當(dāng)用戶查詢時,系統(tǒng)僅是將事件發(fā)布到網(wǎng)絡(luò),而不需要確定節(jié)點(diǎn)位置。

45、1.3 本文研究的 主要 內(nèi)容 船舶遠(yuǎn)程監(jiān) 控是一個 很 龐大的系統(tǒng) ,涉及到 很 多專業(yè)領(lǐng)域 ,并且隨 著 科學(xué)技術(shù) 的不斷發(fā)展,會 有不斷的 有新技術(shù)和新 理論運(yùn)用 到其中。本文 在綜合考 慮了國內(nèi)外船舶遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng) 的發(fā)展現(xiàn) 狀和趨勢的情 況下,提 出設(shè)計一種低 成本,高 效率,實(shí)用性強(qiáng)的船舶遠(yuǎn)程監(jiān) 控系統(tǒng)。 本文主要針對 船舶艙室 環(huán)境控制中的 環(huán)境數(shù)據(jù) 進(jìn)行采集,并實(shí)現(xiàn)了對采集數(shù) 據(jù)的實(shí)時 監(jiān)控。同時系 統(tǒng)提供了 擴(kuò)充功能,可 以對船舶 結(jié)構(gòu)進(jìn)行擴(kuò)充,并動態(tài)添加需要監(jiān)控的節(jié)點(diǎn)。 本文設(shè)計的 基于物聯(lián) 網(wǎng) 技術(shù)的船舶 遠(yuǎn)程監(jiān)控 系 統(tǒng)結(jié)合了物 聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 、 嵌入式技 術(shù)和 Androi

46、d 技術(shù)。 整個系統(tǒng)采用 B/S 架構(gòu)設(shè)計, 以服務(wù)器為核心, 以 ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為設(shè)備環(huán)境數(shù) 據(jù)的采集終端。ZigBee 無 線傳感器網(wǎng)絡(luò)完成整個船舶環(huán)境數(shù)據(jù)的采集和傳送。 系統(tǒng)采用了 TI 公司的 ZigBee 芯 片是以 CC2530 為核心 , 采用 51 單片機(jī)進(jìn)行傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的采集, 并利用 ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。 無線方式避免了傳統(tǒng)有線組網(wǎng)方式的布線麻煩、 可擴(kuò)展性差、 安裝維護(hù)成本高、 移動性能差等弊端。5 江蘇科技大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 服務(wù)器通過連接 CC2530 無線通信模塊接收來自 ZigBee 無線傳感器 網(wǎng)絡(luò)采集并傳送的數(shù)據(jù)。在任何 一

47、個有網(wǎng) 絡(luò)的地方用戶 都可以通 過電腦瀏覽器 或者 訪問服務(wù)器,查看船舶的實(shí)時狀態(tài)數(shù)據(jù)信息,授權(quán)用戶還可以根據(jù)數(shù)據(jù)做 出判斷,發(fā)送控制命令。 本文研究內(nèi)容具體安排如下: 第 1 章 緒論 介紹了課題研究的相關(guān)背景和技術(shù),以及本論文的主要工作。 第 2 章 可行性及需求分析, 通過對系統(tǒng)的可行性 方面與需求性方面的 分析確定論文課題研究的可行。 第 3 章 船舶遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)整體的方案設(shè)計。 介紹了系統(tǒng)的總體框架、 功能以及相關(guān) 技 術(shù) 與 系 統(tǒng) 的 設(shè) 計 方 案 , 對 系 統(tǒng) 的 功 能 進(jìn) 行 了 設(shè) 計 , 同 時 結(jié) 合 JAVA 技 術(shù) 和 SQL Server 2005 數(shù)據(jù)庫技

48、術(shù) ,建立了基于 B/S 模式的船舶遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng) 。 第 4 章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 節(jié)點(diǎn)模塊。 介紹了無線傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計與節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集。硬件部分重點(diǎn)介紹了 CC2530 微控制器及其外圍電路設(shè)計,軟件部分介紹節(jié)點(diǎn)無線通信 方式的選擇以及節(jié)點(diǎn)低功耗設(shè)計 。 第 5 章 ZigBee 無線傳 感器網(wǎng)絡(luò)通信模塊。 包括 ZigBee 無線傳感器 網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議及各模塊的主要職能。重點(diǎn)介紹了系統(tǒng)的通信協(xié)議的和開發(fā)軟件的設(shè)計。 第 6 章 服務(wù)器應(yīng)用端的 設(shè)計與實(shí)現(xiàn) 包括服務(wù)器 進(jìn)行的軟件設(shè)計。 并對服務(wù)器 (傳統(tǒng) PC 電腦和 移動 終端)進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)。 結(jié)論與展望 。首先對 全 文工作做了 總結(jié),接

49、 著 對船舶遠(yuǎn)程 監(jiān)測控制 系 統(tǒng)數(shù)據(jù)采 集和自動監(jiān)控兩方面的完善提出了自己的想法和見解。 1.4 小結(jié) 本章首先介 紹了課題 研 究的背景及 意義,然 后 介紹了船舶 遠(yuǎn)程監(jiān)控 和 物聯(lián)網(wǎng)技 術(shù)的發(fā)展歷程及 發(fā)展趨勢 ,結(jié)合實(shí)際情 況,從軟 件與硬件兩方 面確定了 實(shí)驗方案。最后闡述了論文的研究內(nèi)容與主要工作。 6 第 2 章 可行性及需求分析 第 2 章 可行性及需求分析 2.1 系統(tǒng)的可 行性分 析 2.1.1 技術(shù)可行性 分析 基于6,7 物聯(lián) 網(wǎng)技 術(shù)的 船 舶 遠(yuǎn)程 監(jiān)控 技術(shù) 可行性 主 要分 為: 開發(fā) 風(fēng)險分 析 和相關(guān)技術(shù)的支撐分析。 開發(fā)風(fēng)險分 析 :本文 的 基于物聯(lián)網(wǎng)

50、 技術(shù)的 船 舶 遠(yuǎn)程監(jiān)控系 統(tǒng)的開發(fā) 目 前主要是 設(shè)計系統(tǒng)的整體 框架和基 本功能的實(shí)現(xiàn) ,并不需 要關(guān)注太多船 舶復(fù)雜環(huán) 境,所以系統(tǒng)可以在規(guī)劃時間內(nèi)完成。 技術(shù)支撐分 析:基于 物 聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的 船舶遠(yuǎn)程 監(jiān) 控系統(tǒng)主要 包括了 數(shù) 據(jù) 采集 與處 理系統(tǒng) 技術(shù)、 數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、 無線通信技術(shù)和頁面 展示四個方面。 1、數(shù)據(jù)采集 系統(tǒng) :目 前常用的 數(shù)據(jù) 采集系統(tǒng) 包括(1)一 般計算機(jī) 數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)(DAS)。 (2) 直接數(shù)字控制 型數(shù)據(jù)采 集與處理系統(tǒng) (DDS)。 (3) 集散型 數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)(DCS)。 2 、 數(shù)據(jù) 傳輸 技術(shù):數(shù)據(jù)傳輸主要分為并行與串行數(shù)據(jù)傳輸

51、方式, 并行數(shù)據(jù)傳輸 :并行傳輸可同 時傳輸相 同比特率的數(shù) 據(jù),每單 個比特只是用 一條導(dǎo)線 ,并行傳輸方式適用于短距離 設(shè)備之間 。串行數(shù)據(jù)傳 輸:只提 供一條線路, 按位傳輸 所有的比特,在長距離連接中更可靠但是速度比較慢。 3、 無線通信技術(shù): 船舶監(jiān)控根據(jù)實(shí)際情況可供選擇的的無線通信技術(shù)主要有以下幾點(diǎn): (1)2G 、3G 移動通信技術(shù) (中國移動、 中國聯(lián)通、 中國電信正在運(yùn)營的網(wǎng)絡(luò)) ;(2)WLAN 無線局域 網(wǎng)(這個好像包括 Wi_Fi 。主要用于本本無線上網(wǎng)) ; (3)軍事方面的高頻、甚高頻、超高頻無線通信技術(shù); (4)潛艇通信; (5)衛(wèi)星通信 ; 4、 界面顯示技術(shù):

52、 主要包括了數(shù)據(jù)庫技術(shù)與計算機(jī)語言技術(shù), 人機(jī)交互界面實(shí)現(xiàn)已很廣泛。 綜上基于物 聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 的 船舶遠(yuǎn)程監(jiān) 控系統(tǒng)可 行 性分析的四 個方面, 在 發(fā)展或者 實(shí)際應(yīng)用方面已經(jīng)可以滿足本系統(tǒng)的開發(fā)技術(shù)支撐。 2.1.2 經(jīng)濟(jì)可行性分析 無線遠(yuǎn)程監(jiān) 控系統(tǒng)的 使 用基本不需 要對船舶 設(shè) 備進(jìn)行移動 或者進(jìn)行 破 船等一系 列對船舶環(huán)境造 成破壞的 操作,無線遠(yuǎn) 程監(jiān)控方 式采用了一次 性的支出 ,并且系統(tǒng)間的兼容性較高, 對其他的 軟件部會產(chǎn)生 沖突,在 今后的使用中 不會再有 大量 工作任務(wù)。7 江蘇科技大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 而且系統(tǒng)開發(fā)所只需普通服務(wù)器和一些開源框架即可開發(fā)成功, 相關(guān)資料也較易獲得。 2.1.3 操作可行性分析 本系統(tǒng)的使 用需要對 管 理員需要一 定的 軟件 維 護(hù) 基礎(chǔ),但 只需經(jīng)過 短 時間的教 學(xué)就可勝任系統(tǒng)日常維護(hù)和管理工作。同時本系統(tǒng)完全符合相關(guān)的規(guī)定。 2.1.4 結(jié)論 基