（控制理论与控制工程专业论文）船只定位系统的设计与实现.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 为解决海产品养殖企业存在的非法捕鱼问题，本文在对海域渔船监控系统研究的基 础上，运用g p s 、g s m g p r s 、计算机网络等技术，对监控系统中的船只定位系统进行 了设计与实现，完成船只定位信息的实时获取、报警处理、船只监控等功能。 船只定位系统分为船载定位终端和定位中心服务器两个部分。两个部分的通信采用 一种短消息和g p r s 相结合的方式：通信过程中首选g p r s 进行定位信息的上传、命令 下发等操作以节省费用，在g p r s 网络故障等异常情况下采用短消息方式进行消息的传 送。这样可以使定位系统获得更好的灵活性和健壮性。船载终端部分以a r m 7 内核的 l p c 2 1 4 8 处理器作为核心，扩展g p s 、g p r s 和l c d 等模块组成。定位终端使用u c o s i i 实时内核用于多任务调度，编写多任务程序完成对定位中心服务器发起连接、接收和发 送定位信息及定位信息显示等功能。定位中心服务器根据功能划分为三个部分：g p r s 服务器、短消息服务器和监控界面，采用具有丰富网络编程及图形类库的j a v a 语言实现， 以s q l s e r v e r 2 0 0 0 作为消息存储数据库。其中g p r s 服务器基于开源的t c p 服务器框 架q u i c k s e r v e r 实现，完成g p r s 形式的定位信息和指令的传送。通过短信猫和短信平 台的比较，为了达到系统要求的通信容量，短消息服务器选择建立在互联网短信网关的 基础上实现，完成短消息形式的信息传送。监控界面采用s w i n g 图形库设计实现，完成 定位信息的接收、解析、存储和对终端监控等功能。 本系统设计完成了海域渔船监控系统中船只定位功能，具有运行费用低、可靠性强 等特点，并可以方便扩展到其他监控领域。 关键词：船只定位系统；全球定位系统；通用分组无线业务；多线程 船只定位系统的设计与实现 d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fs h i pp o s i t i o n i n gs y s t e m a b s t r a c t t or e s o l v et h ep r o b l e mo fi l l e g a lf i s h i n ge x i s t si n f i s h e r yc o r p o r a t i o n , a f t e rc a r e 缸l l y s t u d yo fs e aa r e ab o a ts u p e r v i s o r ya n dc o n t r o ls y s t e m , t h i sp a p e rm a i n l yd e s i g n sa n d i m p l e m e n t st h es h i pp o s i t i o n i n gs y s t e m , a d o p t i n gt h et e c h n o l o g yo fg p s ，g s m g p r sa n d c o m p u t e rn e t w o r k t h ep o s i t i o n i n gs y s t e mi sd e s i g n e dt oa c c o m p l i s ht h et a s k so fi n s t a n ts h i p p o s i t i o n i n gi n f o r m a t i o na c q u i s i t i o n ，a l a r mp r o c e s s i n ga n db o a tr e m o t ec o n t r 0 1 s h i pp o s i t i o n i n gs y s t e mc a l lb ed i v i d e di n t os h i pp o s i t i o n i n g t e r m i n a l p a r ta n d p o s i t i o n i n gs e r v e rp a r t ac o m b i n a t i o no fg p r sa n ds m sm e t h o di sa d o p t e di nt h e c o m m u n i c a t i o np r o c e s sb e t w e e nt h e s et w op a r t s g p r si su s e d 、析mp r i o r i t yi nu p l o a d i n go f p o s i t i o ni n f o r m a t i o n ，c o m m a n dd o w n l o a d i n gt oc u tc o s t , w h i l es m sc o m e st ou s ei nt h e e x c e p t i o nc a s es u c ha sg p r sn e t w o r kf a u l t i nt h i sw a y ，p o s i t i o ns y s t e mc a l lb ei m p l e m e n t e d w i ms t r o n g e rr o b u s t n e s sa n db e t t e ra g i l i t y t h es h i pt e r m i n a lp a r ti sb a s e do na r m 7c o r e l p c 214 8m i c r op r o c e s s o r , e x p a n d e dw i mg p s g p r sa n dl c dm o d u l e t e r m i n a lu s e s u c o s i if o rm u l t i - t a s kh a n d l i n g m u l t it a s k sa r ep r o g r a m m e dt oi n i tc o n n e c t i o nr e q u e s tt o p o s i t i o n i n gs e r v e r ，d i s p l a yp o s i t i o n i n gi n f o r m a t i o n ，r e c e i v ea n ds e n dp o s i t i o n i n gi n f o r m a t i o n a c c o r d i n gt of u n c t i o ns e p a r a t i o nr u l e , t h ec o n t r o ls e r v e ri sd e s i g n e dt op a r t i t i o ni n t ot h r e e p a r t s ，g p r ss e r v e r ，s m ss e r v e ra n dc o n t r o li n t e r f a c e ，a l lo fw h i c ha r ei m p l e m e n t e di nj a v a w h i c hh a sar i c hn e t w o r ka n dg r a p h i c si n t e r f a c el i b r a r y s q l s e r v e r 2 0 0 0i su s e df o rs t o r i n g i n f o r m a t i o n , s u c ha sp o s i t i o ni n f o r m a t i o n n eg p r s l v e ri sp r o g r a m m e db a s e do n q u i c k s e r v e r , ao p e ns o u r c et c ps e r v e rf r a m e w o r k ，t ot r a n s f e ri n f o r m a t i o na n dc o m m a n di n g p r sm o d e a f t e rc o m p a r i n gs m sm o d e m 谢ms m sp l a t f o r m , s m ss e r v e ri sr e a l i z e db a s e d o ni n t e r n e ts h o r tm e s s a g eg a t et ot r a n s f e ri ns m sm o d et or e a c ht h et r a n s f e rc a p a c i t y r e q u i r e db yp o s i t i o n i n gs y s t e m t op r o v i d ei n t e r f a c ef o rp o s i t i o n i n gi n f o r m a t i o na c c e p t i n g ， p a r s i n g ，s t o r i n g ，t e r m i n a lc o n t r o l l i n g ，c o n t r o li n t e r f a c ei si m p l e m e n t e du s i n gs w i n gg r a p h i c s l i b r a r y t h es h i pp o s i t i o n i n gs y s t e ma c c o m p l i s h e st h es h i pp o s i t i o n i n gf u n c t i o no fs e aa r e as h i p s u p e r v i s o r ya n dc o n t r o ls y s t e m , w i t hl o wr u nt i m ec o s t ，s t r o n gr e l i a b i l i t y ，h i g hp o r t a b i l i t yt o o t h e rs u p e r v i s o r ya n dc o n t r o lf i e l d k e yw o r d s ：s h i pp o s i t i o n i n gs y s t e m ；g p s ：g p r s ；m u l t i - t h r e a d e d i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目： ：丝兰：垒鱼重：墨垫避窒丝 作者签名： 0 盈塾 日期：! 堡年_ 上竺月三三日 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目：旌! ：盘丝墨：塑丝墨丑垒塞丝 作者签名：妞至 导师签名：厘塾盘 日期：2 竺芝年匕月竺日 日期：兰丝芝年旦月兰日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1 应用背景 随着社会经济的发展，大连市某渔业养殖企业内养殖规模日益增大，该企业所拥有 海域面积广阔，占全国已查明的渔业用海面积的5 5 3 。为了对所辖海域进行管理，配 备了渔政船、执法船等进行海域渔业资源和渔业水域环境的管理工作，查处违法违规事 件，包括越界捕鱼等，保护海域渔业的利益，维护海域渔业生产秩序。但是，随着科学 技术的进步，不法分子采用更先进、更隐蔽的技术进行违法违规捕鱼，造成海域盗窃、 抢劫事件的存在及交通堵塞状况的时有发生，使企业在经济上蒙受了极大的损失。因此 对运营船舶进行有效的监控、调度，并提供各种基于位置的服务以加强相关业务管理的 需求迅速增加。基于全球定位系统与通用分组无线业务的船舶监控调度系统正是由于这 种需求而出现，并不断发展起来的。 本文所述的监控系统是为了加强日益复杂的企业所辖海域监控管理工作而设计的。 基于g p s 和无线网络的船舶监控调度系统是指利用g p s 用户设备的定位功能、g i s 专 业软件的地图操纵功能、无线g p r s 网络通信技术以及计算机技术实现的基于移动船舶 的智能化监控调度管理系统。g p s 是在2 0 世纪8 0 年代才开始应用于交通领域的，但它 的应用对减少交通阻塞、提高效率、节约能源、提高安全性有着非常重要的意义【卜3 1 。 这种监控调度系统不仅用于公众车辆、船只、私人汽车等移动目标的跟踪监控、调度管 理和自动导航，还具有对公安、救护、邮政等特种车辆进行安全监控和远程防盗等功能。 本系统的开发将会显著提高海域监控管理的工作水平，有利于加强对非法船舶的监 管和打击力度，弥补现有执法管理手段在技术、人力、物力上的不足，提高海域监控管 理的执法效率。系统具有灵活性和可扩展性，可以方便的扩展到其他区域，实现大范围 海域的监控管理。 1 2 国内外研究概况 自美国国防部将全球卫星定位系统对民用免费开放以来，国内外多家科研机构和和 公司对使用g p s 、g i s 、移动通信技术等实现定位、导航和跟踪监控等功能展开了研究， 取得了丰厚的成果。上世纪8 0 年代后期，美国、日本及西欧等国竞相发展了基于g p s 的智能交通系统，现在已趋于成熟，引领了该领域的发展方向。尤其是日本，由于出色 的制造技术，使得其在车辆导航装置方面的研究开发和生产已经处于世界领先水平1 4 1 。 最早从事g p s 监控系统开发工作的国外公司主要有n a v s y s 、t r i m b l e 和m o t o r o l a 等，随后诸如福特、罗克韦尔等公司也纷纷加入到这个领域来。这些监控系统都一般与 船只定位系统的设计与实现 蜂窝通信系统结合起来构成一个完整的应用系统。其中做的比较成功的有法国雷诺的 c a r m i n a t 车辆定位与调度系统；美国g e n e r a lm o t o r 公司研究实验室研制的t r a v t e k 车辆 定位与调度系统等产品。这些系统在定位与监控方面的共同特点就是能够提供精确、连 续的车辆定位，定位与调度系统的稳定性和可靠性也比较高。 我国的车辆导航、监控系统的应用研究起始于上世纪9 0 年代，并经历了一个曲折 的发展过程。2 0 世纪9 0 年代中期我国出现了上百家的车辆监控系统公司【5 】，但是当时 由于市场需求并未形成，技术不够成熟等因素，从而导致鲜有商品化的产品出笼。 随着科学技术的飞速发展，g p s 技术用于地面移动目标的跟踪定位已被广泛应用。 目前基于g p s 的车辆监控调度系统的研究与应用在国内蓬勃发展，并在一些发达城市 及某些特殊领域进行了试运行。随着中国移动的g p r s 网络技术和中国联通的c d m a 网络技术的成熟，通信链路导致的时间延迟问题得到了相当大程度的改善。采用g p r s 技术的车载终端系统在单位用户市场和个人用户市场都具有极强的竞争力。 1 3 相关技术基础 1 3 1短消息和g p r s 1 9 8 2 年，北欧4 国向欧洲邮电行政大会c e p t 提交了份建议书，要求制定9 0 0 m h z 频段的欧洲公共电信业务规范，建立全欧洲统一的蜂窝网移动通信系统，以解决欧洲各 国由于用多种不同模拟蜂窝系统造成的互不兼容无法提供漫游服务的问题。同年成立了 欧洲移动通信特别小组，简称g s m ( g r o u ps p e c i a lm o b i l e ) 。1 9 8 8 年1 8 个欧洲国家达成 g s m 谅解备忘录，颁布了g s m 标准，即泛欧数字蜂窝网通信标准【6 】，包括两个并行的 系统：g s m 9 0 0 和d c s l 8 0 0 ，这两个系统的功能相同，主要的差异是频段不同。 g s m 移动通信系统主要由移动台、基站子系统和网络子系统构成。基站子系统( 简 称基站8 s ) 由基站收发台( b t s ) 和基站控制器( b s c ) 组成；网络子系统由移动交换中心 ( m s c ) 和操作维护中心( o m c ) 以及原籍位置寄存器( h l r ) 、访问位置寄存器( v l r ) 、 鉴别中心( a u c ) 和设备标准寄存器( e i r ) 等组成【7 羽。 短消息业务( s m s ：s h o r tm e s s a g es e r v i c e ) 是g s m 系统提供给用户的一种数字业务， 无需建立端到端的业务通道，具有分组数据的特点，并可以在终端设备关机或超出覆盖 范围之外时依然保证消息的传递。短消息不占用话音通信的信道，并支持低速的全球漫 游，非常适用于小数据量的消息业务。 短消息业务包括移动台之间点到点短消息业务( s m s p p ) ，以及小区广播式短消息 业务( s m s c b ) t 9 1 。 大连理工大学硕士学位论文 点到点短消息业务由短消息业务中心完成存储和前转功能。短消息业务中心是与 g s m 系统相分离的独立实体，不仅服务于g s m 用户，也可服务具备接收短消息功能的 固网用户。点到点消息的发送或接收应在呼叫状态或空闲状态下进行，由控制信道传送 短消息业务，消息量具有一定限制。点到点短消息提供2 种基本业务：移动台发起的短 消息业务( s mm o ) 和移动台接收的业务( s mm t ) 。s mm o 是短消息从移动台发出，经 短消息服务中心转发到短消息实体，如移动用户或固定网络用户。s mm t 是短消息从 服务中心传送到移动台，这些短消息既可是其它移动用户发起的短消息，也可以是用其 它方式发送到短消息服务中心的语音、电报和传真。 小区广播式短消息业务是g s m 移动通信网以有规则的间隔向移动台广播具有通用 意义的短消息，例如道路交通信息等。移动台连续不断地监视广播消息，并能在显示器 上显示广播消息。此短消息也是在控制信道上传送的，移动台只有在空闲状态下才可接 收广播消息。 随着移动通信的大发展，移动数据通信日益受到重视，其地位越来越重要，应用也 越来越广泛。通用分组无线业务g p r s 正是迎合g s m 移动通信市场和因特网的迅猛发 展日益融合而产生的。理论上它的最高传输速率为1 7 0 k b s ，这个数字是现有固定电信 网络数据传输速率的三倍，是g s m 网络数据服务速率的十倍【埘。随着它的出现，人们 第一次真正通过移动设备享受完全的i n t e m e t 访问功能。g p r s 终端可以同时支持话音 业务、数据业务及各类多媒体通信业务。 传统的g s m 网是针对电路交换的语音通信而设计的，主要业务在移动电话方面， 新近开展的数据应用服务也越来越受到欢迎，但随着日益增长的数据和多媒体业务需 求，g s m 在这方面显得不足，g p r s 的出现可以对这些不足进行弥补。 g p r s 是在现有的g s m 移动通信系统基础上发展起来的一种移动分组数据业务。 g p r s 通过在g s m 数字移动通信网络引入分组交换的功能实体，以完成用分组方式进 行的数据传输。g p r s 系统可以看成是在原有的g s m 电路交换系统的基础上进行的业 务扩充，用来支持移动用户利用分组数据移动终端接入i n t e m e t 或其他分组数据网络的 需求，是移动通信和分组数据通信融合的第一步【l l 】。 g s m 演变到g p r s 是通过在原g s m 网络基础上增加一系列的功能实体，如服务 g p r s 支持节点s g s n ，网关g p r s 支持节点g g s n ，点对多点数据服务中心等，来完 成分组数据功能，新增加功能实体组成g s m g p r s 网络，作为独立的网络实体对g s m 数据进行旁路，完成g p r s 业务，原g s m 网络则完成语音功能，尽量减少了对g s m 网 络的改动。g p r s 网络与g s m 原网络通过一系列接口协议共同完成对移动台的移动管 理功能。 船只定位系统的设计与实现 g p r s 的优点包括提高了数据传输速率，远远超过原有g s m 数据业务最高速率； 允许用户以端到端的分组传送模式发送和接收数据，不需要使用电路交换模式下的任何 网络资源，从而可以自主运营并且适合于突发数据的业务特性 1 2 - 1 3 1 ，具体分析如下： ( 1 ) 高速传送 电路交换数据业务，速率为9 6 k b s ，因此电路交换数据业务( 简称c s d ) 与g p r s 的关系就像是9 6 k 调制解调器和3 3 6 k ，5 6 k 调制解调器的区别一样，g p r s 的最高速 率可以达到1 7 0 k b s 。同时，由于具有较高的数据传输率，g p r s 除了能够传输定位信 息、语音信息和文本信息外，还能够传输多媒体信息，如电子地图、图像等。 ( 2 ) 永远在线、轻松方便 除了速度上的优势，g p r s 还有“永远在线 的特点，即用户随时与网络保持联系。 举个例子，用户访问互联网时，点击超级链接，手机就在无线信道上发送和接收数据， 主页下载到本地后，没有数据传送，手机就进入一种“准休眠 状态，手机释放所用的 无线信道给其他用户使用，这时网络与用户之间还保持一种逻辑上的连接，当用户再次 点击，手机立即向网络请求无线信道用来传送数据，而不像普通拨号上网那样断线后还 得重新拨号才能上网。 ( 3 ) 计费合理 g p r s 移动终端的计费是根据用户数据传输的数量而不是无线网络的连接时间来计 费，价格非常便宜，只要不进行下载或传输数据操作，即使“永远在线，也不增加费 用。若将g p r s 用于g p s 定位监控系统，其费用约为g s m 短信服务的十分之一，可以 弥补采用g s m 短信息服务与数据中心联系时，短信息数量大，费用高的缺陷。 1 3 26 p s 系统 全球定位系统简称为g p s 。美国从2 0 世纪7 0 年代开始研制g p s 系统【1 4 1 ，耗费巨 资，1 9 9 4 年全面建成，具有在海、陆、空三维进行全方位实时导航与定位功能的新一代 卫星导航与定位系统。g p s 包括3 大部分【1 5 j ：g p s 卫星( 空间部分) 、地面支撑系统( 地 面监控部分) 、g p s 接收机( 用户部分) 。 空间部分由2 l 颗卫星和3 颗备用卫星组成，均匀分布在6 个轨道上，离地面高度 约2 0 m m ，轨道面的倾角约为5 5 r a d ，轨道偏心率接近于0 。卫星运动周期接近于1 2 h ， 某时某地卫星在空中的分布情况将在次日同时同地再现，这样的分布卫星使地球上任何 地点任何时刻均可观测到4 颗以上的卫星。地面部分的主要任务是跟踪所有卫星，测量 和计算每颗卫星的星历，编辑成电文发送给卫星，然后由卫星实时地播送给用户。同时 地面部分还向卫星发送控制指令和数据。g p s 卫星接收和储存地面控制系统发来的导航 大连理工大学硕士学位论文 信息，并执行相应的控制指令。同时利用卫星上设有的微处理器进行必要的数据处理， 通过星载的高精度铯钟和铷钟提供精密的时间标准，并向用户发送导航和定位信息。 在导航定位中，首先必须知道卫星的位置，而位置是由卫星星历计算出来的。地面 支撑系统的功能就是观测卫星并计算其星历，编辑成电文注入卫星，然后由卫星以广播 星历的方式实时地传送给用户。 地面支撑系统包括1 个主控站、3 个注入站和5 个监测站。主控站位于科罗拉多州 斯平上的联合空间招待中心，3 个注入站分别设在大西洋的阿松森岛、印度洋的狄哥西 亚和太平洋的卡瓦加兰，5 个监控站设在主控站、3 个注入站和夏威夷岛。监测站的主 要任务是对每颗卫星进行观测，并向主控站提供观测数据。每个监测站配有g p s 接收 机，对每颗卫星进行常年连续不断地观测，每6 s 进行1 次伪距测量和多普勒观测，定 时将观测数据传送到主控站。5 个监测站均匀分布在全球范围，保证了g p s 精密定轨的 精度要求。主控站主要完成采集数据、编辑导航电文、诊断功能、调整卫星等任务。 g p s 接收机的结构基本上分为天线单元和接收单元两部分【1 7 1 。天线单元是由接收天 线和前置放大器组成。现在接收机大多采用有源微带天线。接收单元主要包括通道单元、 计算和显示单元以及存储单元。通道单元的主要功能是接收来自天线单元的信号，经过 变频、放大、滤波等到处理，实现对g p s 信号的跟踪、锁定、测量，提供计算位置的 数据信息，可以根据不同需要将其设计成6 至1 2 通道。每个通道在某个时刻跟踪1 颗 卫星。当此卫星锁定后，便占据该通道，直到此卫星失锁。计算和显示单元的主要功能 包括自检、计算三维坐标和速度、人机对话等。存储单元则用于存储输入的各种数据。 1 4 论文主要工作及组织结构 1 4 1 论文主要工作 论文设计和实现了基于移动网络的船只定位系统，包括船载定位终端的软件设计船 载中心服务器的软件设计与实现。主要包括一下几个方面： ( 1 ) 在嵌入式平台的选择过程中，了解了嵌入式处理器的结构、工作原理，在软件 船载终端的软件编写过程中，学习了嵌入式多任务内核的工作机理及在其基础上的编 程。对g p s 系统和g s m 系统有了一定的研究，学习了g p s 系统组成及定位原理，对 g s m 系统提供的短消息业务和g p r s 业务及两者的区别有了认识。 ( 2 ) 通过使用q u i e k s e r v e r 进行g p r s 服务器的设计，研究了多客户端多线程服务器 的设计与实现。 ( 3 ) 通过基于c m p p 协议的短消息服务器设计，对j a v a 的网络编程和多线程编程有 了深入的研究。 船只定位系统的设计与实现 1 4 2 论文的组织结构 第一章绪论。介绍了课题的背景和课题来源，国内外监控系统的研究现状，对g s m 系统、g p r s 技术及g p s 系统进行了简单的描述。 第二章系统总体设计。首先分析了监控系统的组成和结构，在此基础上，对船只 定位子系统进行功能分析，并将定位系统分为三个部分分别进行了设计。 第三章船载定位终端实现。在介绍船载定位终端的硬件结构和功能之后，主要描 述了多任务内核的移植和各个任务的实现。 第四章定位系统服务器实现。详细介绍了定位系统服务器的实现，包括基于 q u i c k s e r v e r 的g p r s 服务器实现、基于c m p p 协议的短消息服务器的实现和监控界面 的设计实现。 大连理工大学硕士学位论文 2 船只定位系统需求分析与设计 2 1监控系统总体结构分析 根据上一章的项目的背景和对项目进行需求分析，结合现有的g p s 、g s m g p r s 、 嵌入式、计算机网络和雷达等技术，最终设计海域渔船监控系统如图2 1 所示。其中图 中阴影为定位子系统即本文阐述的主要部分。整个监控系统可以分为五层，分别为被控 对象层、通信网络层、数据采集层、数据存储层和监控中心层。下面对各个层次的功能 及层次之间的联系进行详细的说明。 图2 1 监控系统体系结构图 f i g 2 1 a r c h i t e c t u r eo fs u p e r v i s o r ya n dc o n t r o ls y s t e m ( 1 ) 监控对象层：该层包含的就是给定海域中的船只，包括合法的船只，即渔业养 殖公司所属的船只，和非法的船只，即不属于渔业养殖公司存在偷盗渔猎嫌疑的船只。 监控对象的主要功能包括定时的发送监控数据和接收监控中心下发的监控指令并执行。 该功能由合法船只上配备的定位终端实现。定位终端通过其g p s 模块接收全球定位系 船只定位系统的设计与实现 统卫星发送的g p s 定位信息，从接收到的定位信息中提取出相应的经度纬度及时间信 息，然后通过g p r s g s m 模块以g p r s 或短消息的形式将经度、纬度、时间信息经由 移动网络发送到数据采集层。定位终端同时还可以接收来自于监控中心的指令，指令可 能用于设置定位的参数或要求即时的定位消息。终端接收到指令后可以根据指令的内容 类型在线的修改定位参数和发送即时的定位信息。 ( 2 ) 通信网络层：监控对象层的上一层为通信网络层，其功能为传送海域的船舶相 关信息，该层分为两个部分，包括雷达扫描系统和移动网络。雷达扫描系统定时的扫描 给定海域获得扫描图片，并通过光纤骨干网络将扫描图片传送到数据采集层。移动网络 部分则是利用已有的全球移动通信系统提供的短消息和通用分组无线业务服务来进行 监控对象层与数据采集层之间的定位信息和指令的传输。 ( 3 ) 数据采集层：该层主要用于获取雷达扫描系统扫描的图片和移动网络发送的定 位信息。其中雷达扫描的图片通过光纤骨干网络获取，定位信息通过g p r s 方式则通过 在互联网开放g p r s 服务器获取，而s m s 短消息模式则通过互联网短信网关获取。数 据采集层在获取数据后，需要将获取的信息进行进一步的分解后存入数据库中。 ( 4 ) 数据存储层：该层主要就是存储来自数据采集层的扫描图片和定位的消息，这 些消息用于提供给监控中心层进行数据的分析使用。 ( 5 ) 监控中心层：该层作为最上层利用下层采集到的扫描图片和定位信息来分辨给 定海域中的非法船只和合法船只，从而可以定位非法船只。通过雷达扫描的图片，经过 图片的去除噪声处理，可以定位给定海域中所有船只的位置。结合合法船只的定位信息， 与雷达扫描处理后的图片进行比较便可以定位非法船只的位置，从而可以采取相应措施 进行处理。 2 2 船只定位系统的分析与设计 本文所做的工作为船只定位子系统的设计与实现。船只定位系统为渔船监控系统的 重要部分，涉及监控系统的全部五个层次，主要进行合法船只的定位信息的获取和存储。 具体包括监控对象层的船载终端部分和数据采集层的g p r s 和短消息服务器。其中船载 终端主要进行g p s 定位信息的获取与发送，短消息服务器和g p r s 服务器则进行g p s 信息的接收和控制指令的发送。 定位系统采用的是一种s m s 和g p r s 相结合的通信方案：渔船终端主要以g p r s 方式向数据采集层发送定位信息，相比s m s 方式可以大大的降低通信的成本，且可以 提高实时性和可靠性，当渔船终端在建立了g p r s 的连接并连接上g p r s 的服务器时， 服务器可以通过建立的连接下发监控指令到渔船终端；在渔船终端没有建立g p r s 的连 大连理工大学硕士学位论文 接时，服务器则可以通过s m s 短消息的方式发送配置修改或者是监控指令到渔船终端， 从而克服了服务器不可以主动向渔船终端发起连接的缺陷：同时在g p r s 网络中断的时 候可以使用s m s 短消息来暂时代替g p r s 作为定位信息的主要通信通道，提高了定位 系统的健壮性。 为了便于系统的设计和实现，对整个船只定位系统进行了模块的划分，可以将其分 为三个部分：船载终端部分，g p r s s m s 服务器部分及终端和服务器之间的通信协议部 分。下面将这个三个部分进行具体的分析与设计。 2 2 1 船载监控终端设计 船载定位终端部分完成g p s 定位信息的接收，建立与g p r s s m s 服务器的连接， 然后通过建立的通道发送g p s 定位信息。终端硬件采用a r m 7 系列的微处理器为核心， 扩展g s m g p r s 和g p s 模块用于获取和发送定位信息，并扩展l c d 用于定位信息和相 关参数报警消息的显示。具体组成如图2 2 所示： is 辫。障 ，、 i 模块i 州刊凹s 模块 l p c 2 1 4 8 i l c 。模块b刊t _ - a x 小键盘 图2 2 定位终端硬件结构图 f i g 2 2 s t r u c t u r a lr e p r e s e n t a t i o no fp o s i t i o n i n gt e r m i n a lh a r d w a m 基于渔船终端的电源损耗和开发简便性及终端的尺寸考虑，选用飞利浦公司的 l p c 2 1 4 8 作为处理器核心。该款处理器采用超小的l q f p 6 4 封装，其尺寸仅为1 0 m m 1 0 m m ，且内置3 2 k b 的r a m 和5 1 2 k b 的高速f l a s h 存储器，从而免去了自行外部扩 展r a m 和r o m 的麻烦【l 引。较小的封装和很低的功耗使l p c 2 1 4 8 特别适用于访问控制 和p o s 机等小型应用中；由于内置了多种的串行通信接口( 从u s b2 0 全速器件、两个 u a r t 、s p i 、s s p 到1 2 c 总线) 和3 2 k b 的片内s r a m ，它们也非常适合于通信网关、协 议转换器、软件m o d e m 、语音识别、低端成像，为这些应用提供大规模的缓冲区和强大 的处理功能。两个3 2 位定时器、两个1 0 位a d c 、1 0 位d a c 、p w m 通道、4 5 个高速 g p i o 线以及多达9 个边沿或电平触发的外部中断管脚，使它们特别适用于工业控制和 医疗系统。 船只定位系统的设计与实现 g p r s g s m 模块采用的是希姆通s i m c o m 公司的s i m 3 0 0 模块。s i m 3 0 0 是一款 s m t 封装形式的三频四频g s m g p r s 模块，内嵌强大的t c p i p 协议栈，无需移植扩 展t c p i p 通信协议便可以直接进行g p r s 通信，从而可以大大减轻开发人员的负担并 缩短开发周期，同时内嵌的协议具有良好的性能和健壮性，一体化的设计能够提高整个 系统的稳定性和可维护性。s i m 3 0 0 模块尺寸仅为3 3 m m 3 3 m m 3 m m ，能够满足本 系统中对于尺寸小的要求。另外，s i m 3 0 0 模块还具有重量轻，价格低廉，使用方便， 接口简单等特点。 g p s 模块选用的是u - b l o x 公司的l e a 5 h 定位模块。该模块的定位精度为2 5 米， 定位性能优异准确，整体参数可靠，在防漫反射及抗干扰能力上十分强劲。u b l o x 的s u p e r s e s ek i c k s t a r t 可以实现超快弱信号捕获，捕获与跟踪灵敏度达到1 6 0 d b m ，天线较小时 也可以实现较高性能接收。惯性导航g p s 技术则可以实现不问断导航、自动传感器校 准。u b l o x 模块以定位速度快、工作稳定、耐高压冲击和高抗干扰性而深受青睐，在车 辆调度、精细农业、高速追击等许多领域内得到了广泛的应用。 2 2 2 通信协议设计 通信协议部分主要定义了在g p r s 连接和s m s 短消息发送时，船载终端与 g p r s s m s 服务器之间来往的消息的具体格式及格式的意义说明。根据前述的通信方案 的设计，通信消息的载体可能是g p r s 和s m s 短消息的一种。因此对于这两种传输通 道，需要根据其不同的特点，分别进行协议设计。 当使用g p r s 进行定位信息的传输时，首先终端的g p r s 模块需要与g p r s 的服务 器建立t c p 连接。为了防止其他非法船只利用伪造终端进行登陆和发送定位信息，在 t c p 连接建立之后，船载终端首先要发送一条登陆信息，主要包括船载终端配备s i m 卡的卡号及其密码。其中密码在船载终端的s i m 卡中和g p r s 的服务器中都有备份以便 进行合法和非法船只的鉴别。登陆消息的具体格式如表2 1 所示： 表2 1 登陆消息格式 t a b 2 1t h ef o r m a to fl o g i nm e s s a g e g p r s 服务器端在与船载终端建立连接并接收到第一条消息之后，提取出消息中的 s i m 卡号和登陆密码，然后与数据库中的对应s i m 卡号和密码进行比较，若密码核对 大连理工大学硕士学位论文 正确，则返回登陆成功的消息。若密码校验错误则返回密码错误信息，若已经有该s i m 卡号的终端登入，则返回重复登陆错误信息。该三类登陆响应信息的格式具体如表2 。2 所示： 表2 2 登陆响应消息格式 t a b 2 2t h ef o r m a to fr e s p o n s em e s s a g ef o ri o g i n 在登陆成功之后g p r s 终端和g p r s 服务器便建立起了应用层的连接。船载终端可 以根据预先设定的时间间隔使用g p r s 发送g p s 信息到g p r s 的服务器。发送的固定 时间间隔的定位信息的具体格式如表2 3 所示： 表2 3 定时发送消息格式 t a b 2 3t h ef o r m a to ft i m i n gp o s i t i o n i n gm e s s a g e 由于g p r s 按传输流量收费，同时g p r s 在建立连接之后是可以长时间在线不产生 费用，但是占用了移动网络的资源，所以移动网络会对长时间在线而不传输数据的链路 虚断掉，造成传输通道的断开，所以在船载终端与g p r s 服务器之间还有可能要传送心 跳数据包来维持链路，以节省不断重复建立连接的开支。另一方面通过发送心跳信号， 也作为服务器判断相应船载终端的在线状态的依据。为了节省g p r s 的流量，船载终端 向g p r s 服务器发送的心跳包设置为一个字节，其具体值为“稃。其中心跳包的具体 时间间隔可由服务器发送消息进行设置。 监控中心为了完善监控功能，在固定间隔的g p s 定位信息之外，还需要要求船载 终端在某一时刻上传即时定位信息。在这种情况下，需要发送立即传输g p s 信息的指 令，该指令的具体格式如表2 4 所示： 船只定位系统的设计与实现 表2 4 即时上传指令消息格式 t a b 2 4t h ef o r m a to fi n s t a n tu p l o a dc o m m a n dm e s s a g e 船载终端在接收到立即传输g p s 定位信息的指令后，解析该条信息，并在指定的 时间达到之后，发送立即g p s 信息，具体格式如表2 5 所示： 表2 5 即时上传指令消息格式 t a b 2 5t h ef o r m a to fi n s t a n tu p l o a dc o m m a n dm e s s a g e 监控终端的相关参数还需要能够进行修改，在通信方案的设计中，只要存在g p r s 连接，参数也使用g p r s 进行设置，具体参数设置包括登陆密码的设置、上传定位信息 时间间隔、心跳包发送的时间间隔和g p r s 服务器端的i p 端口设置。参数设置的指令 具体如下所示： 表2 6 参数修改指令消息格式 t a b 2 6t h ef o r m a to fp a r a m e t e rc o n f i g u r a t i o nc o m m a n dm e s s a g e 以上参数设置中，其中g p r s 服务器的i p 和端口设置和登陆密码需要在下次重新 建立t c p 连接时才有效。在前述的通信方案设计中，当g p r s 网络中断的时候可以使 用s m s 短消息来暂时代替g p r s 作为定位信息的主要通信通道。在使用短消息进行传 输时，具体的通信消息的协议基本与g p r s 的消息格式相同，但是由于短消息的传输的 方式和携带消息的不同，仍然存在差异，具体包括： 大连理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 短消息每接收到一条短消息，都可以从短消息中获取s i m 卡号，从而可以判断 终端的合法性，所以不存在终端的登陆问题。 ( 2 ) 由于短消息发送是属于存储转发类型，不需要建立长期的链路进行数据的传输， 所以不需要发送心跳消息。 在g p r s 连接没有建立的情况下，也可以使用短消息来设置登陆密码、定时发送时 间隔、心跳包时间间隔和服务器i p 和端口等参数。 2 2 3 定位系统服务器设计 由于通信方案采取一种g p r s 和短消息互补的方式，在服务器端配置进行g p r s 和 短消息两种服务器，服务器端完成的功能如下所示： ( 1 ) 定位功能：接收监控对象层的g p s 数据信息，对数据信息进行解析处理并存储 到数据库之中。 ( 2 ) 要求终端上传指定时间的数据：监控中心向终端发送指令信息，要求终端立即 上传特定时间的定位信息。 ( 3 ) 船只管理功能：对船舶进行管理，包括新增一个船舶终端，删除一个船舶终端， 查询某一终端信息等等。 “) 数据库管理功能：能够定时清除数据库中一些临时信息，过时信息等，保证数 据存储、查询速度。定期执行数据库备份，保证信息永久存储。 g p r s 和短消息服务器分别使用各自的方式进行定位信息的获取，对于定位信息的 处理部分设计完成后可应用与两个通道获取的数据。设计用户控制界面完成定位信息的 处理。控制界面要求能够实时显示接收到的g p s 数据，根据建立的连接或者短消息发 送的数据确认当前在线的船只，能够通过控制界面向指定的在线船只发送立即上传定位 数据，管理船只相关信息，如渔船对应终端的s i m 卡号，登陆密码，所属船队等，并可 以对其进行增删改查。 为了使船载定位终端能够向g p r s 服务器发起连接以传送数据，g p r s 服务器可以 采用以下三种方式开放端口： ( 1 ) 服务器监控中心采用专线接入，所有都采用内网固定i p 。 此方案要求监控中心通过一条a p n 专线接入移动公司的g p r s 网络，双方互联路 由器之间采用私有固定i p