摘要：针对目前港航管理艇上“信息化”较为薄弱的情况下，提出了结合了3G、WIFI和RFID技术的船载网络接入智能设备，解决了港航管理艇上各种多媒体信息传输的需求。
关键词：RFID；3G；WiFi
中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1009-3044(2011)16-3925-03
Research of Network Access Intelligent Device Facing Waterway Management Boat
YANG Lian, DONG Li-hua
(Information Engineering College, Shanghai Maritime University, Shanghai 200135, China)
Abstract: The present in view of the weakness of waterway management board "information" , we put forward ship network access intelligent device combined with 3G, WiFi and RFID technologies, to meet the requirements of waterway management board of various multimedia information transmission.
Key words: RFID; 3G; WiFi
目前，港航管理艇在港航相关业务中担当重要角色，执行着许多重要的日常港航业务工作，如内河水域安全监督管理、海事执法以及搜索救助等，同时也是港航业务中重要的水运信息来源，如水上搜救、事故调查、航道管制、水上突发事件处理、内河船舶监管等等。这些重要的信息往往需要实时与局端服务平台进行交互。这些信息存在着多样化、复杂化的特点，包括了语音、视频、设备数据、业务数据等多种类型，有的信息需要实时在线传输，而有的信息又需要在登岸时候进行同步。特别是在港航管理艇出勤现场在线办公，同样也需要保持港航管理艇同局端服务平台的实时通信。
目前各种港航管理艇主要上配备的信息化设备主要包括了：GPS/GRPS(CDMA)终端[1]、船舶自动识别系统（AIS）[2]、船载雷达以及应急远程无线视频传输系统等。由于成本和应用方式所限制，目前在内河港航管理艇上主要安装的是GPS/GPRS(CDMA)终端，用于实现指挥中心统一对港航管理艇进行实时监控以及双向呼叫联系。但是GPS/GPRS(CDMA)终端却无法完成在港航管理艇现场在线办公、实时设备数据传输、视频远程监控等复杂的功能，港航管理艇的“信息化”水平较为薄弱。
着眼于港航管理艇现场在线办公、远程视频监控、港航管理艇状态实时监控、艇载设备数据实时传输等实际需求，研究船载网络接入智能设备，以实现“信息化”的港航管理艇。
1 系统结构
1.1 软件结构
主要的软件场景为港航管理艇执行出勤任务的时候以及港航管理艇停泊在海事管理站的船坞内的时候。
1) 执行出勤任务
管理艇上的船载RFID读取器读取到周围船舶标签的数据，通过3G无线网络保持与港航局局端网络的连接，并通过艇上无线以太网、有线以太网接口的形式提供外部设备的网络代理连接，如笔记本电脑、船载硬盘录像机等，并同时在设备内部完成各个外部接口总线的网络转换服务，包括以太网/串口转换服务、以太网/GPS接收机转换服务以及以太网/数字IO转换服务。在3G网络无法保持与港航局局端网络的连接，启动数据备份功能，将设备总线的数据（如果有必要）存储在内置的SD卡，如GPS数据，船载RFID读取器的数据等等。
2) 船坞停泊
停靠管理站时，实现3G和WIFI网络的转换，通过无线以太网络保持与港航局局端网络的连接，并通过有线以太网络接口提供外部设备的网络代理连接，如笔记本电脑、船载硬盘录像机等。由于通过无线以太网络可以保持较大的带宽，此时港航局局端可以调阅船载硬盘录像机的录像数据或其它需要高带宽的业务。另外，船载设备会自动将执行出勤任务上传到港航局局端服务器。
1.2 硬件结构
根据船载网络接入智能设备的功能要求，该硬件电路由控制器模块、网络通信模块、RFID读写器模块、电源模块等四个模块组成，并采用高可靠性的开发式嵌入式系统平台作为核心硬件进行设计，可以快速集成多种成熟的外部设备，所有模块采用和集成工业级设备，以适应港航管理艇的工作环境。设备的硬件结构如图1所示。
1）控制处理模块的主要功能是控制外挂的其他模块。
2）网络通信模块又分为WIFI模块和3G模块。3G模块完成与3G公网的连接，通过和WIFI模块相连，提供船舱局域网功能。
3）RFID读写器模块获取附近水域中船只RFID标签中的信息，通过串口服务器直接连接WIFI模块，使得在线办公的电脑可获取这些信息。
4）电源模块的主要功能是为其他各个模块供电。
1.2.1 控制器模块
船载网络接入智能设备的控制器模块采用的是EP930x处理模块， EP9301/EP9302是Cirrus Logic公司新近推出的系列arm9芯片中的一款极高性价比的控制模块。 EP9301拥有先进的166兆赫 ARM920T处理器（Ep9302为200兆赫）, 66兆赫系统总线(EP9302为100兆赫系统总线)以及支持Linux、Windows CE和其它许多嵌入式操作系统的存储器管理器单元（MMU）。
1.2.2 网络通信模块
设备的网络通信模块分为两个部分：3G模块和WiFi模块。结构图如图2所示。
3G模块使用Caimore CM8X50P系列模块，可根据不同的使用网络环境，选择不同模块产品。该模块对外有五个接口：RF I/O、SIM卡接口、WiFi信号接口、电源接口和与控制器之间的数据接口。
WiFi模块采用GIGABYTE公司的GN-W101GS无线模块，数据传输速率标准为54Mbps，支持802.11b/g协议，并具有安全可靠的数据传输能力。该模块对外有六个接口：RF I/O、WiFi信号接口、RFID信号接口、RJ45接口、电源接口和与控制器之间的数据接口。
1.2.3 RFID读写器模块
结构如图所示，包括控制模块（MCU）、射频模块、串口服务器、天线接口以及WiFi模块和电源接口等六个部分。
1.2.4电源模块
根据船载网络接入智能设备的工作环境要求，需要配备220AV转12DV的供电模块，在本设计中，采用了EMI电磁滤波器和过压、过流、短路等多重保护电路，能有效抑制变压噪音，提高变压的可靠性和稳定性。
1.3 实现的功能
船载网络接入智能设备具有以下功能特性：
1）支持3G/3.5G无线接入功能，支持WIFI AP （802.11 A/B/G/N）功能，实现WIFI和3G/3.5G公用网络的无缝连接
2）支持4个10/100M以太网接口（有线WAN口），支持PPPOE协议
3）支持无线视频监控和动态图像传输
4）上电即可进入数据传输状态，并且智能防掉线，设备支持在线检测，在线维持，掉线自动重拨，确保设备永远在线。
5）支持RFID监控功能
2 关键技术
2.13G和WIFI
3G是英文3rd Generation的缩写，指第三代移动通信，是相对第一代模拟制式通信（1G）和第二代GSM、TDMA等数字通信（2G）而言的，能够处理图像、音乐、视频流等多种媒体形式，提供包括网页浏览、电话会议、电子商务等多种信息服务；支持不同的数据传输速率，即室内、室内和行车的环境中分别支持至少2Mbps、384kbps以及144kbps的传输速率。可以看出3G技术能够支持船舶的各种信息业务[3-4]。
WiFi全称Wireless Fidelity，又称802.11b标准，是IEEE定义的一个无线网络通信的工业标准（IEEE802.11）[4]。802.11b定义了使用直接序列扩频（Direct Sequence Spectrum,DSSS）调制技术在2.4GHz频带实现11Mbit/s速率的无线传输，在信号较弱或有干扰的情况下，宽带可调整为5.5Mbps、2Mbps和1Mbps。
从表1可以看出3G和WIFI的优缺点，两种网络技术在船舶移动通信技术上实现局部的融合，可以各自发挥优势、扬长避短，互补趋势集中体现在以下几个方面[4]:
1) 语音和VoWLAN。相对于满足大话务量、多用户数的3G技术，基于IP技术的WLAN网络更适合开展船舶上广播式的语音业务(PTT、多方会议、长途通话、广告发布等)。
2) 广域覆盖和区域覆盖下的数据业务。相对于3G技术覆盖范围大、快速移动时仍能保持144kbit的数据速率的特点，WLAN技术在船舶内满足用户高速数据传输的需求具有绝对优势。
3) 无线信道资源的利用。3G分配的频率资源是有限的，而数据业务对信道的占用率极高，影响其同时接入的语音用户数量。规划船舶内把数据业务转移到WIFI的公共数据通道无疑将大大提高3G无线网络资源利用率。
2.2 RFID
射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）技术，是一种利用射频通信实现的非接触式自动识别技术[5]。其基本原理是利用射频信号耦合（电感或电磁耦合）或雷达反射的传输特性，实现对被识别物体的自动识别。简言之，射频识别技术是通过粘贴于目标物上的电子标签发射射频信号来将目标物相关信息传至读写器的技术。
硬件系统由标签、读写器和天线三部分组成。标签（Tag）由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象。读写器（Reader）是写入、读取标签信息的设备，可设计为手持式或固定式。天线（Antenna）在标签和读写器传递射频信号。
3 结束语
本文研究的面向港航管理艇的船载网络接入智能设备，目前根据各项测试来看，设备的可靠性、稳定性等关键技术指标已经达到了设计要求，可以满足日常业务管理的需求。但从产业化和研发角度来看，如何将船载网络接入智能设备研发成三网（联通、电信、移动的3G网络）合一的一体化设备，是下一步工作尚可继续探究的问题。
参考文献：
[1] 耿宁.谈AIS的基本概况及应用[J].中国水运,2010,1:7-8.
[2] 刘小慧.GPS系统概述及其定位原理[J].科技资讯,2006,6:11.
[3] 邓永红.3G技术综述[J].有限电视技术,2004.19.
[4] 王建全.WIFI与3G融合解决方案浅析[J].通信世界周刊,2009,6.
[5] 董丽华.RFID技术与应用[M].北京:电子工业出版社,2008.
[6] 李全林,郭龙岩.综述RFID技术及其应用领域[J].专家论坛,2006,1:51-62.
[7] 陈新河.无线射频识别（RFID）技术发展综述[J].标准与技术追踪,2005,7:20-24.
[8] 俞敏.RFID技术发展现状及应用综述[J].仪器仪表学报,2008,4:728-731.
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文
