海上嵌入式AIS信息終端研究與實(shí)現(xiàn)

海上嵌入式AIS信息終端研究與實(shí)現(xiàn)海上嵌入式AIS信息終端研究與實(shí)現(xiàn)

隨著航運(yùn)業(yè)務(wù)的發(fā)展和船舶數(shù)量的逐年增長，航海安全問題也越來越引起了人們的關(guān)注。因此，為了增強(qiáng)海上交通的安全性和減少事故的發(fā)生，國際海運(yùn)組織（IMO）制定了船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（AIS）標(biāo)準(zhǔn)。AIS系統(tǒng)旨在提供船舶之間的通信和交互，以及船舶與陸地或海上交通管理機(jī)構(gòu)的溝通。

本文將介紹一種基于嵌入式系統(tǒng)的海上AIS信息終端研究與實(shí)現(xiàn)。該終端可用于船舶AIS信息的顯示和分析。首先，文章將概述AIS系統(tǒng)的工作原理和功能。然后，將討論嵌入式系統(tǒng)的基本配置和特征，以及如何將其應(yīng)用于海上AIS信息終端。最后，將給出該終端的軟硬件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)步驟以及實(shí)現(xiàn)效果。

一、AIS系統(tǒng)的工作原理和功能

AIS系統(tǒng)是一種基于無線電通信的自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)船舶之間的相互識(shí)別、位置追蹤、速度感知等功能，以及提供有關(guān)船舶的航行動(dòng)態(tài)信息。AIS系統(tǒng)主要由發(fā)射器和接收器兩部分組成。發(fā)射器將各種信息數(shù)據(jù)編碼成數(shù)字化信號(hào)并發(fā)送到天線，經(jīng)過VHF頻段廣播。接收器接收來自其他船舶和陸地站的AIS數(shù)據(jù)，通過特定的解碼算法將其轉(zhuǎn)化成可識(shí)別的信息。AIS系統(tǒng)的頻率是在VHF頻段的特定通道上進(jìn)行的，通常是在161.975和162.025MHZ之間的國際統(tǒng)一頻道中進(jìn)行廣播和接收的。

二、嵌入式系統(tǒng)的基本配置和特征

嵌入式系統(tǒng)是一種集成度高、性能穩(wěn)定的嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，具有體積小、功耗低、可靠性高等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、家電控制、醫(yī)療設(shè)備、軍事系統(tǒng)等領(lǐng)域。從面板、維護(hù)和升級(jí)等角度，嵌入式系統(tǒng)更加便捷。該終端的基本配置包括處理器、存儲(chǔ)器、前端接口、系統(tǒng)總線以及板載芯片等。嵌入式系統(tǒng)的主要特征包括：

1.小型化：由于嵌入式系統(tǒng)需要安裝在狹小的空間中，因此其體積和尺寸都非常小，可以嵌入各種設(shè)備和系統(tǒng)中，從而實(shí)現(xiàn)更加智能化和便捷化的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。

2.低功耗：相比于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)設(shè)備，嵌入式系統(tǒng)的功耗非常低，通常只有幾瓦甚至更少，因此可以通過最小的電力消耗實(shí)現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)移等操作，從而滿足大范圍的應(yīng)用需求。

3.高可靠性：嵌入式系統(tǒng)采用專門的硬件電路和軟件編程實(shí)現(xiàn)，具有非常高的可靠性和穩(wěn)定性，并可以避免由于硬件故障和軟件異常導(dǎo)致的系統(tǒng)崩潰和數(shù)據(jù)丟失。

三、海上AIS信息終端的軟硬件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

在該終端的設(shè)計(jì)中，我們采用了基于ARM嵌入式處理器的開發(fā)平臺(tái)，并結(jié)合Linux系統(tǒng)和Qt圖形界面開發(fā)實(shí)現(xiàn)。該終端的功能包括AIS數(shù)據(jù)的接收、解碼、顯示、存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)等。其主要硬件模塊包括：嵌入式處理器模塊、AIS接收模塊、音頻模塊、顯示模塊、存儲(chǔ)模塊等，這些模塊都是基于現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)模塊設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的。該系統(tǒng)的軟件模塊包括：Linux操作系統(tǒng)、Qt圖形界面、驅(qū)動(dòng)程序、應(yīng)用程序等。

該終端的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過程可以分為以下幾個(gè)步驟：

1.硬件的選型和搭建：我們首先選擇一款高性能、低功耗、具有較好擴(kuò)展性的ARM處理器模塊作為AIS信息終端的主要處理器，該處理器模塊采用高速的內(nèi)核模塊和大容量的存儲(chǔ)模塊等。采用USB接口連接AIS接收模塊，以實(shí)現(xiàn)AIS數(shù)據(jù)的接收和解碼，音頻模塊和顯示模塊則采用基于USB的外接擴(kuò)展模塊實(shí)現(xiàn)。此外，存儲(chǔ)模塊使用高速SD卡，可實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸和大容量存儲(chǔ)。

2.軟件的編寫和調(diào)試：我們使用基于Linux的開發(fā)環(huán)境，使用Qt圖形界面開發(fā)軟件，實(shí)現(xiàn)AIS信息的接收、解碼、顯示、存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)等功能。同時(shí)，我們還編寫了驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序等，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各個(gè)模塊之間的協(xié)調(diào)和交互。

3.系統(tǒng)的測(cè)試和驗(yàn)證：在軟硬件調(diào)試完成后，我們進(jìn)行了終端的系統(tǒng)測(cè)試和驗(yàn)證，分別進(jìn)行了AIS數(shù)據(jù)的接收、顯示和存儲(chǔ)等測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，該終端能夠快速、準(zhǔn)確、高效地處理AIS數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和顯示。

綜上所述，基于嵌入式系統(tǒng)的海上AIS信息終端主要采用嵌入式處理器模塊、Linux操作系統(tǒng)、Qt圖形界面等軟硬件技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了AIS數(shù)據(jù)的接收、解碼、顯示、存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)等功能，在海上交通運(yùn)輸領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。在海上航行中，AIS系統(tǒng)是非常重要的數(shù)據(jù)來源，可以提供船舶的位置、航速、航向、MMSI等信息。根據(jù)國際海事組織（IMO）的規(guī)定，所有超過300噸的船只都需要安裝AIS設(shè)備，因此AIS數(shù)據(jù)覆蓋范圍非常廣泛。

對(duì)于航運(yùn)業(yè)務(wù)和海上交通管理來說，及時(shí)準(zhǔn)確地獲取和分析AIS數(shù)據(jù)是至關(guān)重要的。下面我們將根據(jù)Sea-web數(shù)據(jù)平臺(tái)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，對(duì)近年來AIS數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

1、全球AIS設(shè)備數(shù)量增長趨勢(shì)

從2017年到2020年的四年間，全球AIS設(shè)備的數(shù)量呈現(xiàn)逐年上升的趨勢(shì)，2017年全球AIS設(shè)備數(shù)量為171,564臺(tái)；而到2020年已經(jīng)增長到205,660臺(tái)，增長率超過20%。

2、AIS船舶注冊(cè)數(shù)量

根據(jù)Sea-web數(shù)據(jù)平臺(tái)的統(tǒng)計(jì)，全球注冊(cè)在IMO上的船舶數(shù)量與AIS設(shè)備數(shù)量接近，2017年全球注冊(cè)船舶數(shù)量為167,666艘，到2020年則增加到了204,657艘。

3、AIS數(shù)據(jù)中的失聯(lián)船舶數(shù)量

AIS數(shù)據(jù)可用于監(jiān)測(cè)和追蹤航行中的船舶，同時(shí)還可以用于尋找和救助失聯(lián)的船舶。根據(jù)2020年的數(shù)據(jù)，全球失聯(lián)的AIS船舶數(shù)量為357艘，其中以亞洲區(qū)域的失聯(lián)船舶數(shù)量最多。

4、AIS消息類型

AIS系統(tǒng)通過VHF頻段廣播和接收大量的數(shù)據(jù)信息，其中包括船舶的位置、航速、航向、MMSI等信息。根據(jù)Sea-web平臺(tái)數(shù)據(jù)顯示，AIS數(shù)據(jù)中位置報(bào)告占大多數(shù)，其余消息類型則包括靜態(tài)和動(dòng)態(tài)信息等。

從以上數(shù)據(jù)分析來看，AIS設(shè)備的覆蓋范圍不斷拓展，AIS數(shù)據(jù)也成為了重要的海上船舶通信和交互的手段。通過對(duì)AIS數(shù)據(jù)的分析，還可以發(fā)現(xiàn)一些問題并及時(shí)進(jìn)行處理，例如尋找和救助失聯(lián)船舶等。因此，及時(shí)準(zhǔn)確地獲取和分析AIS數(shù)據(jù)將對(duì)航運(yùn)和海上交通的安全和管理產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。一項(xiàng)全面使用AIS數(shù)據(jù)的案例是歐盟海岸警衛(wèi)隊(duì)的CISE項(xiàng)目（CommonInformationSharingEnvironment），該項(xiàng)目使用AIS數(shù)據(jù)交換信息并協(xié)調(diào)多個(gè)國家的海洋監(jiān)管部門。

CISE項(xiàng)目建立了一個(gè)包含整個(gè)歐洲地區(qū)的船舶位置信息數(shù)據(jù)庫，涉及到包括港口管理、航行安全、環(huán)保監(jiān)管、海上安全等多個(gè)方面。通過使用AIS數(shù)據(jù)，該項(xiàng)目能夠?qū)崿F(xiàn)海洋監(jiān)管部門之間的協(xié)同，同時(shí)能夠增強(qiáng)安全性和效率性。

CISE項(xiàng)目目前已經(jīng)在歐洲22個(gè)國家范圍內(nèi)得到實(shí)施，并且已經(jīng)開始逐步擴(kuò)展到其他地區(qū)。該項(xiàng)目還獲得了歐洲委員會(huì)的強(qiáng)烈支持，并被認(rèn)為是聯(lián)合歐洲體系的重要部分。

此案例表明了AIS數(shù)據(jù)對(duì)于海上航行的監(jiān)管和管理扮演著重要的角色。AIA數(shù)據(jù)的運(yùn)用讓管理方更好地了解船舶的位置和動(dòng)向，從而更好地監(jiān)管航行，保障海上安全。

另外，隨著AIS技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，未來AIS數(shù)據(jù)分析將變得越來越重要。例如，通過分析AIS數(shù)據(jù)，可以更好地理解船舶在不同天氣和海況下的行駛情