基于海事卫星M2M的数据采集系统的设计方案

● 文|中国交通通信信息中心 李晶晶 张永超 徐丹

基于海事卫星M2M的数据采集系统的设计方案

● 文|中国交通通信信息中心 李晶晶 张永超 徐丹

摘 要：本文分析了在极端环境下的野外勘测、管道、设备智能监控等应用场景的需求，研究基于海事卫星通信技术的M2M应用解决方案。本方案利用海事卫星网络的全球覆盖性，以及终端的便携性，实现了传感器设备与海事卫星终端嵌入集成的一体化设计。方案中设计了基于海事卫星无线通信技术的M2M产品架构，包括数据采集模块，卫星通信模块，以及应用平台的软件体系结构。本文充分论证了其产品的先进性，及在物联网领域的应用价值。

关键词：海事卫星 M2M 物联网

一、概述

海事卫星（Inmarsat）是全球第一个建设并形成全球通信覆盖能力的移动卫星通信系统。从1982年提供服务开始，经多次技术升级和发展，海事卫星已从第一代的模拟信号通信，发展到第二代、第三代的数字通信，再到第四代IP宽带通信。海事卫星服务领域也从海上遇险安全，延伸到航空安全和陆地应急安全服务，成为可基本覆盖全球、提供全天候、多种通信业务的国际移动卫星通信系统。

北京海事卫星地面站从1992年开始就与Inmarsat合作，提供海事卫星在中国的落地接续服务，是我国陆地、海上和航空公众用户接入国际海事卫星通信系统的唯一关口站。第四代海事卫星北京关口站已于2013年12月开通运行，为我国用户提供符合国际标准的通信服务。本文基于对海事卫星的数据通信业务的研究,结合生产实际中的实际需求,提出了基于海事卫星M2M的数据采集解决方案。

M2M是机器对机器（Machine-To-Machine）通信的简称，它涵盖了所有实现在人、机器、系统之间建立通信连接的技术和手段。目前M2M重点在于机器对机器的无线通信，是现阶段物联网的最普遍的应用形式。

M2M需要依赖高可靠的通信网络实现与数据采集并传输到应用平台，因此在极端环境下的M2M应用场景则更需要基于可靠的卫星通信网络支持。因此我们认为基于海事卫星通信技术的M2M产品能够实现全球覆盖及高效的数据传输。为了帮助企业远程管理监控分布于各大洋区或内陆偏远区域内的船舶、车辆、管道等设施的状态和环境状况，我们开展了此项目的研究，目的是让客户更方便、直观的管理自己的设备，为运营提供决策依据。通过给设备加装M2M卫星终端设备，可获取GPS、环境温度、压力等一系列外界环境信息，这些信息可主动或被动通过海事卫星链路发送至地面服务器，服务器应用程序对这些数据进行挖掘、分析、整理，并以客户需要的方式直观的提供给企业客户。

二、应用方案

1．应用领域

（1）公共安全

1) 作为全球海上遇险与安全系统（GMDSS）的一部分，海事卫星因其全球覆盖、性能稳定可靠等特点，在公共安全领域发挥了不可替代的作用。通过M2M应用，可实现对救援目标、救援设备实时跟踪、监测，提高救援效率。

2)特定区域的无人监测，实现自动监测，实时感应数据传回，异动报警等功能。

（2）环境监测

1)重点污染源实时监控，通过对重点区域部署的相关M2M设备，可实现对河流、山川、大气的实时监测，为环境管理、污染控制、环境规划、提供客观的科学依据，提高环保执法的现代化水平。

2)我国海域、河流较多，水文监测异常重要，结合M2M设备可实现无人值守的水文站点。实现水流速度、水面高度、水质、流量、潮位、降水量等参数的实时汇总，为防汛减灾、洪水预警、灾情评估提供决策数据。

3)气象站、遥感测绘站的数据采集传回。

（3）智能交通

1)重点船舶、车辆、运输品的实时监控，如出现延迟、路线偏离等情况可以向监测站报警。

2)运输类车辆、船舶统一调度，通过传感器探测车辆或船舶的运行状态，实现货物的统一调度分配，提高车辆运行效率。

3)公共交通工具、出租车的定位监控，通过对城市公共交通工具的实时数据分析，不但可以实现车辆监控服务，还可以形成一张城市交通路况图，为市民提供出行依据。

（4）石油化工

1)石油化工设备往往在比较偏僻的地点、运维监控难度较大，通过M2M设备可以实现设备的远程监控、管理。

2)在石油化工管道中安装传感器，对管道的压力、流速等信息进行采集，通过对这些数据的综合分析，可以实时掌握管道运行状况，实现无人监控。

3)对存储及运输的油品及化工品进行检测，通过传感器实时检测相关指标，监控站对传回数据进行分析整理，便于实时的对产品进行决策调整。

2． 系统构成

M2M 技术是物联网当前最主要的技术手段，包括实现机器设备间组网、通信以及信息处理和应用操作的所有相关技术，因此涉及的关键技术较多，涵盖了诸如网络通信、计算机软件开发、嵌入式系统开发、微机电、数据处理与数据挖掘等多个领域，主要有以下几个部分组成：

（1） 数据采集设备

实现M2M的首要条件是从机器/设备中获取数据，然后通过网络发送出去。因此设备需具备基本的数据采集功能，并可以通过集成的通信模块将采集完成的数据发送出去，设备也可以根据通信模块接收的指令信息完成远程的操作控制管理。

（2）卫星通信设备

卫星通信设备是使数据采集设备获得通信和联网能力的模块，主要进行数据信息的提取、整理并发送至互联网络，是整个M2M方案的核心部分。基于海事卫星的M2M通信设备主要有以下几个特点：

1)支持嵌入和分离两种模式与采集设备基础，可以在生产采集设备时将通信模块嵌入，也可以通过标准的接口实现与采集设备的外挂式连接。

2)支持多种数据通信方式，如移动网络(CDMA、LTE等)和海事卫星网络，数据通信时可根据网络情况自动识别切换。

3)具备数据编程接口，可以根据实际需要针对不同的采集设备进行预编程，以实现智能化管理。

4)设备低功耗设计，只有在数据传输时才被唤醒，满足极端环境下的工作要求。

（3）平台与应用

平台及应用主要用于对采集传回的数据进行分析处理，并友好的展示给用户。用户同时也可以给终端设备发送控制指令，实现设备的远程管理控制。其中平台部分主要包含数据分析、数据存储、数据统计、设备管理等功能，应用程序提供给企业客户各类型终端使用，可以方便企业对自己设备的管理及监控

3． 系统架构

（1） 网络结构

网络拓扑结构反映出网中各实体的结构关系，是建设计算机系统的第一步，是实现各种网络协议的基础。

图1 网络拓扑结构示意图

卫星通信终端，通过RS232、RS485/J1708在内的多种接口与数据采集终端相连，并将采集数据通过卫星链路发送至服务器。终端具有唯一编码，可初始化卫星链路，根据需要保持管理连接状态。

海事卫星，提供卫星通信链路，支持全球海、陆、空全天候通信服务，满足偏远及通信不发达地区的通信需求。

地面站，通过卫星天线接收卫星数据，并转发至内部网。

内部网，将卫星数据转换为网络数据，通过路由、交换等设备将数据按业务类型传送至不同服务器。完成数据链路的转换。

IGWS服务器，该服务器为消息队列服务器，对外提供Web服务，是对外服务的基础。

数据处理服务器，负责监听IGWS实时消息，对消息分拣、分类、整理、加工为数据库格式并持久化。

数据库服务器，主要提供数据库服务，保存处理后的消息数据，并提供数据分析查询等服务。

WEB服务器，提供Web服务，用于采集数据的管理，加工、定制、展示等。同时也提供系统管理、用户查看等管理功能。

网络管理平台，可对服务器参数进行调整的网络管理终端。

WEB用户，包括系统管理员，企业用户等，均可通过内网或外网登陆WEB页面进行操作管理。

（2）软件结构

系统按照业务逻辑划分为3层：接入层、业务逻辑层、数据层，如图2所示。

图2软件结构图

接入层的应用程序与服务端的应用程序是相对独立的。接入层只负责发送服务请求，服务如何实现则完全由业务逻辑层负责。接入层是系统与外部进行数据交换的平台，由接入逻辑构成。接入逻辑分为界面逻辑和接口服务。对于系统使用者，提供多样化的界面逻辑，实现对业务逻辑的共享；对于与系统相联的外部系统，向业务平台提供一组接口服务，包括协议转换、数据封装等功能，业务平台通过接口服务完成与外部系统的数据交换。接入层的存在，使内部系统的改进和变化被掩盖起来，有利于保证核心的业务系统的安全和独立。

业务逻辑层是系统的业务逻辑实现层，是系统的核心部分，它接收来自表现层的功能请求，是实现各种业务功能的逻辑实体。逻辑实体在实现上表现为各种功能组件。这些功能组件是对象化的组件模块，可实例化，并通过继承重用；每个对象对外提供服务的接口保持相对独立，利于开发和维护。业务逻辑层由开放型的应用中间件和各种业务功能组件组成，业务逻辑层把对数据库的各种基本操作和业务流程的功能组件抽象出来，定义为相应的编程接口。业务逻辑层能够支持符合特定需求的应用，能够方便地支撑应用系统的二次开发，有助于构建高效的集成化应用环境。

通用服务包括日志管理、异常处理、系统监控、认证鉴权的功能，通用服务的内容是各个业务逻辑中不可缺少的部分。

数据层存放并管理各种系统数据。应用系统的最终功能映射为对数据库中表和记录的操作，数据层实现对各种数据库和数据源的访问，并使得业务逻辑层的设计和实现更集中于系统本身的功能。数据层由数据访问层和数据源构成，数据源包括：数据库、内存数据、消息队列、磁盘文件等。数据访问层负责封装对数据源的访问，并使得业务逻辑层的设计和实现更集中于系统本身的功能。

数据访问层的存在屏蔽了业务逻辑层对底层数据存储形式的依赖，使应用系统能够适应多种类型的数据库。

（3） 接口标准

通信模块与数据采集模块可以采用串口RS-232进行数据通信，RS-232-C是美国电子工业协会（Electronic Industry Association,EIA）制定的一种串行物理接口标准，设有25条信号线，包括一个主通道和一个辅助通道，可实现不同设备间的数据发送和接收。通过制定通信接口规范，可以将不同类型的采集终端的数据汇聚到通信模块中进行统一收发管理。

软件平台间通过Web Service提供跨平台访问接口，使用XML作为系统间接口数据交换标准，可实现企业用户对数据的实时访问以及对采集终端的远程管理。

三、关键技术

1．卫星通信集成

基于海事卫星的M2M需要支持与现有终端设备的无缝集成，因此需兼容现有设备的通信协议，如标准的RS-232等，不支持的设备可通过其他转接设备进行转换。

如要实现对设备的远程管理，则需要针对设备开发相应的触发机制，制定相关标准及规范。

2． 软件实现的选型

因终端的数据需要给不同的企业和客户展示及管理，所有用户不需要进行二次开发即可方便的管理自身设备及数据，因此软件设计需体现“软件及服务”的理念，针对不同的用户可以很方便的协调系统资源方便企业的管理和部署。

结合项目的海量数据以及用户的访问特性，传统的企业级应用开发平台可能不能满足这种高并发的数据访问服务要求，因此软件需按照互联网服务级别进行设计开发，以达到高可用、高并发的访问要求。

3．IPv6使M2M满足下一代互联网技术需要

M2M的技术出现，使得数以亿计的M2M设备进入通信网络，IPv4地址将不能满足大量终端设备的地址需求，下一代互联网将以IPv6地址解析为主，IPv6采用128位地址长度，几乎可以不受限制地提供地址给终端设备。海事卫星通信网络和终端设备对IPv6的支持，也正是基于海事卫星的M2M产品架构的关键技术。

四、结论

现阶段物联网领域已进入智能化时代，智能的M2M应用要实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理需要高可用的信息交换和通信网络。随时随地的接入需求越来越迫切，在陆地移动网络覆盖不到的地方，海事卫星网络正发挥着不可替代的作用，随着卫星网络带宽的不断扩大、资费的不断降低，海事卫星则可以广泛应用与物联网领域，解决在极端环境下的通信需求，基于海事卫星技术的M2M应用具有通信和采集一体化的特点，在未来M2M应用市场将有很大的发展空间。

参考文献

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