面向船舶健康监测的智能网关设计与实现

钱灿军，曹毓华，房崇鑫

(1.扬州万方电子技术有限责任公司，江苏 扬州 225006；2.扬州大学 信息工程学院，江苏 扬州 225127)

0 引言

随着传感器技术、网络技术和无线通信技术的高速发展，无线传感器网络得到了广泛应用[1]。无线传感器网络是由多个无线传感器节点作为基础搭建起来的系统框架，通过各种集成化的微型传感器节点[2]协作地获取对象相关数据[3]，利用自组织无线通信网络[4]将所感知信息传送到汇聚节点[5]，最终将数据传达到信息中心[6]。

本文基于无线传感器网络技术，设计了一种无线传感器智能网关，能够很好地解决有线/无线异构网络互连互通问题。该网关的特点是可以对不同网络的通信协议进行转换翻译，将不同消息格式、不同通信协议[7]或不同结构类型[8]的网络互连起来，实现不同网络协议间数据包的发送和接收。该研究能解决新一代船舶智能监控系统中的信息采集、传输关键技术，对船舶机舱关键部位如动力系统、通信系统和导航系统[9]等性能数据进行实时收集和处理，建立船舶健康数据库[10]，找出设备性能变化趋势，提前对设备故障进行预测和告警，延长设备使用寿命。

1 智能网关方案设计

本文基于无线传感器网络和以太网技术，设计了监控与预警系统中的无线传感器节点的智能网关设备。智能网关设备是无线传感器网络的区域簇头[11]，其作为无线传感器网络的区域中心节点，是无线传感器网络之间及无线传感器网络与外部网络之间通信的关键。

1.1 智能网关的主要研究

从智能网关中多种主流无线数据传输协议和预处理功能出发，对智能网关设备的关键技术进行研究。

1.1.1 多种主流无线数据传输协议

智能网关设备的多协议[12]主要包括两方面：一是能够支持不同无线传输协议传感器节点的接入、信息汇聚和消息格式转换；二是能够采用多种传输方式将本区域节点信息上传信息中心。

针对船舶综合监测需要采集的信息种类较多，涉及的各类专用传感器种类[13]也比较繁杂，不同种类的传感器常常采用不同的通信传输方式。因此，智能网关需要能够支持多种主流无线传感器传输协议，如蓝牙、ZigBee等。不同种类传感器采集到的信息在智能网关处汇集并进行消息格式转换，然后按照管理系统的要求，重新封装成为需要的格式，通过无线传输方式上传给信息中心。研究的重点有以太网/蓝牙网关、以太网/ZigBee网关等。

无线传感器网络构成如图1所示。多个ZigBee、蓝牙节点组成某个区域传感器网络。由于监控节点到信息中心，二者之间需要利用远/近距离传输，使各个监控节点采集的数据，逐层通过ZigBee、蓝牙节点汇集到智能网关处。智能网关再通过无线/有线传输协议上传给信息中心，在信息中心对收到的信息进行进一步的智能处理。

图1 无线传感器网络构成

1.1.2 预处理功能

采用分布式与集中式[15-16]相结合的处理方式，将各个传感器采集到的信息在节点或节点的簇头[17]处先进行处理。如果是告警级别较低的事件，则直接通知执行节点进行相应的灯光警告、声音警告等处理，然后将处理后的告警信息类型上传给信息中心。如果在节点或簇头处处理时，认为是高等级告警事件或仅凭本地信息难以识别告警信息的具体类型时，再将该信息上传信息中心，等待信息分发平台给出下一步命令，预处理示意如图2所示。

图2 预处理示意

1.2 数据转发与协议转换

本文设计的智能网关主要通过ZigBee协议、蓝牙协议和IEEE802.3协议这3种常用的协议实现数据转发和协议转换两大功能，智能网关协议栈结构如图3所示。

图3 智能网关协议栈结构

智能网关上的协议栈以以太网的TCP/IP协议栈[18]作为主体，转换过程为：智能网关数据发送时将ZigBee网络或蓝牙网络的帧格式转换为以太网的帧格式，数据接收时将以太网的帧格式转换为ZigBee网络或蓝牙网络[19]的帧格式，通过这种转换机制完成不同网络协议栈的转换。不仅如此，ZigBee网络和蓝牙网络之间也可以通过智能网关协议栈进行中转传输，以TCP/IP协议栈的TCP/UDP传输层、IP网络层和IEEE802.3 LLC层作为中转介质，可实现ZigBee网络和蓝牙网络间数据传输。因此，本文设计的智能网关不仅可以使ZigBee网络和蓝牙网络接入以太网，而且在ZigBee网络和蓝牙网络间也可以进行数据通信。

1.3 面向船舶的网关具体应用

通过智能网关实现了船舶机舱关键部位无线传感器网络的数据采集和传输，船舶信息处理中心收到各部位关键性能数据后，动态建立船舶健康指标数据库，对关键性能指标不间断监测。通过对船舶相关大数据进行深度挖掘和特征提取，如图4所示。找出设备性能变化趋势，提前对设备可能出现的故障隐患进行预测和告警。必要时及时对船舶设备进行维修和保养，从而能够降低设备使用和保障费用，延长设备使用寿命。

图4 船舶性能数据采集、挖掘、呈现示意

2 网关硬件设计

智能网关硬件平台的设计方案较多，为满足船舶机舱区域内无线网关的设计需求，从以下几方面对硬件平台主要参考指标进行了设计分析，从而优选符合设计要求的最佳设计方案。

① 主控芯片处理性能。处理器性能是由多种因素决定的，如最大时钟频率、寄存器大小、指令执行方式、Flash存储空间和IO空间分配等。本文所述网关中不需要挑选速度最快的处理器，而是在于选取能够完成业务需求的处理器和输入/输出子系统。为了方便船舶机舱区域监控节点部署，主控芯片选用体积小、功耗低和设计方便的处理器。

② 外围芯片性能指标。嵌入式处理器一般都集成了丰富的外设，而外设支持多、外围芯片少的设计方案能够节省大量的硬件设计开发周期，只需要简单阻容或逻辑电容即可完成设计要求。

③ 软件开发工具及调试工具。确定了主控处理器及外围芯片设计，选择合适的开发工具和调试工具，可以加快对智能网关设备设计。

由于无线网络是基于IP协议的，所以主控制器在以太网通信时要发送符合IP协议的数据包。本网关使用ARM、DSP等复杂指令集处理器，配合μC/OS-II或者Linux等嵌入式操作系统，也能较容易地实现TCP/IP协议。主控制器中至少需要实现一部分IP协议， 同时设备成本合理，开发难度适中。

智能网关硬件平台组成如图5所示。智能网关主控制器为LM3S8962，TI的LM3S8000系列控制器基于ARM®CortexTM-M3技术[20]，是业界领先的高可靠性实时微处理器MCU产品，与ARM架构MCU中的以太网解决方案完美结合，其主频50 MHz，内置64 KB SDRAM，256 KB FLASH，JTAG调试，具备以太网、UART、CAN、I2C、SPI等接口。其数据收发节点模块采用ZigBee模块和蓝牙模块，可以在低功耗的环境下进行信息传达工作。

图5 智能网关硬件平台组成

3 网关软件设计

针对面向船舶健康的智能网关的软件设计，其中包含数据节点软件设计、传感器采集程序设计和通信程序设计。利用三者的结构衔接构成信息传输与监测的功能。

3.1 节点软件设计

智能网关节点软件设计包括ZigBee、蓝牙节点软件设计。ZigBee节点组网的实现需要ZigBee的Z-Stack协议栈支持，具有分层式结构。协议栈的实现需要系统抽象层的配合，后置拓展的程序是建立在协议栈和操作系统的基础上。ZigBee的组网实现由协议栈的网络层负责，在应用层设计相应的程序。本文在应用层完成采集传感器数据，经过封装后无线传输到ZigBee的协调器节点上。

蓝牙节点的协议栈是BlueZ，BlueZ的协议栈分为内核区和用户区两部分，内核区包括BlueZ核心协议和驱动程序等，其中BlueZ-kernel和BlueZ-libs软件包实现了主机控制接口和套接字功能。而在用户区通过对智能网关的具体设计要求，利用库函数自主开发实现蓝牙设备的初始化、查询等控制功能。

3.2 传感器采集程序设计

传感器数据的采集以温湿度采集为例。要实现温湿度数据读取[21]，以MCU作为主机，MCU连接到传感器，测试传感器的响应，开始准备输出数据。接着输出40 bit数据(数据含义如表1所示)，高位先输出。

表1 40位数据对应含义

3.3 通信程序设计

上一节完成了对传感器数据的读取，本节实现温湿度的周期发送。App_ProcessEvent 函数用户应用程序轮询函数，由操作系统不断检查是否相关事件触发，触发之后执行对应的任务。其中 SAMPLEAPP_SEND_PERIODIC_MSG_EVT 为周期事件触发标志，每次触发事件之后还需要添加下一次触发事件。

发送温湿度给网关需要一个通信协议，这样网关接收到节点协调器才能指定到具体节点。因此制定通信协议如表2所示。其中消息头和消息尾是固定的，节点编号是下载程序时给每个节点分配的一个不同于其他节点的编号，数据长度代表后续有效数据的长度。后面接着2个字节的湿度、2个字节的温度，最后是校验值和消息尾。 校验值采用的是校验和。

表2 协调器发送数据格式

4 船舶健康监测服务器设计与实现

4.1 服务器硬件设计

服务器采用国产申威多核处理器、自主体系架构及国产基础软件研发成果，其特点是可以提供数据处理、存储及管理功能。服务器主板主要由申威多核处理器、申威IO套片、PCI-E桥片PEX8747、网络控制器T5ASIC40G、管理控制器ATS2400等组成，其原理如图6所示。

图6 服务器主板原理

通过CPU的内存控制器提供8个DDR通道，最大可配置64 GB内存。通过PEX8747扩展多路PCI-E接口；提供1路PCIE2.0×4接口，用于连接申威套片；提供1路PCIE2.0×1接口，用于连接管理控制器AST2400；提供2路PCIE3.0×8接口，扩展2路PCIE插槽，可用于接插RAID卡。通过网络控制器T5ASIC40G提供1路40 Gb/s网络接口和1路1 Gb/s网络接口，连接到前面板，其中40 Gb/s网络接口用于业务数据的传输，1 Gb/s网络接口用于运维管理数据的传输。通过AST2400提供1路VGA接口，连接到前面板，同时AST2400还能采集主板状态信息，通过IIC接口传输给采集处理模块。通过申威套片提供2路USB3.0接口和2路SATA接口，其中USB接口通过前面板对外，SATA接口放置的主板内部。

服务器主板三维图如图7所示。

图7 服务器主板三维图

4.2 服务器软件设计

4.2.1 前端采集软件

前端采集软件实时采集船舶机舱关键部位性能数据，采集数据经过协议解析和加解密过程得到的数据导入内存数据库。通过结构化表格方法对内存数据库中持久化功能层导入关系型数据库。最终所有数据均通过管道方式加载到存储数据库。前端采集软件架构如图8所示。

图8 前端采集软件架构

数据源经过前端采集设备以协议的形式进行实时分析。协议分析主要为数据预处理、数据加解密、协议解析、数据抽取4个过程。数据预处理为数据的过滤、分类和校验。协议解析需要使用到流处理引擎，根据需要选择实时性要求，实时性要求越高对硬件性能要求越高。加解密过程是对带有密级信息进行安全检验。数据抽取是经过分析后的数据进行合并汇总与区分。

4.2.2 健康数据挖掘、检索软件

健康数据挖掘的任务是发现知识，发现事物发展的动态规律和模式，再基于当前数据和得到的规律与模式，对事物的后续发展进行推断和预测。健康数据检索的任务是快速访问及模糊定位。通过对关键信息建立索引，并实时更新索引库，可以加快查询效率及查询准确性。

健康数据挖掘及检索框架如图9所示。

图9 健康数据挖掘及检索框架

4.3 硬件实物

船舶健康监测服务器实物如图10所示。服务器上部为显示、控制单元，下部为服务器计算、存储和管理单元，整机体积小、重量轻、功耗低，便于船舶无线传感器智能网关数据采集和健康监测环境使用。

图10 船舶健康监测服务器实物

5 结束语

本文完成了无线传感器智能网关和健康数据监测服务器的软硬件平台设计，实现了以太网/蓝牙网关、以太网/ZigBee网关的数据转发和协议转换功能，实时收集和处理船舶机舱关键部位性能数据，建立船舶健康数据库，对设备故障进行预测和告警。另外，研究的智能网关设备具有通用性，在监测区域部署多节点传感器进行数据信息采集、传输场合均能可靠使用，如在机场、仓库和码头等区域监测应用，市场潜力巨大，具有广泛的应用推广价值。