城市智慧港口安全預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

牛 帥，吳有龍，許 彬，朱子軒，龐啟明，方詠綺

（1.金陵科技學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，江蘇 南京 211169；2.金陵科技學(xué)院 智能科學(xué)與控制工程學(xué)院，江蘇 南京 211169）

0 引 言

港口是全球綜合運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)，在我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中處于樞紐地位，因此港口的安全至關(guān)重要。但由于港口的特殊性，氣象災(zāi)害如大風(fēng)、大霧等天氣對(duì)海上船只的運(yùn)營以及港口的建設(shè)都會(huì)產(chǎn)生巨大的影響，特別是海洋氣象災(zāi)害容易對(duì)航運(yùn)、沿海基礎(chǔ)設(shè)施等造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。而智慧城市的提出能夠?yàn)楦劭诘陌踩O(jiān)測(cè)提供新的思路。

許多學(xué)者開始研究如何讓現(xiàn)代港口加入到智慧城市的發(fā)展浪潮中，進(jìn)一步發(fā)展智慧港口系統(tǒng)。王景敏[1]在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)上提出了一種集成化港口供應(yīng)鏈協(xié)同管理模式，提高了港口的供應(yīng)鏈集成度；袁飚等人[2]結(jié)合污染原因，設(shè)計(jì)了一套粉塵在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；文獻(xiàn)[3-4]提出了港口空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)和警報(bào)領(lǐng)域部署架構(gòu)的解決方案；Tchao等[5]研究的MIMO技術(shù)在4G通信中的應(yīng)用為本文的通信模塊設(shè)計(jì)提供了思路；王健華等人[6]研究了不同能見度下的港口交通風(fēng)險(xiǎn)，為不同能見度的航行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)提供理論依據(jù)；文獻(xiàn)[7-9]研究了港口區(qū)域的空氣質(zhì)量情況以及污染來源，為港口環(huán)境治理提供參考。但綜合分析，這些設(shè)計(jì)依舊存在著成本過高、測(cè)量不夠準(zhǔn)確和不全面等局限性。

為了解決以上問題，本文設(shè)計(jì)了一款基于北斗的城市智慧港口安全預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件部分以STM32單片機(jī)為核心，大大降低了研發(fā)成本；同時(shí)加入多種傳感器，全方位檢測(cè)港口信息，保障了港口的安全，減少經(jīng)濟(jì)損失。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

城市智慧港口安全預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用硬件、軟件相結(jié)合的方式設(shè)計(jì)，硬件部分由STM32物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)板、風(fēng)速風(fēng)向傳感器、雷電傳感器、水滴傳感器、pH值傳感器、濁度傳感器和激光測(cè)距模塊組成；利用多傳感器信息融合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)智慧港口安全信息的全面感知和可靠傳輸。系統(tǒng)流程如圖1所示。軟件部分為智慧港口安全管理平臺(tái)。港口管理員可通過平臺(tái)網(wǎng)頁實(shí)時(shí)查看港口周邊信息，并及時(shí)做出異常報(bào)警，最大程度上降低港口的經(jīng)濟(jì)損失。

圖1 城市智慧港口安全預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

城市智慧港口安全預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要對(duì)港口內(nèi)部的環(huán)境、路面以及水文進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并將數(shù)據(jù)上傳至管理平臺(tái)。若有異常情況發(fā)生，則會(huì)及時(shí)通告相關(guān)管理人員開展應(yīng)對(duì)措施，進(jìn)而滿足智慧城市系統(tǒng)對(duì)城市港口整體狀況的統(tǒng)一管控和安全監(jiān)測(cè)的需求。

2 功能子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由控制與通信、數(shù)據(jù)感知、數(shù)據(jù)處理和應(yīng)用平臺(tái)四部分子系統(tǒng)組成，其硬件實(shí)物如圖2所示。

圖2 硬件實(shí)物連接圖

2.1 控制與通信子系統(tǒng)

2.1.1 北斗定位模塊

為了實(shí)現(xiàn)港口安全預(yù)警監(jiān)測(cè)設(shè)備的統(tǒng)一管控，加入了北斗定位功能。板載EC20模塊支持北斗/GPS衛(wèi)星定位，內(nèi)置的GNSS接收器能快速準(zhǔn)確地獲取定位信息，將模塊連接有源北斗天線，通過串口發(fā)送“AT+QGPS=1”AT指令即可接收衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)并通過NEMA端口輸出。

2.1.2 STM32F407控制核心

硬件核心控制模塊采用基于ARM Cortex-M4內(nèi)核的STM32F407芯片，其最高主頻可達(dá)168 MHz，帶有一個(gè)浮點(diǎn)運(yùn)算單元（FPU），同時(shí)支持CAN、FSMC、I2C、AD/DA等豐富外設(shè)接口，可以用來外接各種模塊和開發(fā)板進(jìn)行通信。

物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)板除主控外，接口豐富，還集成了SWD下載、USART、電源等電路，易于開發(fā)和驗(yàn)證，硬件圖如圖3所示。

圖3 STM32物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)板

2.1.3 4G通信模塊

為了實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)記錄港口內(nèi)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，使用4G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)的上報(bào)。4G通信技術(shù)具有較強(qiáng)的抗干擾性和信號(hào)覆蓋能力，可以實(shí)現(xiàn)快速傳輸音頻、視頻等。EC20模塊在獲取定位信息的同時(shí)支持最大上行50 Mb/s和下行100 Mb/s的4G通信，通信質(zhì)量較好，符合本設(shè)計(jì)的要求。EC20模塊通信如圖4所示。

圖4 EC20通信模塊

2.2 數(shù)據(jù)感知子系統(tǒng)

智慧港口安全預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)感知子系統(tǒng)由環(huán)境數(shù)據(jù)采集、路面情況預(yù)測(cè)、水文數(shù)據(jù)感知三大模塊組成，涵蓋了風(fēng)速風(fēng)向傳感器、溫濕度傳感器、紅外傳感器、pH值檢測(cè)器、雷電傳感器和降水預(yù)警裝置等多傳感器數(shù)據(jù)融合，為整體平臺(tái)提供了環(huán)境的安全以及路面、水文狀況等多方面的數(shù)據(jù)。

2.2.1 環(huán)境數(shù)據(jù)采集

（1）風(fēng)速風(fēng)向監(jiān)測(cè)

三杯式風(fēng)速儀和風(fēng)向傳感器用于采集港口風(fēng)速風(fēng)向信息，通過STM32的ADC接口獲取傳感器信號(hào)端的電壓值，計(jì)算可得風(fēng)速風(fēng)向信息。

（2）溫濕度監(jiān)測(cè)

通過使用DHT11溫濕度傳感器，可采集港口周邊的溫濕度情況。傳感器參數(shù)見表1所列。

表1 DHT11傳感器參數(shù)

（3）能見度監(jiān)測(cè)

能見度受限的港口交通平均事故率是能見度不良與良好情況下的2.5～3倍，使用EC20 4G模塊連接心知天氣服務(wù)器，調(diào)用天氣實(shí)況API即可獲取當(dāng)?shù)啬芤姸刃畔ⅰ?/p>

（4）雷電監(jiān)測(cè)

雷電監(jiān)測(cè)采用AS3935雷電傳感器。AS3935能夠準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)閃電的出現(xiàn)時(shí)間和位置，估算風(fēng)暴距離，量程為1～40 km。

（5）降水監(jiān)測(cè)

監(jiān)測(cè)港口區(qū)域的降水情況使用雨水感應(yīng)模塊，模塊表面使用鎳涂成線形，在空氣中不易被氧化生銹。當(dāng)雨滴滴落聚集在電路板上時(shí)，輸出電壓發(fā)生變化，當(dāng)電壓處在不同范圍時(shí)，可判定雨量大小。

2.2.2 路面狀況監(jiān)測(cè)

港口地區(qū)由于裝運(yùn)貨需求量大，車輛行人眾多，出現(xiàn)道路結(jié)冰時(shí)，車輪與路面之間的摩擦力大幅減弱，容易打滑，造成交通事故。因此路面狀況監(jiān)測(cè)對(duì)于防止港口交通事故造成經(jīng)濟(jì)損失和人身危害有十分重要的意義。

根據(jù)中國氣象局發(fā)布的《道路結(jié)冰預(yù)警信號(hào)》標(biāo)準(zhǔn)[10]，道路結(jié)冰預(yù)警級(jí)別受地表溫度、降水情況以及時(shí)間的影響，其關(guān)系見表2所列。

表2 道路結(jié)冰預(yù)警等級(jí)

經(jīng)測(cè)試，采用溫度傳感器結(jié)合降雨檢測(cè)模塊實(shí)現(xiàn)道路結(jié)冰預(yù)警監(jiān)測(cè)，符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

2.2.3 水文狀況監(jiān)測(cè)

（1）水質(zhì)檢測(cè)

水的渾濁度是指水中含有的泥沙、黏土、有機(jī)物、浮游生物等物質(zhì)造成的渾濁程度。根據(jù)光學(xué)原理，采用TSW-30濁度傳感器，通過溶液中的透光率和散射率來綜合判斷濁度情況。TSW-30模塊具有模擬量和數(shù)字量輸出接口，測(cè)量精度高，性能穩(wěn)定。

（2）pH酸堿度檢測(cè)

pH值是重要的水文特征。使用pH傳感器采集港口水域的酸堿度情況，擴(kuò)展有DS18B20溫度傳感器接口，易于進(jìn)行軟件溫度補(bǔ)償，減小溫度變化的影響。在25 ℃的環(huán)境下，模塊測(cè)量精度高達(dá)±0.01。

（3）水位測(cè)量

港口水域標(biāo)準(zhǔn)水位為2～10 m，水位異常則會(huì)導(dǎo)致船舶擱淺等事故。采用WT53R激光測(cè)距模塊測(cè)量港口水位，具備防水功能，工作穩(wěn)定。使用時(shí)根據(jù)危險(xiǎn)水位設(shè)置報(bào)警閾值，當(dāng)測(cè)量距離異常時(shí)觸發(fā)報(bào)警。與MCU進(jìn)行串口通信，易于開發(fā)。

2.3 數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)

作為銜接感知層和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用平臺(tái)的物理環(huán)節(jié)，數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合、多組數(shù)據(jù)分析識(shí)別、事件流程協(xié)調(diào)管理、獨(dú)立設(shè)備數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、完備數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)通信等功能，決定了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和有效性，是“城市智慧港口安全檢測(cè)系統(tǒng)”的核心部分。例如依據(jù)海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的pH值規(guī)定[11]，項(xiàng)目采用的pH傳感器ADC采樣值與pH值之間的關(guān)系如下：

5 V ADC采集系統(tǒng)：

y=-5.754 1x+16.654

3.3 V ADC采集系統(tǒng)：

y=-5.888 7x+21.677

式中：x表示電壓值；y表示港口水域的pH值。

2.4 應(yīng)用平臺(tái)子系統(tǒng)

應(yīng)用平臺(tái)子系統(tǒng)使用Java、Spring、SpringMVC、MyBatis等多個(gè)技術(shù)棧搭建了后臺(tái)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)于終端所傳回?cái)?shù)據(jù)的基本處理邏輯；結(jié)合前端框架Vue，通過管理頁面展示處理后的信息。應(yīng)用平臺(tái)如圖5所示。

圖5 應(yīng)用平臺(tái)首頁

2.4.1 安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示

圖6顯示了后臺(tái)管理頁面中的環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，將由溫濕度傳感器、慣性傳感器、風(fēng)速風(fēng)向傳感器等多個(gè)終端設(shè)備測(cè)得并傳回的參數(shù)數(shù)據(jù)在管理頁面端進(jìn)行相應(yīng)的顯示；根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部邏輯判斷是否異常并進(jìn)行不同顏色的標(biāo)記，方便工作人員更快地排查隱患，提高效率。

圖6 環(huán)境檢測(cè)數(shù)據(jù)

2.4.2 數(shù)據(jù)大屏顯示

數(shù)據(jù)大屏如圖7所示，可以將終端設(shè)備傳回的水質(zhì)pH值、水位高度、位置信息、預(yù)警等級(jí)等在大屏上進(jìn)行動(dòng)態(tài)化展示，工作人員可以通過該大屏實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到港口各個(gè)方面的情況變化并對(duì)異常情況及時(shí)進(jìn)行處理，有效提高了港口管理的智慧化水平。

圖7 數(shù)據(jù)大屏顯示

3 結(jié) 語

針對(duì)港口的復(fù)雜情況，設(shè)計(jì)了一款基于北斗的智慧港口安全預(yù)警檢測(cè)系統(tǒng)，涵蓋了城市港口周邊的環(huán)境信息、道路結(jié)冰和水文檢測(cè)功能，檢測(cè)數(shù)據(jù)全面，并配備異常數(shù)據(jù)報(bào)警反饋機(jī)制，能夠及時(shí)排查安全隱患，預(yù)防和減少事故發(fā)生，有效實(shí)現(xiàn)港口的自動(dòng)化、信息化和智能化。