海上嵌入式AIS信息終端研究與實現(xiàn)

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

隨著航運業(yè)務的發(fā)展和船舶數量的逐年增長，航海安全問題也越來越引起了人們的關注。因此，為了增強海上交通的安全性和減少事故的發(fā)生，國際海運組織（IMO）制定了船舶自動識別系統(tǒng)（AIS）標準。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構的溝通。

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，以及如何將其應用于海上AIS信息終端。最后，將給出該終端的軟硬件設計和實現(xiàn)步驟以及實現(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識別系統(tǒng)，能夠實現(xiàn)船舶之間的相互識別、位置追蹤、速度感知等功能，以及提供有關船舶的航行動態(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)射器將各種信息數據編碼成數字化信號并發(fā)送到天線，經過VHF頻段廣播。接收器接收來自其他船舶和陸地站的AIS數據，通過特定的解碼算法將其轉化成可識別的信息。AIS系統(tǒng)的頻率是在VHF頻段的特定通道上進行的，通常是在161.975和162.025MHZ之間的國際統(tǒng)一頻道中進行廣播和接收的。

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)定的嵌入式計算機系統(tǒng)，具有體積小、功耗低、可靠性高等特點，廣泛應用于工業(yè)控制、家電控制、醫(yī)療設備、軍事系統(tǒng)等領域。從面板、維護和升級等角度，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，可以嵌入各種設備和系統(tǒng)中，從而實現(xiàn)更加智能化和便捷化的網絡應用。

2.低功耗：相比于傳統(tǒng)計算機設備，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現(xiàn)高效的數據處理、存儲、轉移等操作，從而滿足大范圍的應用需求。

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致的系統(tǒng)崩潰和數據丟失。

三、海上AIS信息終端的軟硬件設計和實現(xiàn)

在該終端的設計中，我們采用了基于ARM嵌入式處理器的開發(fā)平臺，并結合Linux系統(tǒng)和Qt圖形界面開發(fā)實現(xiàn)。該終端的功能包括AIS數據的接收、解碼、顯示、存儲和轉發(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、存儲模塊等，這些模塊都是基于現(xiàn)有的標準模塊設計實現(xiàn)的。該系統(tǒng)的軟件模塊包括：Linux操作系統(tǒng)、Qt圖形界面、驅動程序、應用程序等。

該終端的設計和實現(xiàn)過程可以分為以下幾個步驟：

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核模塊和大容量的存儲模塊等。采用USB接口連接AIS接收模塊，以實現(xiàn)AIS數據的接收和解碼，音頻模塊和顯示模塊則采用基于USB的外接擴展模塊實現(xiàn)。此外，存儲模塊使用高速SD卡，可實現(xiàn)高速數據傳輸和大容量存儲。

2.軟件的編寫和調試：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，實現(xiàn)AIS信息的接收、解碼、顯示、存儲和轉發(fā)等功能。同時，我們還編寫了驅動程序和應用程序等，以實現(xiàn)系統(tǒng)各個模塊之間的協(xié)調和交互。

3.系統(tǒng)的測試和驗證：在軟硬件調試完成后，我們進行了終端的系統(tǒng)測試和驗證，分別進行了AIS數據的接收、顯示和存儲等測試，測試結果表明，該終端能夠快速、準確、高效地處理AIS數據，并對數據進行分析和顯示。

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，實現(xiàn)了AIS數據的接收、解碼、顯示、存儲和轉發(fā)等功能，在海上交通運輸領域有著廣泛的應用前景。在海上航行中，AIS系統(tǒng)是非常重要的數據來源，可以提供船舶的位置、航速、航向、MMSI等信息。根據國際海事組織（IMO）的規(guī)定，所有超過300噸的船只都需要安裝AIS設備，因此AIS數據覆蓋范圍非常廣泛。

對于航運業(yè)務和海上交通管理來說，及時準確地獲取和分析AIS數據是至關重要的。下面我們將根據Sea-web數據平臺的統(tǒng)計數據，對近年來AIS數據進行分析。

1、全球AIS設備數量增長趨勢

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

2、AIS船舶注冊數量

根據Sea-web數據平臺的統(tǒng)計，全球注冊在IMO上的船舶數量與AIS設備數量接近，2017年全球注冊船舶數量為167,666艘，到2020年則增加到了204,657艘。

3、AIS數據中的失聯(lián)船舶數量

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

4、AIS消息類型

AIS系統(tǒng)通過VHF頻段廣播和接收大量的數據信息，其中包括船舶的位置、航速、航向、MMSI等信息。根據Sea-web平臺數據顯示，AIS數據中位置報告占大多數，其余消息類型則包括靜態(tài)和動態(tài)信息等。

從以上數據分析來看，AIS設備的覆蓋范圍不斷拓展，AIS數據也成為了重要的海上船舶通信和交互的手段。通過對AIS數據的分析，還可以發(fā)現(xiàn)一些問題并及時進行處理，例如尋找和救助失聯(lián)船舶等。因此，及時準確地獲取和分析AIS數據將對航運和海上交通的安全和管理產生深遠的影響。一項全面使用AIS數據的案例是歐盟海岸警衛(wèi)隊的CISE項目（CommonInformationSharingEnvironment），該項目使用AIS數據交換信息并協(xié)調多個國家的海洋監(jiān)管部門。

CISE項目建立了一個包含整個歐洲地區(qū)的船舶位置信息數據庫，涉及到包括港口管理、航行安全、環(huán)保監(jiān)管、海上安全等多個方面。通過使用AIS數據，該項目能夠實現(xiàn)海洋監(jiān)管部門之間的協(xié)同，同時能夠增強安全性和效率性。

CISE項目目前已經在歐洲22個國家范圍內得到實施，并且已經開始逐步擴展到其他地區(qū)。該項目還獲得了歐洲委員會的強烈支持，并被認為是聯(lián)合歐洲體系的重要部分。

此案例表明了AIS數據對于海上航行的監(jiān)管和管理扮演著重要的角色。AIA數據的運用讓管理方更好地了解船舶的位置和動向，從而更好地監(jiān)管航行，保障海上安全。

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