本发明涉及船舶自动识别和通信技术领域，具体地指一种基于蜂窝窄带物联网(nb-iot，narrowbandinternetofthings)的船联网系统和船联网方法。
背景技术：
现有的船联网系统一般基于船舶自动识别系统(ais)构建，船舶自动识别系统(ais)可实时传递和接收船舶和船舶、船舶和港口之间航行以及安全相关的数据和消息。为港岸管理、船舶监管以及船舶告警碰撞提供了相关的ais数据信息。但现有的ais设备具有传输速率慢、信号接收灵敏度差、不能随时随地查看控制等问题。使得船联网系统不能通过客户端远程实时控制查询，广覆区域窄，系统的信息容量小、收灵敏度差、价格高、网络连接点少导致港口等船舶多的地方无法接入。
技术实现要素：
本发明的目的就是要提供一种广覆盖、大容量、低功耗、连接多、传输速率快、客户端远程监控的基于蜂窝窄带物联网的船联网系统和船联网方法。
为实现此目的，本发明所设计的一种基于蜂窝窄带物联网的船联网系统，其特征在于：它包括船舶信息采集传感器、船舶自动识别模块(automaticidentificationsystem,简称ais系统)、主控模块、蜂窝窄带物联网通信模块、应用服务器、客户端和机舱参数采集模块，其中，所述船舶自动识别模块包括无线信号收发器、通信控制器、内置卫星定位接收器，所述船舶信息采集传感器的信号输出端连接通信控制器的数传感器数据接口，通信控制器的无线通信接口连接无线信号收发器的数据通信端，通信控制器的定位信号通信端连接内置卫星定位接收器的定位信号通信端，主控模块的第一串口通信端连接通信控制器的串口通信接口，主控模块的第二串口通信端连接蜂窝窄带物联网通信模块的串口通信端，蜂窝窄带物联网通信模块的服务器通信端连接应用服务器的蜂窝窄带物联网通信端，应用服务器的客户端接口连接客户端，主控模块的机舱参数通信端连接机舱参数采集模块的机舱参数通信端；
所述船舶信息采集传感器用于采集陀螺罗经输出的航向信号、卫星导航仪输出的船舶定位和导航信号、计程仪输出的航速和航程信号、转向仪输出的转向率信号、引航设备输出的航行环境数据；
通信控制器用于将航向信号、船舶定位、导航信号、航速、航程信号、转向率信号、航行环境数据、本船静态信息、航行状态信息、在船人数信息、船舶吃水深度信息、危险物类型信息和预计抵达港口时间信息通过无线信号收发器由甚高频频道向岸台广播；
通信控制器还用于将上述航向信号、船舶定位、导航信号、航速、航程信号、转向率信号、航行环境数据、本船静态信息、航行状态信息、在船人数信息、船舶吃水深度信息、危险物类型信息和预计抵达港口时间信息通过串口传至主控模块；
主控模块用于将上述航向信号、船舶定位、导航信号、航速、航程信号、转向率信号、航行环境数据、本船静态信息、航行状态信息、在船人数信息、船舶吃水深度信息、危险物类型信息和预计抵达港口时间信息按ip(internetprotocol，网络协议)协议或udp(userdatagramprotocol，用户数据报协议)协议或coap(constrainedapplicationprotocol)协议通过蜂窝窄带物联网通信模块传至应用服务器。
一种上述系统的船联网方法，它包括如下步骤：
步骤1：所述船舶信息采集传感器采集陀螺罗经输出的航向信号、卫星导航仪输出的船舶定位和导航信号、计程仪输出的航速和航程信号、转向仪输出的转向率信号、引航设备输出的航行环境数据；通信控制器将上述航向信号、船舶定位、导航信号、航速、航程信号、转向率信号和航行环境数据及本船静态信息通过无线信号收发器由甚高频频道向岸台广播；通信控制器还将上述航向信号、船舶定位、导航信号、航速、航程信号、转向率信号、航行环境数据、本船静态信息、航行状态信息、在船人数信息、船舶吃水深度信息、危险物类型信息和预计抵达港口时间信息通过串口传至主控模块；
步骤2：所述机舱参数采集模块将采集的船舶机舱参数传输到主控模块，主控模块将船舶机舱参数进行计算、分析和判断，形成机舱状态的描述，再计算机舱设备各部件在实际运行条件下的使用寿命，并在基准运行条件下折算成等效使用寿命，将各部件的等效使用寿命与各部件最大维修寿命相减得到各部件的剩余寿命，并将得到的各部件的剩余寿命按ip协议或udp协议或coap协议通过蜂窝窄带物联网通信模块传至应用服务器的sql(structuredquerylanguage，结构化查询语言)数据库中；
步骤3：主控模块将上述航向信号、船舶定位、导航信号、航速、航程信号、转向率信号、航行环境数据、本船静态信息、航行状态信息、在船人数信息、船舶吃水深度信息、危险物类型信息和预计抵达港口时间信息按ip协议或udp协议或coap协议通过蜂窝窄带物联网通信模块传至应用服务器；
步骤4：所述应用服务器根据接收到的航向信号、船舶定位、导航信号、航速、航程信号、转向率信号、航行环境数据、本船静态信息、航行状态信息、在船人数信息、船舶吃水深度信息、危险物类型信息和预计抵达港口时间信息进行数据挖掘处理(参考文献见，基于大数据处理技术的ais应用研究，海军工程大学学报，第29卷，第4期，2017年8月，吕荣，基于云计算分布式技术的海量ais数据挖掘系统设计与实现，尚斯年)生成航运物流信息，客户端访问应用服务器实现航运物流信息的查询；
客户端读取应用服务器中sql数据库的机舱设备各部件剩余寿命数据，根据不同的视情维修决策模型计算该部件的具体维修时机，最后通过维修备件信息管理模块制定维修计划并通过客户端将结果展示出来。
在本发明中，主控模块通过nb-iot模块与远程服务连接，nb-iot模块通过nb-iot协议将获得的信息处理后传输给应用服务器，也可从应用服务器下载指令信息传输给主控板。
本发明在原有ais设备的基础上增加了nb-iot通信模块。和ais设备相比，nb-iot模块具有广覆盖、低成本、大容量、低功耗、连接点多、传输速率快的特点。解决了ais设备传输速率慢、信号接收灵敏度差、价格高的问题。nb1-iot模块可将船舶信息传至应用服务器，船员可以通过客户端下载船舶信息和发送指令对船舶进行实时监管。每艘船舶可以将本船的船舶信息、机舱参数信息、港口物流信息等传至云端，有关部门可以将信息进行汇总监督，以便对船舶、港口等的统一管理。
在本发明中，客户端与应用服务器连接，船员通过电脑、手机、平板等客户端不仅可以对船舶进行监控而且可以发送指令信息至主控模块。通过这种实时的船舶信息监控系统可以让船员及远程工作人员及时掌握船舶运行状态，使信息的获取更加方便，提高了船员和远程工作人员的工作效率，极大的增强了船联网的适用性。
附图说明
图1为本发明的结构框图。
其中，10—船舶信息采集传感器、20—船舶自动识别模块、21—无线信号收发器、22—通信控制器、23—内置卫星定位接收器、30—主控模块、31—拓展控制板、32—人机交互设备、33—存储器、40—蜂窝窄带物联网通信模块、50—应用服务器、60—客户端、70—机舱参数采集模块。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：
如图1所示的基于蜂窝窄带物联网的船联网系统，它包括船舶信息采集传感器10、船舶自动识别模块20、主控模块30、蜂窝窄带物联网通信模块40、应用服务器50、客户端60和机舱参数采集模块70，其中，所述船舶自动识别模块20包括无线信号收发器21、通信控制器22、内置卫星定位接收器23，所述船舶信息采集传感器10的信号输出端连接通信控制器22的数传感器数据接口，通信控制器22的无线通信接口连接无线信号收发器21的数据通信端，通信控制器22的定位信号通信端连接内置卫星定位接收器23的定位信号通信端(ais自带卫星定位可以和船舶发来的定位进行互补，得到更准确的船舶定位数据)，主控模块30的第一串口通信端连接通信控制器22的串口通信接口，主控模块30的第二串口通信端连接蜂窝窄带物联网通信模块40的串口通信端，蜂窝窄带物联网通信模块40的服务器通信端连接应用服务器50的蜂窝窄带物联网通信端，应用服务器50的客户端接口连接客户端60，主控模块30的机舱参数通信端连接机舱参数采集模块70的机舱参数通信端；
所述船舶信息采集传感器10用于采集陀螺罗经输出的航向信号、卫星导航仪输出的船舶定位和导航信号、计程仪输出的航速和航程信号、转向仪输出的转向率信号、引航设备输出的航行环境数据(航道、航标、泊位、锚地、水深点)；
通信控制器22用于将上述航向信号、船舶定位、导航信号、航速、航程信号、转向率信号、航行环境数据、本船静态信息(静态信息为海上移动识别码(mmsi)、船长、船宽、船名和船舶呼号、船舶类型)以及航行相关信息(航行状态、在船人数、船舶吃水、危险物类型和预计抵达港口时间)通过无线信号收发器21由甚高频频道(vhf)向附近水域船舶及岸台广播(船舶和航行交通管理部门能准确掌握船舶航行状态、船舶类型、船名等信息，协助船舶识别其他船只，简化信息交流，追踪目标，提供其它辅助信息以避免碰撞发生)；
上述本船静态信息为船员在最开始安装ais的时候就输入其中的，为每个船舶的固定不变信息；航行相关信息为主控模块30采集的信息，包括船舶各个传感器采集的船舶状态信息、船员航行开始时输入的船人数、船舶吃水、危险物类型和预计抵达港口时间等。通过串口传至ais中。
通信控制器22还用于将上述航向信号、船舶定位、导航信号、航速、航程信号、转向率信号、航行环境数据、本船静态信息、航行状态信息、在船人数信息、船舶吃水深度信息、危险物类型信息和预计抵达港口时间信息通过串口传至主控模块30；
主控模块30用于将上述航向信号、船舶定位、导航信号、航速、航程信号、转向率信号、航行环境数据、本船静态信息、航行状态信息、在船人数信息、船舶吃水深度信息、危险物类型信息和预计抵达港口时间信息按ip协议或udp协议或coap协议通过蜂窝窄带物联网通信模块40传至应用服务器50。
上述技术方案中，船舶自动识别模块20的型号为bda-ais-01。蜂窝窄带物联网通信模块40的型号为bc95-b5。
上述技术方案中，所述应用服务器50用于根据接收到的航向信号、船舶定位、导航信号、航速、航程信号、转向率信号、航行环境数据、本船静态信息、航行状态信息、在船人数信息、船舶吃水深度信息、危险物类型信息和预计抵达港口时间信息进行数据挖掘处理生成航运物流信息。
上述技术方案中，所述客户端60为pc、平板和手机客户端，所述pc、平板和手机客户端用于访问应用服务器50实现航运物流信息的查询。客户端60将信息发布至政府管理、物流、金融服务、航运管理、港口管理等部门，实现了物流信息查询、航运交通状态查询等功能，提高了航运物流的现代化和信息化，保障了航运有序、安全、高效的运作。
上述技术方案中，所述机舱参数采集模块70用于将采集的船舶机舱参数传输到主控模块30，主控模块30用于将船舶机舱参数进行计算、分析和判断，形成机舱状态的描述，再计算机舱设备各部件在实际运行条件下的使用寿命，并在基准运行条件下折算成等效使用寿命，将各部件的等效使用寿命与各部件最大维修寿命相减得到各部件的剩余寿命，并将得到的各部件的剩余寿命按ip协议或udp协议或coap协议通过蜂窝窄带物联网通信模块40传至应用服务器50的sql数据库中。
上述技术方案中，所述客户端60读取应用服务器50中sql数据库的机舱设备各部件剩余寿命数据，根据不同的视情维修(cbm，condition-basedmaintenance)决策模型计算该部件的具体维修时机，最后通过维修备件信息管理模块制定维修计划并通过客户端60将结果展示出来。上述视情维修采用b/s架构模式(browser/server，浏览器/服务器模式)。
相关人员可以根据客户端得到的维修计划结合现实情况决定船舶设备的具体维修时间。通过对设备进行实时监测和维护可以及时对船舶设备异常状态做出诊断，预防和消除故障，提高船舶设备运行的安全性、可靠性。
本发明还包括拓展控制板31、人机交互设备32(显示器、键盘)和存储器33，所述人机交互设备32和存储器33分别通过人机交互设备32连接主控模块30的人机交互接口和存储接口。
上述技术方案中，所述主控模块30实时判断蜂窝窄带物联网通信模块40的通信状态，当蜂窝窄带物联网通信模块40通信中断时，主控模块30将接收到的信息存储在存储器33中，当蜂窝窄带物联网通信模块40通信正常时，主控模块30将接收到的信息传输给应用服务器50。
一种上述系统的船联网方法，它包括如下步骤：
步骤1：所述船舶信息采集传感器10采集陀螺罗经输出的航向信号、卫星导航仪输出的船舶定位和导航信号、计程仪输出的航速和航程信号、转向仪输出的转向率信号、引航设备输出的航行环境数据，并将采集到的信号传输给通信控制器22；通信控制器22将上述航向信号、船舶定位、导航信号、航速、航程信号、转向率信号和航行环境数据及本船静态信息通过无线信号收发器21由甚高频频道向岸台广播；通信控制器22还将上述航向信号、船舶定位、导航信号、航速、航程信号、转向率信号、航行环境数据、本船静态信息、航行状态信息、在船人数信息、船舶吃水深度信息、危险物类型信息和预计抵达港口时间信息通过串口传至主控模块30；
步骤2：所述机舱参数采集模块70将采集的船舶机舱参数传输到主控模块30，主控模块30将船舶机舱参数进行计算、分析和判断，形成机舱状态的描述，再计算机舱设备各部件在实际运行条件下的使用寿命，并在基准运行条件下折算成等效使用寿命，将各部件的等效使用寿命与各部件最大维修寿命相减得到各部件的剩余寿命，并将得到的各部件的剩余寿命按ip协议或udp协议或coap协议通过蜂窝窄带物联网通信模块40传至应用服务器50的sql数据库中；
步骤3：主控模块30将上述航向信号、船舶定位、导航信号、航速、航程信号、转向率信号、航行环境数据、本船静态信息、航行状态信息、在船人数信息、船舶吃水深度信息、危险物类型信息和预计抵达港口时间信息按ip协议或udp协议或coap协议通过蜂窝窄带物联网通信模块40传至应用服务器50；
步骤4：所述应用服务器50根据接收到的航向信号、船舶定位、导航信号、航速、航程信号、转向率信号、航行环境数据、本船静态信息、航行状态信息、在船人数信息、船舶吃水深度信息、危险物类型信息和预计抵达港口时间信息进行数据挖掘处理生成航运物流信息，客户端60访问应用服务器50实现航运物流信息的查询；
客户端60读取应用服务器50中sql数据库的机舱设备各部件剩余寿命数据，根据不同的视情维修(cbm，condition-basedmaintenance，采用b/s架构模式)决策模型计算该部件的具体维修时机，最后通过维修备件信息管理模块制定维修计划并通过客户端60将结果展示出来。相关人员可以根据客户端60得到的维修计划结合现实情况决定船舶设备的具体维修时间。通过对设备进行实时监测和维护可以及时对船舶设备异常状态做出诊断，预防和消除故障，提高船舶设备运行的安全性、可靠性。
上述技术方案的步骤2和步骤3中，所述主控模块30实时判断蜂窝窄带物联网通信模块40的通信状态，当蜂窝窄带物联网通信模块40通信中断时，主控模块30将接收到的各部件的剩余寿命、航向信号、船舶定位、导航信号、航速、航程信号、转向率信号、航行环境数据、本船静态信息、航行状态信息、在船人数信息、船舶吃水深度信息、危险物类型信息和预计抵达港口时间信息存储在存储器33中，当蜂窝窄带物联网通信模块40通信正常时，主控模块30将接收到的各部件的剩余寿命、航向信号、船舶定位、导航信号、航速、航程信号、转向率信号、航行环境数据、本船静态信息、航行状态信息、在船人数信息、船舶吃水深度信息、危险物类型信息和预计抵达港口时间信息传输给应用服务器50。
通过所述客户端60和所述应用服务器50相连，船员可以通过手机、平板和电脑随时随地的对船舶动态进行监控，可以使船员的工作地点更为多变，及时发现船舶的航行隐患，解决问题，大大提高了船员的办事效率和船舶航行安全性，极大的提高了本发明的适用性。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。