一种基于射频识别及云计算的船联网构建方法

专利名称：一种基于射频识别及云计算的船联网构建方法
技术领域：
本发明涉及物联网领域，尤其涉及基于射频识别及云计算的物联网构建领域。
背景技术：
云计算作为未来IT领域的革命性技术，必将对我们的生活产生巨大的影响。云计 算的基本原理是通过网络提供用户所需的计算能力、存储空间、软件功能和信息服务等，因 此云计算具备以下几个特点强大的计算处理能力、虚拟化、高可靠性、透明性。这些特点决 定云计算必定会得到越来越广泛的应用。内河航运作为综合交通运输体系的重要组成部分，其管理水平直接影响到航运产 业链及内河流域的经济发展。目前我国内河船舶综合管理信息化技术相对落后，通航船只 的管理比较混乱，导致内河航运的“成本低，运量大，环境友好”的综合优势得不到充分利 用。实现对内河船舶的动态信息化管理的关键是各个基站能够识别异地船舶发送的射频信 号，及各个内河船舶管理部门数据和信息能实时共享。RFID技术的日益成熟、物联网时代的 到来和云计算技术的发展为实现内河船舶系统化和信息化综合管理提供了技术支撑。由此，本发明提出设想、方法并做出相关研究成果，将其应用于内河船舶管理领 域。云计算主要基于资源虚拟和分布式并行架构两大核心技术。虚拟化平台将一台服 务器虚拟为多个性能可配的虚拟机，对整个集群系统中所有虚拟机进行监控和管理，并根 据实际资源使用情况对资源池灵活分配和调度，云计算虚拟同时对传统的存储区域网络、 网络附加存储设备进行异构，将存储资源按类型统一集中为一个大容量的存储资源，并将 统一的存储资源通过分卷、分目录的权限和资源管理方法进行池化，然后将虚拟存储资源 分配给各个应用使用或者直接分配给最终用户使用。云端网络虚拟化是将一个物理网络节点虚拟成多个虚拟的网络设备(交换机、负 载均衡器等)，并进行资源管理，配合虚拟机和虚拟存储空间为应用提供云服务。资源池由云管理平台实现统一的管理、调度和监控，涉及云平台的合理使用和维 护管理。云管理平台共分为4个管理层面，分别为设备的管理、虚拟资源的管理、服务的管
理和租户管理。分布式并行架构是云计算的另一个核心技术，用于将大量的机器整合为一台超级 计算机，提供海量的数据存储和处理服务。整合后的超级计算机通过分布式文件系统、分布 式数据库技术，提供海量文件存储、海量结构化数据存储和统一的海量数据处理编程方法 和运行环境。

发明内容
本发明的目的是将新兴的云计算技术运用于内河船舶管理系统的构建，主要是通 过云端平台的分布式网络将基于射频识别(RFID)技术所构建的内河船舶管理信息系统及 其它信息系统进行无缝连接，使不同地域不同形式的船舶管理系统(部门)相互之间可以实现分布式的实时数据共享及综合船舶信息管理；可用于实现内河航运船舶的实时监控管 理和全面信息共享，同时也为新兴的云计算技术拓宽了应用领域。本发明也即为一种基于 射频识别及云计算构建的船联网系统管理方法。由云端平台，中间件系统，船舶管理中心，RFID数据采集及传输系统，网络固定基 站，船载射频设备等整合而组成分布式的船舶间相互联网的“船联网”网络结构；地面沿河 布设的数据采集系统通过RFID系统扫描到辖区范围内船载射频信号后传输给网络基站， 由网络基站传送给船舶管理中心，该中心通过中间件系统将数据实时传输至云平台的数据 分析及虚拟数据库存储系统，由云平台负责得到的船舶相关信息并转换为此地面基站可识 别的数据信息，返回给船舶管理中心。本发明所构建的系统中，云计算平台是整个应用的核心，RFID站点的布设分布式 网络的布局是整个应用的神经。由分布在各个岸基的射频信息采集器实时采集船舶发射的 射频信号并将其通过有线或无线网络传送给岸基网络固定基站，由各个基站将信息传送给 岸基船舶管理部门的管理中心，如果网络出现故障，射频信息采集器能够暂时保存200条 船舶信息，网络固定基站内部存储设备可以保存10小时的接收到射频信息，待网络恢复正 常时再将这些信息传送给船舶管理中心。船舶管理中心将其接收到的数据传送给云平台后，由云计算平台负责处理相关的 信息及存储。而云计算的实现依靠分布式网络。即分布式网络将需要处理的云端数据及命 令发送到离该船舶管理部门上位机最近的三个虚拟服务器中，由这三个服务器下面所连接 的空闲计算机进行数据处理和任务执行。有益效果本发明提供一种基于射频技术及云计算技术在船舶管理领域的应用，可以将目前 正在建设的RFID船舶识别系统，以及原有的船舶自动识别系统(AIS)、全球卫星定位系统 (GPS)、雷达检测系统、船舶CCTV监控系统和船舶交通管制系统(VTS)等，进行全面整合，实 现全国各海事部门可以随时掌握和监控辖区内异地船舶信息及状况，同时也可以实现全国 各个海事管理部门或航运企业之间进行高效的信息交流和数据共享，从而有效提高内河船 舶的航行安全、航运管理效率以及航运企业的营运效率，促进内河的高效利用及环境保护。 另外，本发明结合最新的云计算技术构建的“船联网”，可期在今后的物联网中实现无缝接 入或兼容，以适应未来世界信息新技术的发展。


下面结合附图与实施案例进一步说明本发明。图1本发明的硬件中间件系统结构图；图2本发明的软件中间件系统结构图；图3本发明的船联网系统管理网络图；图4云端分布式虚拟网络及虚拟资源池的管理网络结构图；图5云平台内部结构图。
具体实施例方式
下面通过一个实施案例，进一步说明本发明。
本发明实施例所构建的船联网中间件系统包括硬件中间件系统和软件中间件系 统。硬件中间件系统负责与平台之间的数据传送任务，软件中间件系统负责船舶管理中心 与云平台之间的数据无障碍交流，所有用户命令与请求被软件中间件封装为HTML格式再 发送到云平台，由云平台发送给用户的数据和信息均被软件中间件转换为用户能够识别的 数据格式，再经由硬件中间件传递给用户。硬件中间件系统主要包括格式化读写器接口，安全控制，数据缓存和过滤，为上层 系统提供应用程序接口等单元模块，如果通过配置现实的硬件资源来满足这些单元的功 能，会浪费大量的资金和人力；因此可通过云计算平台实现部分功能格式化数据，数据缓 存和过滤，生成数据源并将其提供给应用程序接口。通过云计算平台开发硬件中间件系统 主要利用分布式计算和分布式储存两种关键技术。RFID现场采集的数据被送入系统数据库前需要将先其格式化，因此需要动态开发 读写适配器，将不同型号的读写器数据转换为标准数据格式。现在通过云计算平台，先将各 种类型读写器采集到的数据通过网络传送到云平台的应用储存池中船联网系统原始数据 库中(origin database)，云计算平台根据船联网系统预设的数据格式将现场采集的原始 数据标准化并将其存入云端临时存储数据库(standard databasel)，完成初始数据格式化 的功能。为确保传送给系统最终数据库的数据无重复和无误差，需要对数据进行去毛刺处 理，通过中间件的业务管理层接口给云平台提供数据格式要求，进行数据去冗余等业务处 理。本方案开发的硬件中间件系统仅为一个支架，不承载任何具体数据内容，它主要 识别用户需要什么服务，然后通过接口调用云计算平台提供的相关服务，硬件中间件的信 息交流层是用户与系统交互的界面，负责处理用户会话和要求，它主要在系统授权的窗口 中运行程序，实现用户与业务管理层通信，业务管理层负责处理信息交流层的应用请求，对 其进行业务处理的逻辑判断，相关业务经过翻译后，通过接口程序交给云计算平台，由云平 台处理相关任务，并接受云平台提供的处理结果，将其传递给用户，参见图1本发明的硬件 中间件系统结构图；“船联网”数据库系统直接托付于云平台，其所有信息都放在云平台上，该系统本 身并不存储任何数据，但并非所有的用户都能访问云平台的数据，即云平台有私有云平台 和公有云平台之分，故用户分为外部用户和内部用户，云平台会专门建立一个访问权限调 查数据库(conditional access database)，内部用户并不需要通过云端数据库的审核访 问系统存储在云端的相关数据并进行相应的更新。当外来用户需要进入系统查询相关信息 时需先通过数据库的审核，如果是授权用户，则允许访问内部数据库，否则只能访问外部数 据库。基于云平台的软件中间件系统执行用户的请求的部分代码如下For ( ；current-Virtual-Machine-Num ；Current-Virtual-Machine-Num—){Start Virtual-Machine () ；}Create Virtual-Machine ；Add To Virtual-Machine-system-management ()；Refresh Computer-Resource database ()；Run Subscriber，s request ()；Def bucket = Service result-temporary-database ()；
Return query-result ()；Release odd-Virtual-Machine ()；内部用户的请求通过网络服务器被转换为HTML格式发到中间件系统，中间件系 统将其解析并把相关请求和用户信息传送给私有云访问平台，云平台接到相关任务请求开 始执行并将结果数据，并将结果存储在云端数据库中，同时将根据中间件系统传递的系统 用户信息将该结果转换为用户需要的数据格式存放在临时数据库中，并通过网络传送给用 户。如果是来自外部的用户请求信息，则需先通过中间件系统进行注册、审核等过程后再访 问公有云平台，过程与内部用户访问系统数据库相类似。但核心数据信息外部用户并不能 访问，从而保证了 “船联网”系统数据库的安全，软件中间件结构如图2所示。参见云端分布式虚拟网络及虚拟资源池的管理网络结构图(图4)、云平台内部结 构图(图5)本发明实施例所构建的云平台包括云存储池、云计算任务、云端管理三大模块。云 存储池提供云平台需要的虚拟软件库，虚拟数据库，虚拟网络库等部分，负责云端平台数据 存储，及执行任务时提供相应的软件和网络资源，云端存储利用CDN内容分发系统、数据加 密解密技术保证了云存储的数据不会被未授权的用户访问，通过数据交换层复制数据备份 和异地应用级容灾技术保证云存储中的数据不会丢失，保证云存储自身的安全和稳定。云 计算任务模块包括映像部署和管理、数据格式化、数据去毛刺、数据加密解密，数据分析等 部分。云端平台有公有云平台和私有云平台之分，云平台包括云存储，云计算，云端管理 等模块。云平台的云存储实现利用CDN内容分发系统、数据加密技术保证云存储中的数据 不会被未授权的用户所访问，同时，通过数据交换层复制数据备份和异地应用级容灾技术 保证云存储中的数据不会丢失，保证云存储自身的安全和稳定。集群技术、分布式文件系统 和网格计算等技术，实现多个计算机设备之间的协同工作，使整个云网络的计算机能够为 用户提供同一种服务，并提供更大更强更好的数据访问性能。云端管理包括实际物理资源管理，云端虚拟数据库管理，云端虚拟网络管理，云端 虚拟计算机系统管理。本发明实施例所构建的云端虚拟分布式网络及虚拟资源池管理网络是将各个船 舶管理中心现有的服务器，计算机设备，存储设备等分别虚拟为多个同构的网络服务器 集群，计算机设备集群和存储设备集群，各个不同的集群组成了虚拟集群资源池，再由云 平台构建针对不同地区虚拟集群的资源池管理系统(Comprehensive Virtual Servers Management Systems)，该系统对云平台提供统一调用接口，而具体的虚拟服务器集群则受 到各自虚拟管理子系统控制，以此实现云端平台的分布式网络架构和管理。虚拟分布式网 络接收到前台发送的任务后，根据其网络内的资源空闲状况，采用Map-Reduce技术把任务 分解为若干个小任务，再由分布式虚拟式计算机集群执行这些小任务。本发明实施例所采用的数据采集及传输系统由各地岸基的射频信息采集器、 RS-485有线通信接口方式和紫蜂无线通信方式组成。射频信息采集器负责采集航行船舶信 息，并通过网络将其传送到船舶管理部门数据中心。船管中心与云平台的网络互联则采用 RS-485有线通信接口方式。射频信息采集器安装须满足的原则为1)按航道部署，航道部 署次序以航道等级为序，高等级航道优先部署；幻航道的省界处，相间100米-200米部署2部RFID读写器；3)与航道相交的其他航道，在交叉口处有“T”字型和“ + ”字型两种情况， 可分别部署3部和4部RFID读写器；4)按行政区域部署，在航道的县市管辖区域交界处部 署1部RFID读写器；5)以原则1)为部署优先原则；6)后部署航道不计与先部署航道的相 交。射频信息采集器根据需求以一定的时间间隔将采集到的船舶信息通过网络传送给固定基站。本发明实施例所采用的网络固定基站采用混合式编组，基站的选址及相邻基站建 设的距离依据内河船舶管理行政区域划分、地理区域划分以及所选择通信方式的不同可以 有所区别，所遵循的原则为1)基站可以有效覆盖所属区域内的所有RFID信息采集器；2) 基站可以接入hternet并接入云计算平台；3)两两基站间可以实现有线或无线的对等通 信，以实现基站间的自组织联网。网络固定基站接收其覆盖范围内数据采集器发送的信息， 并将其传送给船舶管理中心，如果网络出现故障，基站可以连续存储10个小时的由射频信 息发送的船舶信息，待网络恢复正常后再将这些数据依次传到管理部门的数据信息中心。 另外，基站间还可以实现自组织对等网络，即基站间可以实现直接的信息查询和共享。综上所述，本领域的技术人员可以对本发明进行各种修改和变型而不脱离本发明 的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的 范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
权利要求
1.一种基于射频识别及云计算的船联网构建方法，其特征在于基于云计算，将云端 平台、中间件系统、船舶管理中心、RFID数据采集及传输系统、网络固定基站、船载射频设备 等整合而组成分布式的船舶间相互联网的“船联网”网络结构；地面沿河布设的数据采集系 统通过RFID系统扫描到区域内船载射频信号后传输给网络基站，由网络基站传送给船舶 管理中心，该中心通过中间件系统将数据实时传输至云平台的数据分析业务层，得到船舶 的相关信息并转换为此地面基站可识别的数据信息，交给船舶管理中心。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的云端平台利用分布式网络处理从 船舶管理中心传送来的船舶信息，将其转换为该中心可以识别的数据格式并存储在与该中 心相对应的云端船舶信息数据库中。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的中间件系统解析船舶控制中心传 送给云平台的命令请求，并将其送往云端平台执行相关任务；同时，云端平台任务执行结果 的返回及云平台对某控制中心的命令也由中间件系统解析和传送。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的数据采集及传输系统由各地岸基 的射频信息采集器、RS-485有线通信接口方式和紫蜂无线通信方式组成；射频信息采集器 采集到航行的船舶信息后，采用有线或无线通信方式将其传送给离它最近的网络基站，由 基站将信息传送给船舶管理中心，船舶管理中心与云平台的网络互联则采用RS-485有线 通信接口方式；射频信息采集器安装在河道两边。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的网络固定基站采用混合式编组，基 站的选址及相邻基站建设的距离依据内河船舶管理行政区域划分、地理区域划分及其选择 通信方式的不同可以有所区别；网络固定基站接收其覆盖范围内数据采集器发送的信息， 并将其传送给船舶管理中心；同时，基站间还可以实现自组织对等网络，即基站间可以实现 直接的信息查询和共享。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述的云端平台有公有云平台和私有云 平台之分；云平台包括云存储、云计算、云端管理等模块；云平台的云存储实现利用CDN内 容分发系统，采用可以根据所传输数据的大小及当时网络条件进行自适应调整的数据加密 技术，同时，通过数据交换层复制数据备份和行政区域上的异地应用级容灾技术。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于所述的射频信息采集器安装须满足的原 则为1)按航道部署，航道部署次序以航道等级为序，高等级航道优先部署；幻航道的省界 处，相间100米至200米部署2部RFID读写器；幻与航道相交的其他航道，在交叉口处有 “T”字型和“ + ”字型两种情况，可分别部署3部和4部RFID读写器；4)按行政区域部署，在 航道的县市管辖区域交界处部署1部RFID读写器；5)以原则1)为部署优先原则；6)后部 署航道不计与先部署航道的相交。
全文摘要
本发明为一种基于射频识别及云计算的船联网构建方法，由云端平台，中间件系统，船舶管理中心，数据采集及传输系统，网络固定基站，船载射频设备组成网络结构。地面基站的数据采集系统扫描到区域内船载射频信号后传输给船舶管理中心，该中心通过中间件系统将数据实时传输至云计算平台的数据分析和存储系统，得到船舶的相关信息并转换为此地面基站可识别的数据信息返回船舶管理中心。本发明通过云端平台的分布式网络将基于射频识别(RFID)技术所构建的内河船舶管理信息系统及其它信息系统进行无缝连接，使不同地域不同形式的船舶管理部门相互之间可以实现分布式的实时数据共享及综合船舶信息管理；同时也为新兴的云计算技术拓宽了应用领域。
文档编号H04W84/18GK102065122SQ201010539619
公开日2011年5月18日 申请日期2010年11月11日 优先权日2010年11月11日
发明者吴华锋, 陈信强 申请人:上海海事大学