基于AIS的船员证书远程查验终端设计与开发

朱　敏，彭　国均，魏武财

(集美大学航海学院，福建 厦门 361021)



基于AIS的船员证书远程查验终端设计与开发

朱敏，彭国均，魏武财

(集美大学航海学院，福建 厦门 361021)

[摘要]为改进现有船舶安全检查中船员证书的现场查验手段，设计与开发了基于AIS的船员证书远程查验终端.该终端由嵌入式硬件及嵌入式软件组成，采用符合国际标准的AIS通信协议进行远程传输.测试结果表明，该终端支持船员证书的远程查验，并能实时、快速地对查验结果做出判断，满足了船员证书远程管理的要求.

[关键词]AIS；船员证书；指纹识别；射频识别；LCD显示；传输协议

0引言

随着水上交通运输业的快速发展，船舶数量及水域交通密度不断增加，水上交通风险不断加大，事故不断发生，严重威胁水上人命财产安全和海洋环境.根据国际海事组织(IMO)的统计，水上交通事故80%以上与人为因素有关，而船舶的配员不足、人证不符往往是事故发生的主要原因[1].因此，海事管理部门必须对船舶签证、船舶的配员情况、船员的任解职情况、适任情况、安全记录、违章记录等信息进行跟踪和管理，从而保证船舶在整个运营过程中始终处于适航状态，保证水上人命财产安全，让海洋更清洁[2].

然而，传统的船舶安全检查，往往需要截停船舶进行登轮检查，现场查验人员仅凭肉眼无法准确地判断证书的真伪、船员证书是否人证一致等，同时增加了海事管理部门的工作量[3].如何对在航船舶配员及船员证书进行有效地核查是长期困扰水上交通安全管理的难题.

随着现代科技的快速发展，船舶自动识别系统AIS(Automatic Identification System)作为集网络技术、现代通信技术、计算机技术、电子信息显示技术为一体的数字助航系统得到了广泛的应用[4].在我国已建成覆盖所有沿海水域和内河四级以上高等级航道水域的岸基网络，共建成了1个国家级AIS管理中心、3个海区管理中心，19个辖区管理中心和121座AIS基站，内河方面共建成5大水系17个辖区中心和179座AIS基站，AIS岸基系统沿海信号覆盖率达到99.97%以上[5].

另一方面船舶强制配备了AIS设备，SOLAS公约第五章明确规定了航行于国际航线的300总吨以上船舶和公约国航行于国内航线的500总吨以上的船舶，已于2002年7月1日起到2008年7月1日分阶段执行配备AIS设备的规定[6].同时中国海事局颁布的《国内航行船舶船载电子海图系统和自动识别系统设备管理规定》，对于沿海200总吨以上、内河100吨以上船舶提出了AIS配备要求.

因此，岸基和船舶通过AIS系统可以建立有效的通信链路，合理的利用AIS系统，建立一套行之有效的船员证书远程查验系统，从而保障岸基海事管理部门实时远程查验在航船舶配员情况及船员证书真伪情况，这样可以大大降低船舶安全检查成本，提高海事管理部门的工作效率.

1船员证书远程查验终端设计与开发

船员证书远程查验终端由嵌入式硬件及嵌入式软件组成，其工作流程图如图1所示.

图1　船员证书远程查验终端工作流程图

结合现代身份识别技术的实际应用，船员证书远程查验终端的设计思路是：1)首先通过海事管理部门向相关获得资格的船员发放船员IC卡，该卡包括船员的指纹特征值信息和船员的各种信息；2)当海事管理人员需要对航行中船舶上的某一船员身份进行查验时，通过AIS基站向该船舶播发二进制寻址电文，船载查验终端收到该电文后，提示船员进行确认；3)该船员先刷海事管理部门发放的船员IC卡，把卡内的指纹信息读出，并存于指纹模块专用的缓冲区内，再在指纹采集窗口上按下自己已注册过的指纹，与缓冲区内的指纹进行比对，并将比对结果通过AIS发回海事管理部门[7-8]

1.1嵌入式硬件设计与开发

船员证书远程查验终端硬件系统的整体结构见图2.

图2　船员证书远程查验终端硬件系统组成

船员证书远程查验终端采用双串口单片机STC12C5A60S2为核心控制器，通过单片机的SPI接口提供对射频识别模块的控制操作.这种控制操作体现在单片机可以通过数据线、地址线、控制线等并行控制接口与射频识别模块连接，从而控制射频模块的正常工作，实现与船员IC卡的通信.另外，单片机通过串口1与指纹识别模块连接，该模块是以TI公司TMS320VC5501PGF高速DSP处理器为核心，结合指纹算法的光学指纹传感器，可以控制船员指纹录入、指纹上传、指纹下载、指纹存储和指纹对比等工作，单片机把所采集到的指纹数据上传并存储于船员IC卡中，在使用时下载船员IC卡内数据到指纹模块缓存中，并与当前采集指纹进行比对，最终的比对结果由单片机的串口2发送给AIS船台.LCD显示模块与单片机的普通I/O口连接，该模块的显示分辨率为128*64，内置中文字库，利用该模块简单、方便的操作指令，可构成船员证书远程查验终端中文人机交互图形界面，可以显示8*4行16*16点阵的汉字，在查验终端工作过程中，提示用户相应地操作.

1.2　嵌入式软件设计与开发

通过对主控单片机STC12C5A60S2的编程，根据ISO/IEC14443A协议控制射频读写模块与船员IC卡(Mifare 1)进行射频通信，完成对船员IC卡中指纹特征值的提取[9]，控制指纹识别模块对所采集到的图像特征值进行提取、上传、比对.LCD显示模块负责船员证书远程查验终端操作时，提示文字的显示.嵌入式软件结构图如图3所示.

图3　嵌入式软件结构

1.2.1指纹识别模块

指纹识别模块作为从设备，由单片机发送相关命令对其进行控制.串口1的波特率设定为19200 bit/s，单片机发送的命令数据长度等于8 byte，指纹模块的应答数据长度大于或等于8byte.主要用到的命令类型有：使模块进入休眠状态指令、采集图像并提取特征值上传指令、上传特征值与采集指纹比对指令等[10].

1.2.2射频识别模块

射频识别模块负责读取船员IC卡中的信息.首先，对射频识别模块进行系统初始化，单片机向读写模块发询卡指令，天线工作范围内的船员IC卡会响应这个询卡指令.在通过防冲突循环后，射频识别模块得到这张船员IC卡的序列号，于是选中了这张船员IC卡，完成了对该船员IC卡的初始化通信连接.接下来，需要对准备访问的船员IC卡的存储区内的密码进行鉴别.在通过了三次密码验证后，射频模块就可以对该存储区内的船员信息数据进行读取等操作了[11].

1.2.3LCD显示模块

LCD显示模块初始化工作通常包括：开显示、光标的显示控制、设定显示位置、清屏.该液晶模块的显示是通过将字符显示编码写入该字符显示RAM实现的.根据写入内容的不同，可分别在液晶屏上显示CGROM(中文字库)、HCGROM(ASCII码字库)及CGRAM(自定义字形)的内容.三种不同字符/文字的选择编码范围为：0000-0006H(其代码分别是0000、0002、0004、0006共4个)显示自定义字型；02H-7FH显示半宽ASCII码字符；A1A0H-F7FFH显示8192种GB2312中文字库字形.字符显示RAM在液晶模块中的地址80H-9FH，想要在某一位置显示中文字符时，先设定显示中文字符的地址，再写入中文字符编码，从而达到船员证书远程查验终端的提示信息显示.

2远程传输协议的设计

常用的符合IEC61162或ITU-RM.1371标准的AIS远程传输的协议封装内容包括：序文或训练序列、起始标志、电文数据、帧检验序列、结束标志.船员证书远程查验的传输协议采用IEC61162-1标准，支持封装的电文6(寻址二进制电文)传送.

船员证书的远程查验由海事管理部门在岸端发起认证查询，通过AIS电文6进行传输.电文内容包括：电文ID、转发指示器、源台站ID、序列号、目标台站ID、重发标志、备用、IAI、船员证书编号等，总计143 bits，一个时隙内就可以发送成功.船舶上船员证书查验终端返回一个查验结果应答，通过AIS电文6进行传输.电文参数包括：电文ID、转发指示器、源台站ID、备用、IAI、应答等，总计148 bits.船员证书远程查验系统的传输原理图如图4所示.

图4　远程传输原理图

3测试及结果

根据船员证书远程查验终端的工作流程，通过一台AIS基站模拟岸端海事管理部门的远程查验工具发送查验指令，另外，通过一台AIS船台和船员证书查验终端相连，从而与岸基的AIS基站建立起通信链路.实验模拟船员证书的远程查验过程如下：

岸端海事管理部门通过船员证书远程查验岸端测试平台向某条船上的某位船员发出查验指令，这里设置好目标船舶的MMSI号(实验用AIS船台MMSI号为868868886)，选择待查验船员的职位为值班水手1，打开串口并向该地址发射6号电文进行远程查验.测试平台参数设置如图5所示.

图5　岸端测试平台参数设置Fig.5　The parameter setting of shore-side test platform

岸端发出查验指令后，处于待机状态的船员证书查验终端收到该查验指令，提示值班水手1刷船员IC卡，该船员刷卡成功后，提示值班水手1按下自己注册过的指纹，终端将采集的指纹信息与船员IC卡中存储的指纹特征值信息进行比对，并将比对结果在LCD上显示.终端测试流程图如图6所示.

图6　终端测试流程图

船端查验完成后，终端通过AIS船台向岸端AIS基站发送反馈信息，岸端测试平台解析反馈信息，并显示比对结果，比对结果如图7所示.

图7　比对结果图Fig.7　The figure of comparison results

4结语

船员证书远程查验终端通过嵌入式软硬件开发设计，具有集成度高、成本低、工作稳定和可靠等特点；初步测试验证结果表明，该设备可支持船岸之间的远距离通信，能自动、快速地对远程请求做出响应，实现了远程的管理.

通过船员证书的远程查验，海事管理部门可以对照最低安全配员证书，查验船员适任证书的数量是否满足配员要求，抽查在航船舶相应船员是否在船.同时对船员的任职情况、适任情况、安全记录、违章记录等在后台进行管理，从而杜绝证书假冒、买卖、冒用、转让等现象，确保了查验证书的合法性、有效性、符合性，提高了海事管理部门的执法效率，具有广泛的应用前景.

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[10]谢健阳,李铁才,唐降龙,等.指纹识别系统的设计与实现[J].微计算机信息，2006，8：156-157.

[11]游战清,李苏剑.无线射频识别技术(RFID)理论与应用[M].北京：北京电子工业出版社,2004.

(责任编辑陈敏英文审校周云龙)

Design and Development of Remote Inspection Terminal forSeafaerers’ Certificutes Based on AISZHU Min，PENG Guo-jun，WEI Wu-cai

(Navigation Institute,Jimei University,Xiamen 361021,China)

Abstract:In order to improve the on-spot inspection means of qualification certificate for crew in the process of ship safety inspections,a remote inspection terminal based on AIS is designed and developed.This terminal is composed of embedded hardware and software.The software transmits information which meets AIS international communication protocol for remote transmission.It not only supports remote inspection,but also provides a way to verify the inspection results in real time.Therefore,the terminal can meet the requirements of remote management,further realize the optimization of ship safety inspection management,and enhance the efficiency of the maritime administrative department.

Key words：automatic identification system;crew certificate；fingerprint identification;radio- frequency identification;liquid crystal display;transport protocol

[文献标志码]A

[中图分类号]U 675.7

[文章编号]1007-7405(2015)02-0110-06

[作者简介]朱敏(1990—)，男，硕士生，从事交通信息工程及控制方向研究.

[收稿日期]2014-05-26[修回日期]2014-09-05