1.1 研究目的及意义：

新世纪以来，随着世界经济和航运业的快速发展，运营船舶的数量急剧增加，与此同时造成的污染问题也日趋严重。目前我国船舶二氧化硫排放量约占全国排放总量的8.4%，氮氧化物排放量占11.3%，船舶污染已成为我国许多港口城市和内河区域大气质量的主要污染源[2]。而现阶段海事管理机构通常采取源头控制和检验过程控制两种手段来进行船舶监测，这两种监督管理方式完全依靠传统的人工操作在实地检验完成，需要投入大量的时间和人力，且已有相关研究表明船舶实际运营过程中污染物排放比台架认证循环中的污染物排放高出很多[1][3]；随着航运业的快速发展以及船舶废气排放控制区域更加严格的强制约束，这种传统的监管方式其弊端也更加凸显，不久或将被淘汰。
在这种背景下，探索一种船用便携的在线排放检测设备和技术来实时监测船舶实际污染水平，将可能成为未来排放控制技术的发展趋势。而在远程监控系统所涉及的核心技术中，数据传输技术是最为关键的。在船舶排放监测方面，为实现对采集船舶排放数据监控实时性高、数据传输准确的目的，根据4G传输技术的特点，可以达到上述要求。同时4G技术已经成熟且广泛普及，具有网络覆盖广、成本低，网络延时短，安全性能高、不受地理位置限制等优点[6]。综上所述，设计基于4G传输技术的监测系统十分必要。

1.2 国内外研究现状：
传统的船舶在线监控系统中，是以数据采集模块、GPS定位模块、无线传输模块等船载硬件系统为基础，利用岸基数据管理软件系统来完成船舶排放信息显示、记录、存储和各港口各部门信息互通的。
现阶段船用监测无线传输模块经历了GPRS和移动3G技术两代无线传输技术。GPRS是在GSM系统基础上建立的移动网络，它采用的是分组通信技术，其网络数据的传输速率已达到57kb/s，最高可达到115kb/s，并支持实时在线等功能[5]，目前基于全球定位(GPS)导航技术与通用无线分组(GPRS)相结合的技术, 可实现船舶的定位、导航、监控功能。而第三代网络技术--3G网能够提供的最高运行速率为3.1Mbps，其应用于1.8～2.5GHz的频率，频谱效率能达到2bps/Hz，相比着上一代有着相当大的进步[2]。
然而传统的GPRS和AIS/3G无线传输技术，虽然能基本能够满足通信需要，但是对于大容量的数据通信，其传输速率明显较慢，造成传输延时，不能很好地进行实时数据更新等缺陷。同时，其信号弱、调试与维护工程复杂、营运费用高等缺点制约了传输模块在无线监控系统工程中的应用范围和灵活性，实际应用中并不能完全满足用户的需求。
随着数据通信技术的发展，4G网络登上时代的舞台，它提供了更快更稳定的数据通信服务。第四代移动通信技术（简称4G），它融合3G网和WLAN于一体，其传输的每个信道会占有100MHz的频谱，并能够以100Mbps的速度下载，与3G网络相比相当于20倍的提升其下载速度；同时上传的速度也能达到20Mbps，并能够满足几乎所有用户对于无线服务的要求[2]。
2015年，西安工业大学谭宝成等人研究了无人驾驶智能车的远程监控系统的4G传输模块，传输包括数字信息和图像信息来远程监视无人汽车的运行状况，经过测试，在大概1.5s的延时下可以流畅传输视频等相关信息[10]；2016年吴珂等人研究了汽车性能数据采集系统的4G传输模块，该模块在基于ME909S－821的4G无线通信模块下，利用模拟OBD车载模块以及各传感器产生实时的发动机转速、车速、空气流量等信息对其传输来达到监控功能[6]；2016年上海市农业科学院信息研究所刘勇等人以ARM处理器为主控制器，结合最新的传感器技术、射频识别技术和4G通信技术，设计实现了一套种猪采食量及生长速度远程监测系统，该系统可在不对猪只造成任何影响的情况下根据RFID电子标签自动识别猪只编号，并记录猪只体重和采食量，采食结束后将数据通过4G网络实时传输到后台服务器[8]；2016年，基于4G的无线传输技术已在成都地铁7号线应用，目前地铁主要运行性数据通过车载事件记录设备(ERM)进行存储，并可实时、快速地通过4G网络传输列车的信息[7]。
4G网络的上传和上网速度都更快更稳定，可以及时把信息传送并最终显示在监视端和控制端上，控制端的操作人员也可以实时接收监测数据并及时作出反应，故对于工作环境特殊的船舶监测领域有着重大研究意义。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 基本内容：
随着无线通讯的快速发展，无线传输技术越来越受到人们的青睐。与有线传输技术相比，无线传输技术不受区域和安装数量的限制，它能节省大量的建设成本和人力成本，同时可以及时和准确的将数据传输到远程计算机。目前，4G（第四代移动通信技术）网络传输技术已经相当成熟，且在我国已正式投入商业使用。
本文中将进行基于4G传输技术的船舶排放监控系统设计，主要研究内容如图1。通过学习单片机模块和4G模块的相关知识，掌握船舶排放数据的采集处理方法和4G模块信息传输相关知识，完成4G模块的硬件电路设计和软件设计；并运用单片机模块控制该4G模块信息传输，完成船舶排放监控系统的建立，最后实现对船舶排放数据的实时监控。

2.2研究目标：
根据设计系统基本结构图，使用不同的传感器对运行船舶排放尾气时的参数（如PM、NOx等）和用于辅助测量排放的参数（如O2、排气温度、中冷器前后温度、排气压力、柴油机转速及油耗）进行实时采集。设计4G通信模块实时传输到远端服务器。传输系统主要包括单片机主控模块和4G模块，其中选定STM32F407作为主控制器，4G模块选用Quectel公司生产的全网通EC20芯片。

2.3 技术方案：
船舶排放监控系统设计的研究包括两个方面：首先，即通过船载排放监测仪采集船舶柴油机排放相关信息；其次，则通过数据通信模块将采集的数据传送至数据监测和管理系统。
拟采用以下方案设计完成它：
1.选定STM32F407作为主控制器；本系统的主控制器是带Cortex-M4内核的微控制器STM32F4，它带FPU和DSP指令集，在提供高运行速率的同时又实现了较低功耗，其性能远超Cortex-M3芯片单片机。4G模块选用Quectel公司生产的全网通EC20芯片，其采用PCI Express Mini Card标准接口，4G模式下支持最大下行150Mbps和最大上行50Mbps的传输速率。其中EC20内嵌多种网络协议，并提供USB2.0接口，能够很好的实现4G网络与因特网的互联。并支持多输入多输出技术（MIMO），即在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，使信号通过发射端与接收端的多个天线传送和接收。
2.利用安装于船舶机舱的船载在线监测仪主要将排气温度、中冷器前后温度、排气压力、PM、NOx、O2、柴油机转速及油耗等传感器安置于进排气管路、主轴或进回油管路，用于采集与废气排放相关的信息。其中NOx、PM传感器用于监测柴油机进排气中各自的含量；排气温度、中冷器前后温度、排气压力、柴油机转速及油耗传感器用于辅助测量排放信息。
3.向信号处理单元请求数据信息，等待串口接收到完整的数据信息，采集运行船舶排放尾气和辅助测量排放等数据。数据采集完成后，基于STM32F407模块的4g数据传输进行编程，将STM32F407模块和EC20模块一体化，通过4G无线模块与远程服务器建立网络连接，将采集到的数据传送到远程服务器上，并将其通过CAN线接到后排放系统进行实际测试。

[1]赵明哲. 基于船舶废气排放控制对策的监管体系研究[D].大连海事大学,2013.
[2]葛广群. 4G无线网络与3G网络的分析对比[J]. 中小企业管理与科技(下旬刊),2015(11):265.
[3]赵海鸥,陈智君,魏柳新,杨伟,吴锐,金华标. 船舶柴油机排放在线监测系统设计[J]. 船海工程,2016,45(03):73-75.
[4]叶翠安. 实船柴油机氮氧化合物监测系统的设计与研究[J]. 船电技术,2016,36(08):17-19 23.
[5]马松波. 基于GPRS无线监控系统的设计[D].河南理工大学,2011.
[6]吴珂,程莉,黄元峰. 基于4G的汽车性能数据采集系统的设计与实现[J]. 计算机与数字工程,2017,45(02):397-402.
[7]车聪聪,李慧娟. 基于4G的无线传输技术在成都地铁车辆系统中的应用[J]. 轨道交通装备与技术,2017(01):48-51.
[8]刘勇,徐识溥,王运圣. 基于4G通信的种猪采食量及生长速度远程监测系统[J]. 中国农业科技导报,2017,19(02):59-64.
[9]王松,贾玉珍. 基于4G技术的小型船舶应需监控系统研究[J]. 福建电脑,2017,33(08):108 55.
[10]谭宝成,曹国浩. 4G网络在无人驾驶智能车远程监控系统上的应用[J]. 电子设计工程,2015,23(15):30-32.
[11]M. Rinne, O. Tirkkonen,LTE, the radio technology path towards 4G,Computer Communications,Volume 33, Issue 16,2010,Pages 1894-1906,ISSN 0140-3664.
[12]Hong He,Feixiang Peng,Zhihong Zhang. Design of 4G Remote Data Transmission System Based on ARM[A]. 东北大学、IEEE新加坡工业电子分会.第28届中国控制与决策会议论文集（上）[C].东北大学、IEEE新加坡工业电子分会:,2016:4.
[13]Danli Long, "Application of Mobile Intelligent Inspection System in Substation Equipment Management", Energy and Power Engineering, vol. 09, pp. 408, 2017, ISSN 1949-243X.
[14]Qian YaoYu, Lin ChangChuan,A Preliminary Scheme of the Online Monitoring System for the Ship Discharging Pollution at Harbor Based on AIS,Information,ProcediaEngineering,Volume15,2011,Pages,1436-1440,ISSN 1877-7058.
[15]杨伟. 论4G技术与智能交通系统的融合[J]. 通讯世界,2015(23):39-40.