基于無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的海上通信系統(tǒng)

郭 峰

（上海海事大學 中國 上海 200135）

0 引言

海洋運輸對于我國經(jīng)濟發(fā)展的意義十分重大，為了實現(xiàn)現(xiàn)代化的航運發(fā)展，適應現(xiàn)代航運發(fā)展的要求，加強對于內(nèi)河航運的管理，我們必須進行現(xiàn)代航運科技建設，對航道進行數(shù)字化和信息化管理，采取無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點系統(tǒng)，將會降低船舶的通信成本，提高航行的安全性和可靠性。

1 無線傳感器網(wǎng)絡通信系統(tǒng)的組成

近年來，航運事業(yè)不斷發(fā)展，人們對于船舶航行所需的數(shù)據(jù)信息越來越關注，而航道信息的采集則顯得越為的重要，航道信息的采集涉及多個方面，其中通過無線傳感器設置不同的傳感器節(jié)點，測量航行所需的實時數(shù)據(jù)，形成數(shù)字化網(wǎng)絡，用以解決對于航道安全航行所需要數(shù)據(jù)的實時檢測[1]。無線傳感器網(wǎng)絡應用于航道信息的采集，對于航道的建設，規(guī)劃，管理，維護起著關鍵性的作用。 航道無線傳感器監(jiān)測網(wǎng)絡可以用于航道保護，監(jiān)測港口設施的磨損，進行港口設施維護，船舶助航，可以有效的保護航道環(huán)境。船舶通信中的無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)是將數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)處理等功能集于一身的技術(shù)手段，它將通信衛(wèi)星，船舶，地面管理系統(tǒng)，無線傳感器檢測網(wǎng)絡有機的結(jié)合，利用遙感遙測技術(shù)進行動態(tài)實時的監(jiān)測管理，形成了測量航道信息并且及時進行數(shù)據(jù)傳送的可靠系統(tǒng)。

為了滿足船舶航行所需信息的測量，實現(xiàn)海上航行信息采集的便捷化、信息化，航道無線傳感網(wǎng)絡通信系統(tǒng)主要由三個部分組成:航道檢測系統(tǒng)，數(shù)據(jù)通信與傳輸系統(tǒng)，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

圖1 無線傳感器網(wǎng)絡通信系統(tǒng)的組成

航道檢測系統(tǒng)主要負責采集航道實時所需數(shù)據(jù)，并且將數(shù)據(jù)傳送給數(shù)據(jù)處理中心。本文采用的航道立體檢測，其目標是檢測系統(tǒng)的高效率與低成本，實現(xiàn)對航道實時信息的及時掌握[2]。其中無線傳感器網(wǎng)絡檢測系統(tǒng)由四個模塊組成:電源模塊，傳感器，微控制器，無線收發(fā)裝置。為了使無線傳感器網(wǎng)絡能夠合理的應用于實際的航道數(shù)據(jù)檢測中，我們考慮對于無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點面進行合理有效的網(wǎng)絡布局，使傳感器網(wǎng)絡部署簡單適用，并且考慮使傳感器網(wǎng)絡長時間穩(wěn)定工作，同時合理控制價格，采用低成本、高效率的網(wǎng)絡節(jié)點。

數(shù)據(jù)通信與傳輸系統(tǒng)，主要負責將實時收到的數(shù)據(jù)進行簡單處理，通過無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點采集信息，將航道內(nèi)的船舶航行速度，航道內(nèi)水深，風速，水流速度，浪高等信息進行實時采集并且及時傳輸給地面控制系統(tǒng)和航行中的船舶[3]。

2 無線傳感器網(wǎng)絡檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計

航道無線傳感器網(wǎng)絡分為水面無線傳感器網(wǎng)絡和水下無線傳感器網(wǎng)絡[4]。其中水面無線傳感器網(wǎng)絡是采用無線電波信號進行通信和組網(wǎng)，它可以用來監(jiān)測航道船舶航行的船速，波高，航道內(nèi)的風速，風向，水位變化，水溫等，水下無線傳感器網(wǎng)絡采用聲波進行通信和組網(wǎng)，可以監(jiān)測水下污染物，懸浮物體。建立立體的水面?zhèn)鞲衅鞅O(jiān)測網(wǎng)絡，便于實時測量航道數(shù)據(jù)的變化情況，有助于對于航道進行全方位的監(jiān)測，對于船舶的引航，助航起到積極作用。

航道檢測系統(tǒng)是有多個由錨，錨繩，海面浮標等組成的個體有規(guī)律的部署在一起，浮標上面設置有無線通信設備，方便與岸上控制基站，通信衛(wèi)星進行通信聯(lián)系，錨繩上設置有傳感器節(jié)點，用于檢測水下數(shù)據(jù)。水下無線傳感器網(wǎng)絡通過聲波方式傳播信息，然后匯聚到水面無線傳感器網(wǎng)絡。

無線傳感器檢測網(wǎng)絡采用立體的檢測網(wǎng)絡，可將陸地基站網(wǎng)絡，水面無線傳感器網(wǎng)絡，通信衛(wèi)星，航道內(nèi)船舶有效的聯(lián)系起來，通過無線電波進行數(shù)據(jù)傳輸，行道內(nèi)主要采用水面無線傳感器網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)采集，水面無線傳感器可以直接與衛(wèi)星進行通信，并且負責與水下無線傳感器網(wǎng)絡進行連接，水下無線無線傳感器由于具有高延時，高誤碼率，充電困難，價格高等諸多的局限性，因此在選取測量對象時，盡量采用水面無線傳感器網(wǎng)絡，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性與實用性。對于無線信號衰減明顯的情況，水下無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點則采用聲波信號進行，這樣可以保證傳感器信號的及時準確。水下無線傳感器將檢測到的水流速度，水溫等信息，通過無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點自組織傳遞給匯聚節(jié)點，與水面無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點進行數(shù)據(jù)匯總，以無線信號的傳播方式通過信息發(fā)送裝置將信息傳遞數(shù)據(jù)處理器。

我們考慮建立一種穩(wěn)定并且可以全面覆蓋整個航道的檢測系統(tǒng)，這種檢測系統(tǒng)可以長時間的搜集整個航道內(nèi)實時感知的數(shù)據(jù)，通過這些數(shù)據(jù)的監(jiān)測，可以讓我們更加了解航道內(nèi)的具體航行情況，從而解決航道內(nèi)船舶航行所遇問題，如船舶流量，航道內(nèi)懸浮障礙物，水流速度等以便對于航道內(nèi)航行的船舶進行實時導航。

3 無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的優(yōu)勢和發(fā)展

通過在航道上建立的無線傳感器網(wǎng)絡，不僅可以及時和地面控制系統(tǒng)，通信衛(wèi)星進行數(shù)據(jù)通行，同時還可以通過水面上的無線傳感器網(wǎng)絡和船舶上的無線網(wǎng)絡進行直接通信，這樣即可以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)募皶r性與準確性，同時還大大的提高了經(jīng)濟效益。

在一個固定區(qū)段的航道內(nèi)，對航行信息進行實地的測量，通過無線傳感器網(wǎng)絡的水上節(jié)點和水下節(jié)點采集所需的主要信息，通過信息匯聚節(jié)點將原始信號傳送給監(jiān)視主機，可以及時準確的了解航行所需的信息，通過節(jié)點的測量了解到單位時間段內(nèi)通過該段航道內(nèi)的船舶數(shù)量，船舶運動方向，水深，浪高，水溫，天氣變化情況，水流速度，同時可以區(qū)分水面漂浮物體。通過分析各個數(shù)據(jù)的變化情況，了解整個航道內(nèi)的船舶適航情況。

無線傳感器網(wǎng)絡通過節(jié)點對整個航道的水深進行實時的測量，其測量結(jié)構(gòu)能夠真實的反應整個航道內(nèi)的水深變化情況為船舶的航行制定及時準確的通行標準，對于不同船舶的通行區(qū)域進行及時準確的劃分。

功耗是無線傳感器節(jié)點的運行的穩(wěn)定的關鍵，他關系到整個網(wǎng)絡的穩(wěn)定性與維護所需的成本。因此選取適當?shù)膫鞲衅鞴?jié)點，選取適當?shù)男畔⑻幚矸椒?，對于整個無線傳感器網(wǎng)絡的穩(wěn)定性至關重要。無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點工作主要在四種狀態(tài)下工作，信號采集，信息處理，信息傳送狀態(tài)和休眠。而在四種狀態(tài)下的能耗中，可以清楚的發(fā)現(xiàn)在信息傳送狀態(tài)下的能耗是最大的，因此將所采集數(shù)據(jù)進行必要的整理對于整個無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)能起著至關重要的作用。

4 結(jié)果分析

本文提出了基于無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)的海上信息通信系統(tǒng)，其中包括無線傳感器網(wǎng)絡的布局方式，無線傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展優(yōu)勢，為了方便了解海上的交通情況。無線傳感器網(wǎng)絡通過測量船舶流量，船舶速度，水深，波高，水溫，水流速度，風向等參數(shù)，分析整個海上通行情況。通過對航道交通信息的采集，以達到對交通控制和誘導等方面的要求，不斷增強對于交通的有效使用和管理，增進交通安全，提高交通效率。

［1］http://www.eepw.com.cn/event/topic/WirelessSensor/.

［2］羅繼業(yè).海洋環(huán)境立體監(jiān)測系統(tǒng)的設計方法[J].海洋通報，2006.

［3］羅漢江.海洋監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡關鍵技術(shù)研究[D].

［4］王靜，等.水下無線傳感器網(wǎng)絡[J].聲學技術(shù)，2009.