基于無線自組網(wǎng)的船舶狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

丁連奎，葉 元，陳德軍

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基于無線自組網(wǎng)的船舶狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

丁連奎1，葉 元2，陳德軍2

（1中海油田服務(wù)股份有限公司，北京101149；2武漢理工大學(xué)信息工程學(xué)院 ，武漢 430070）

分析了船舶綜合狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)信息傳輸網(wǎng)絡(luò)的需求，提出了一種基于無線自組網(wǎng)的船舶狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，對(duì)無線自組網(wǎng)協(xié)議進(jìn)行了設(shè)計(jì)，對(duì)其組網(wǎng)過程進(jìn)行了詳細(xì)的分析，對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸性能進(jìn)行了測(cè)試，其結(jié)果證明了系統(tǒng)的可行性。上述解決方案能用于滿足無線傳輸要求的船舶狀態(tài)信息的傳輸，具有重要的理論和實(shí)際意義。

無線自組網(wǎng) 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 船舶狀態(tài)監(jiān)測(cè)

0 引言

我國(guó)的船舶數(shù)量和種類也得到持續(xù)發(fā)展[1]，因此，應(yīng)用現(xiàn)代技術(shù)提升船舶自身的安全管理，一直是航運(yùn)安全的重要研究領(lǐng)域。

船舶航行安全狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)的對(duì)船體結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)、船舶配載狀態(tài)、船艙與駕駛室環(huán)境，以及主機(jī)、發(fā)電機(jī)和舵機(jī)等設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控[2]，為船舶安全運(yùn)行提供分析與控制依據(jù)，以及早期的危險(xiǎn)報(bào)警和損傷評(píng)估，從而大大提升船舶生存能力的綜合監(jiān)控系統(tǒng)。長(zhǎng)期以來，其各類狀態(tài)信號(hào)傳輸網(wǎng)絡(luò)一直以現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)為主。由于船上空間有限，船舶上的線纜鋪設(shè)過多，從而造成故障查找和檢修困難。如何減少有線網(wǎng)絡(luò)的鋪設(shè)，并提升船舶狀態(tài)信息的傳輸能力，是近年來研究的熱點(diǎn)問題。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network, WSN）是由大量的靜止或移動(dòng)的傳感器以自組織和多跳的方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)[3]，以協(xié)作地感知、采集、處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋地理區(qū)域內(nèi)被感知對(duì)象的信息。由于其無需布線、可動(dòng)態(tài)組網(wǎng)，因此，自從其面世以來，就得到了各行各業(yè)的青睞。如果能將無線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到船舶狀態(tài)的采集，實(shí)現(xiàn)部分適合無線傳輸?shù)拇盃顟B(tài)信號(hào)的傳輸，將有效減少船舶有線網(wǎng)絡(luò)的布線，提升其監(jiān)測(cè)對(duì)象的動(dòng)態(tài)加入或退出能力，由此實(shí)現(xiàn)更為科學(xué)合理的船舶組網(wǎng)形式，為船舶的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和網(wǎng)絡(luò)維護(hù)提供更為便捷的方式。

基于上述思想，本文提出了一種基于無線自組網(wǎng)的船舶綜合狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)自組網(wǎng)的組網(wǎng)原理和組網(wǎng)過程進(jìn)行了詳細(xì)的分析，對(duì)組網(wǎng)的性能進(jìn)行了具體測(cè)試，為船舶狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展提供了新的解決方案。

1 船舶綜合狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 基于無線自組網(wǎng)的船舶綜合狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

如圖1所示，本系統(tǒng)架構(gòu)采用分層分簇的組網(wǎng)形式，根據(jù)其功能將其分為三種不同形式的節(jié)點(diǎn)，即匯聚節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)、傳感節(jié)點(diǎn)，且它們分別處于不同的信息傳輸與處理層次，各層功能既獨(dú)立又相互聯(lián)系。

實(shí)際運(yùn)行中，傳感節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)對(duì)船舶監(jiān)測(cè)區(qū)域各種狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)解析編碼后通過自組網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)缴蠈拥穆酚晒?jié)點(diǎn)。路由節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)和對(duì)傳感節(jié)點(diǎn)的管理，然后將船舶狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴蠈拥穆酚晒?jié)點(diǎn)或者匯聚節(jié)點(diǎn)。匯聚節(jié)點(diǎn)通過串口將船舶狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸?shù)酱熬C合狀態(tài)監(jiān)測(cè)管理平臺(tái)。船舶狀態(tài)監(jiān)測(cè)管理平臺(tái)負(fù)責(zé)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析存儲(chǔ)與顯示，還負(fù)責(zé)對(duì)網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理。此外，該平臺(tái)還對(duì)外提供移動(dòng)終端的服務(wù)，方便管理人員隨時(shí)隨地通過安卓客戶端實(shí)時(shí)查看到船舶的狀態(tài)信息。上述分層結(jié)構(gòu)可以大大降低網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度，同時(shí)也可以降低終端節(jié)點(diǎn)的功耗。

1.2 無線自組網(wǎng)協(xié)議設(shè)計(jì)

1.2.1 MAC協(xié)議設(shè)計(jì)

MAC協(xié)議對(duì)于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的通信質(zhì)量至關(guān)重要，其主要功能包括對(duì)于信道的劃分與節(jié)點(diǎn)功耗控制等[4]。本系統(tǒng)采用分層分簇結(jié)構(gòu)，傳感節(jié)點(diǎn)大部分時(shí)間工作在休眠模式，而匯聚節(jié)點(diǎn)與路由節(jié)點(diǎn)沒有低功耗的要求。圖1中，匯聚節(jié)點(diǎn)與路由節(jié)點(diǎn)之間的通信選用CC2500芯片完成實(shí)現(xiàn)，路由節(jié)點(diǎn)與路由節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)與傳感節(jié)點(diǎn)之間通信選用nRF905芯片實(shí)現(xiàn)。上述射頻芯片具備載波幀聽機(jī)制，應(yīng)用上述特點(diǎn)，本文結(jié)合TDMA協(xié)議，設(shè)計(jì)了適用于船舶狀態(tài)監(jiān)測(cè)的混合型MAC層協(xié)議[5,6]，具體描述如下：

1）匯聚節(jié)點(diǎn)與路由節(jié)點(diǎn)沒有低功耗的要求，設(shè)定其在閑時(shí)一直處于信息接收狀態(tài)。傳感節(jié)點(diǎn)大部分時(shí)間工作在休眠狀態(tài)，定時(shí)喚醒發(fā)送采集的船舶狀態(tài)信息與心跳信息。并且匯聚節(jié)點(diǎn)不直接與傳感節(jié)點(diǎn)通信，傳感節(jié)點(diǎn)與傳感節(jié)點(diǎn)之間也不需要相互通信，減少了網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜程度，降低了功耗。

2）傳感網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)都具有唯一的物理地址，廣播時(shí)采用通用信道和通用物理地址，單播時(shí)采用私有物理地址。

3）匯聚節(jié)點(diǎn)與路由節(jié)點(diǎn)之間通信：在路由節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)之前，通信過程為路由節(jié)點(diǎn)以廣播形式發(fā)送入網(wǎng)請(qǐng)求，匯聚節(jié)點(diǎn)收到請(qǐng)求后，處理消息格式，判斷節(jié)點(diǎn)地址是否已滿，如果子節(jié)點(diǎn)地址空間未滿，則立即回復(fù)入網(wǎng)信息，信息中包括父節(jié)點(diǎn)分配給此路由節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址。路由節(jié)點(diǎn)在收到匯聚節(jié)點(diǎn)回復(fù)的信息后，正確回復(fù)ACK，并設(shè)置此路由節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)地址為匯聚節(jié)點(diǎn)分配的網(wǎng)絡(luò)地址。如果匯聚節(jié)點(diǎn)中子節(jié)點(diǎn)地址空間已滿，則拒絕其入網(wǎng)。路由節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)成功后，匯聚節(jié)點(diǎn)與路由節(jié)點(diǎn)使用網(wǎng)絡(luò)地址進(jìn)行通信，即以私信的形式完成通信過程。

4）傳感節(jié)點(diǎn)與路由節(jié)點(diǎn)之間通信：入網(wǎng)之前的通信形式與上述形式相同。入網(wǎng)成功后，傳感器節(jié)點(diǎn)定時(shí)喚醒向父節(jié)點(diǎn)發(fā)送傳感器采集到的船舶狀態(tài)信息與心跳信息，通信過程結(jié)束后，切換到休眠狀態(tài)。其MAC層協(xié)議如圖2所示。

1.2.2 系統(tǒng)路由協(xié)議設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的路由協(xié)議的設(shè)計(jì)關(guān)系到網(wǎng)絡(luò)的性能及質(zhì)量。因此本系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳捎玫氖欠謱臃执氐男问?。本文中傳感?jié)點(diǎn)大致分布在船舶機(jī)艙、船艙、發(fā)動(dòng)機(jī)倉(cāng)等。根據(jù)其傳感節(jié)點(diǎn)的區(qū)域分布，位于同一區(qū)域的傳感節(jié)點(diǎn)組成一個(gè)簇，如果同一區(qū)域傳感節(jié)點(diǎn)分布較多，則分成多個(gè)。每個(gè)區(qū)域都有一個(gè)或多個(gè)簇頭，這些簇頭即路由節(jié)點(diǎn)。簇頭的作用在于管理這一區(qū)域的傳感節(jié)點(diǎn)或者轉(zhuǎn)發(fā)傳感節(jié)點(diǎn)采集的船舶狀態(tài)信息。接下來路由節(jié)點(diǎn)將收到的狀態(tài)信息轉(zhuǎn)發(fā)給匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)然后通過串口轉(zhuǎn)發(fā)給船舶綜合狀態(tài)監(jiān)測(cè)管理平臺(tái)。至此一次通信過程完成。并且路由節(jié)點(diǎn)與傳感節(jié)點(diǎn)之間收發(fā)器采用CC2500，而路由節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)之間通信采用nRf905，避免了通信串?dāng)_。此分層的路由協(xié)議相較于其他的路由協(xié)議來說網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，層次清晰，管理更加方便。

本文參考了Zigbee路由機(jī)制以及LEACH協(xié)議等，根據(jù)系統(tǒng)特點(diǎn)設(shè)計(jì)了船舶狀態(tài)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議[7]。文中匯聚節(jié)點(diǎn)與路由節(jié)點(diǎn)都固定不變，傳感器節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)之間通過路由節(jié)點(diǎn)為中繼，網(wǎng)絡(luò)由匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)起建立。系統(tǒng)路由結(jié)構(gòu)如圖33所示。系統(tǒng)中的路由節(jié)點(diǎn)相當(dāng)于LEACH中的簇頭，路由結(jié)構(gòu)與Zigbee中的樹形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)類似。由于路由節(jié)點(diǎn)只負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)船舶數(shù)據(jù)信息，本系統(tǒng)的路由機(jī)制相比于這兩種協(xié)議要簡(jiǎn)單很多。系統(tǒng)路由協(xié)議描述如下：

1）網(wǎng)絡(luò)的建立與新設(shè)備加入過程

網(wǎng)絡(luò)建立過程：匯聚節(jié)點(diǎn)收到來自船舶狀態(tài)監(jiān)測(cè)管理平臺(tái)的組網(wǎng)命令后，開始監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)中的請(qǐng)求入網(wǎng)信息。當(dāng)收到路由節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)請(qǐng)求信息后，如果匯聚節(jié)點(diǎn)子節(jié)點(diǎn)地址空間未滿，則允許其入網(wǎng)，分配對(duì)應(yīng)的路由節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)地址并回復(fù)此路由節(jié)點(diǎn)。路由節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)成功后處于監(jiān)聽狀態(tài)，接收來自其他節(jié)點(diǎn)的信息。接著，傳感節(jié)點(diǎn)上電后開始發(fā)送入網(wǎng)請(qǐng)求。路由節(jié)點(diǎn)收到信息后檢查其地址空間。當(dāng)?shù)刂房臻g未滿時(shí)，回復(fù)子節(jié)點(diǎn)信息，分配其網(wǎng)絡(luò)地址允許入網(wǎng)。當(dāng)?shù)刂房臻g已滿時(shí)，拒絕其入網(wǎng)。

2）網(wǎng)絡(luò)地址分配

系統(tǒng)中采用了與Zigbee協(xié)議類似的路由機(jī)制[8]。網(wǎng)絡(luò)中的匯聚節(jié)點(diǎn)規(guī)定了設(shè)備最多可以擁有的子設(shè)備數(shù)量，還規(guī)定了子設(shè)備中路由器的數(shù)量。船舶狀態(tài)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)在燒寫固件時(shí)就規(guī)定了其物理地址。入網(wǎng)成功后由其父節(jié)點(diǎn)分配其唯一的網(wǎng)絡(luò)地址。設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)地址分配主要有3個(gè)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)組成：網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)父節(jié)點(diǎn)能夠連接的最大的子節(jié)點(diǎn)數(shù)目，最大網(wǎng)絡(luò)深度，子節(jié)點(diǎn)中路由節(jié)點(diǎn)的最大個(gè)數(shù)。網(wǎng)絡(luò)深度為的父節(jié)點(diǎn)為其子節(jié)點(diǎn)分配的網(wǎng)絡(luò)地址偏移量C可根據(jù)公式（1）計(jì)算獲得：

只有當(dāng)Cskip(d)大于0時(shí)，該節(jié)點(diǎn)才能夠允許子節(jié)點(diǎn)的加入。其中給路由節(jié)點(diǎn)分配的網(wǎng)絡(luò)地址公式為（2），終端傳感節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址由公式（3）確定。其中index為子節(jié)點(diǎn)的序號(hào)。

系統(tǒng)中設(shè)定=246、=3、=6，即最大傳感節(jié)點(diǎn)數(shù)為246-6=240，最大子路由數(shù)為6，最大深度為3。根據(jù)以上公式可計(jì)算下面如圖3所示的地址分配結(jié)構(gòu)圖。

節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)后，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)用網(wǎng)絡(luò)地址互相通信，當(dāng)路由節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)時(shí)，先判斷不等式，其中為源網(wǎng)絡(luò)地址，為深度為的路由地址。如果該不等式成立，則表示源節(jié)點(diǎn)為該路由點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)，如果不是則表示目的節(jié)點(diǎn)在其他路由節(jié)點(diǎn)下。

1.2.3 網(wǎng)絡(luò)性能保障機(jī)制

為了保證網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)目煽啃?，額外采取如下抗干擾措施。

信號(hào)避碰機(jī)制。由于系統(tǒng)中多對(duì)節(jié)點(diǎn)都是在同一信道下進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的，當(dāng)在同一時(shí)刻有多個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，容易產(chǎn)生信號(hào)疊加問題，導(dǎo)致接收數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。本系統(tǒng)為了盡量減少信號(hào)碰撞，在不同層次之間，節(jié)點(diǎn)之間的通信采用不同的射頻芯片。并且采用的收發(fā)模塊nRF905與CC2500 都自帶有物理載波偵聽機(jī)制，發(fā)送信息前會(huì)偵聽所用信道是否空閑，信道空閑時(shí)才發(fā)送數(shù)據(jù)，忙時(shí)會(huì)延時(shí)發(fā)送。

串?dāng)_避免機(jī)制。節(jié)點(diǎn)收到并處理不是發(fā)給本節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)的現(xiàn)象稱為串?dāng)_。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)較多，數(shù)據(jù)流較大的時(shí)候容易造成串?dāng)_，結(jié)果就是節(jié)點(diǎn)可能錯(cuò)過特定的數(shù)據(jù)包，造成能量的浪費(fèi)。本系統(tǒng)在協(xié)議中通過地址匹配與信道分配來避免串?dāng)_問題。本系統(tǒng)中由于每p class="content"點(diǎn)存在唯一的物理地址，入網(wǎng)成功后又分配了唯一的網(wǎng)絡(luò)地址，節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)時(shí)首先進(jìn)行地址匹配，當(dāng)?shù)刂凡黄ヅ鋾r(shí)馬上進(jìn)入指定狀態(tài)，匹配時(shí)進(jìn)行下一步處理，能夠有效地減少串?dāng)_問題。

網(wǎng)絡(luò)自愈功能。本系統(tǒng)采用無線傳感網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)在系統(tǒng)中是自動(dòng)并且隨時(shí)入網(wǎng)的。當(dāng)節(jié)點(diǎn)由于斷電或其他異常狀況與網(wǎng)絡(luò)斷開時(shí)，節(jié)點(diǎn)會(huì)根據(jù)自身狀態(tài)重新申請(qǐng)入網(wǎng)。保障整個(gè)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的通信質(zhì)量。

2系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)結(jié)果與傳輸性能測(cè)試

2.1系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)結(jié)果分析

按照2.1節(jié)的系統(tǒng)架構(gòu)圖，對(duì)船艙、機(jī)艙的溫度、濕度、煙霧等船舶環(huán)境狀態(tài)信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸，在監(jiān)測(cè)管理平臺(tái)顯示出接收到的船舶狀態(tài)信息如圖5所示。折線圖中的狀態(tài)量隨著時(shí)間的變化而改變。如圖5所示，顯示了各傳感節(jié)點(diǎn)的在線信息?；疑硎倦x線，黃色表示在線。圖6透明地反應(yīng)了各傳感節(jié)點(diǎn)的在線信息，還可以根據(jù)船舶狀態(tài)監(jiān)測(cè)需求，合理配置傳感節(jié)點(diǎn)數(shù)量，因此，讓無線網(wǎng)絡(luò)部署方便，維護(hù)容易。

2.2系統(tǒng)傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)性能測(cè)試

無線傳感網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試主要包括節(jié)點(diǎn)通信距離與信息收發(fā)測(cè)試。本系統(tǒng)中采用了兩種短距離通信模塊，經(jīng)過測(cè)試，其結(jié)果如下：

1）CC2500通信測(cè)試結(jié)果

CC2500網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試時(shí)采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。通過串口調(diào)試助手顯示測(cè)試結(jié)果。本次測(cè)試以發(fā)送1000條數(shù)據(jù)為例。結(jié)果如表1所示。

2）nRF905

nRF905點(diǎn)對(duì)點(diǎn)測(cè)試機(jī)器發(fā)射速率為50 kbps，測(cè)試中發(fā)送1000條數(shù)據(jù)，通過串口調(diào)試助手顯示測(cè)試結(jié)果。其結(jié)果如表2所示。

對(duì)比測(cè)試結(jié)果，無線收發(fā)模塊從傳輸距離與通信成功率上來看，均滿足系統(tǒng)需求。根據(jù)其測(cè)試結(jié)果，可設(shè)置CC2500傳輸速率10 kbps，功率為0 dBm；設(shè)置nRF905傳輸速率為50 kbps，功率為0 dBm。

3 結(jié)束語(yǔ)

論文分析了當(dāng)前船舶狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸功能的發(fā)展需求，針對(duì)現(xiàn)有方案的不足，提出了基于無線傳感網(wǎng)的船舶狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。結(jié)合了Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)和無線傳感網(wǎng)的特點(diǎn)，根據(jù)其應(yīng)用背景，實(shí)現(xiàn)了基于無線自組網(wǎng)的MAC層協(xié)議與路由協(xié)議設(shè)計(jì)，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了船舶狀態(tài)的采集與報(bào)警功能，為船舶狀態(tài)監(jiān)測(cè)提供了一種新的實(shí)現(xiàn)途徑。

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