一種基于無線自組網(wǎng)的內(nèi)河航標(biāo)裝置設(shè)計(jì)

袁學(xué)松，張 靜

(安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程系，安徽 蕪湖 241000)

一種基于無線自組網(wǎng)的內(nèi)河航標(biāo)裝置設(shè)計(jì)

袁學(xué)松，張 靜

(安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程系，安徽 蕪湖 241000)

在內(nèi)河航道中航標(biāo)起著保證航道和船舶安全的作用。由于氣候和水文的變化航標(biāo)容易出現(xiàn)偏移等現(xiàn)象，導(dǎo)致無法正確標(biāo)記航道位置，如果航標(biāo)維護(hù)人員不及時(shí)進(jìn)行糾正，會(huì)影響內(nèi)河航道船舶的航行安全。設(shè)計(jì)了一種基于無線自組網(wǎng)的內(nèi)河航標(biāo)裝置，該裝置具有防偏移和防碰撞取證等裝置。航標(biāo)間使用無線自組網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，并可通過各種通信方案來及時(shí)上報(bào)相關(guān)故障。

內(nèi)河航道；無線自組網(wǎng)；內(nèi)河航標(biāo)

引言

隨著無線自組網(wǎng)(AD-HOC)[1]廣泛的使用，很多行業(yè)都利用其無中心、自組織性和造價(jià)低廉等特點(diǎn)設(shè)計(jì)了很多具有無線通信功能的新裝置。如：在陸上VANET[2-3]技術(shù)的產(chǎn)品已經(jīng)被廣泛應(yīng)用與車聯(lián)網(wǎng)中，無線內(nèi)河航道通信的設(shè)備還是較少，大多數(shù)使用高頻和甚高頻(VHF)[4]進(jìn)行通信，一些航標(biāo)主要起指示航道的作用基本不具備采集信息和通信的功能。本文設(shè)計(jì)了一種基于無線自組網(wǎng)的內(nèi)河航標(biāo)裝置，該裝置包括：北斗定位短消息發(fā)送裝置，基于多種傳感器的航行參數(shù)測(cè)量裝置，各類本體檢測(cè)與報(bào)警裝置。

1 無線自組網(wǎng)航標(biāo)設(shè)計(jì)

基于無線自組網(wǎng)的內(nèi)河航標(biāo)裝置設(shè)計(jì)要點(diǎn)主要有：(1)內(nèi)河航道與航標(biāo)間進(jìn)行無線自組網(wǎng)方式組網(wǎng)，并進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)通信，以達(dá)到防止船舶間、船舶與航標(biāo)碰撞的目的。(2)北斗定位于短消息發(fā)送裝置，主要幫助航標(biāo)進(jìn)行精確定位，并和張力傳感器共同監(jiān)測(cè)航標(biāo)是否發(fā)生了漂移。同時(shí)，通過短消息模塊對(duì)漂移的航標(biāo)進(jìn)行報(bào)警，當(dāng)航標(biāo)體自身的各類設(shè)備工作狀態(tài)出現(xiàn)了故障，也可以通過其進(jìn)行監(jiān)測(cè)和報(bào)警。(3)當(dāng)航標(biāo)體通過傳感器感知距離過近時(shí)，發(fā)出聲光報(bào)警，并通過無線自組網(wǎng)警告逼近船舶，同時(shí)開啟具有夜視功能的高清攝像頭進(jìn)行相關(guān)取證，并通過3G/4G模塊進(jìn)行發(fā)送。

1.1 防航標(biāo)漂移裝置設(shè)計(jì)方案

圖1為簡易的內(nèi)河航標(biāo)防漂移裝置結(jié)構(gòu)圖。1為船體或者鼓式航標(biāo)剖面圖。船體隨水流正常的傾斜和偏移是不會(huì)報(bào)警的。只有在偏移過大，經(jīng)過各種檢測(cè)(如北斗模塊定位檢測(cè))后，發(fā)現(xiàn)確實(shí)異常才進(jìn)行報(bào)警。2為特殊材料管狀錨鏈，中空。該錨鏈具有抗拉，防腐蝕，密封性好等特性。3為各類傳感裝置，這些傳感裝置有：①張力、壓力傳感器，傳感器采用筒式、柱式結(jié)構(gòu)形式。內(nèi)外螺紋作承載連接，具有抗偏、抗側(cè)能力、精度高、性能穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn)。用于測(cè)量錨鏈的拉伸力和壓縮力，并可以以數(shù)字的形式傳輸給航標(biāo)體內(nèi)的單片機(jī)。根據(jù)不同的航標(biāo)體使用不同拉伸力的傳感器，一般使用100T的足夠。②渦輪流量計(jì)智能傳感器，該傳感器主要用于測(cè)量航標(biāo)當(dāng)前的水流速，提供給航標(biāo)體內(nèi)的單片機(jī)，這些信息會(huì)在自組網(wǎng)中傳輸給相應(yīng)的船舶節(jié)點(diǎn)。③超聲波測(cè)水深傳感器，該傳感器使用超聲波方式測(cè)量水深，通過路由協(xié)議發(fā)送給船舶節(jié)點(diǎn)，防止大型船舶在淺灘擱淺。4為配重體， 使航標(biāo)體能在較大風(fēng)速和水流作用下保持穩(wěn)定的漂浮狀態(tài)。5為普通航標(biāo)錨鏈，起到固定作用。6為水泥墩及其錨鏈，該裝置可以使5與水平角呈60°～75°以保持航標(biāo)體的穩(wěn)定性。7為錨，是航標(biāo)的固定裝置。

水泥墩錨鏈斷裂、航標(biāo)錨鏈斷裂或者錨脫離都會(huì)導(dǎo)致航標(biāo)體的漂離。張力、壓力傳感器會(huì)第一時(shí)間了解到異常的張力(超過了設(shè)定的范圍)，該傳感器會(huì)將信息傳遞給船體中的單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)自身北斗模塊的定位功能判斷自身位置(經(jīng)度和緯度)是否發(fā)生偏移，若偏移不在一個(gè)合理的范圍內(nèi)，則通過3G/4G模塊給航標(biāo)檢修人員進(jìn)行報(bào)警，同時(shí)通過北斗短消息發(fā)送模塊將信息傳輸給航道管理局的服務(wù)器中。

圖1 內(nèi)河航標(biāo)防漂移裝置結(jié)構(gòu)圖

1.2 航標(biāo)體結(jié)構(gòu)

圖2為航標(biāo)體的剖面圖，圖中1為環(huán)形多晶太陽能電池板。該電池板為船體的各類傳感器和處理器提供供電支持。2為航標(biāo)核心處理裝置。3為風(fēng)速傳感器和相關(guān)天線裝置。同時(shí)具有一套聲光報(bào)警裝置和夜視高清攝像頭。4為蓄電池為航標(biāo)裝置提供能源保障。

圖2 航標(biāo)體結(jié)構(gòu)剖面圖

1.3 航標(biāo)工作流程

航標(biāo)裝置工作流程圖如圖3所示，太陽能供電模塊和蓄電池組給整個(gè)裝置提供電源，當(dāng)前小型燈塔已采用太陽能電池，航標(biāo)作為一個(gè)耗電不大的裝置，較大功率的太陽能蓄電池組已完全能滿足其需求。航標(biāo)單片機(jī)處理器模塊使用的是STM32F103，改處理器基于32位ARM核心的帶128K字節(jié)閃存的微控制器。能完成基本的傳感器數(shù)據(jù)搜集處理和相關(guān)通信工作。通信模塊包括3種通信方式。各類傳感器將檢測(cè)到的實(shí)時(shí)信息通過相關(guān)通信模塊傳輸至臨近航標(biāo)或者航道管理局的服務(wù)器上。

圖3 航標(biāo)裝置工作流程圖

1.4 航標(biāo)節(jié)點(diǎn)無線自組網(wǎng)通信方案

航標(biāo)間通信通過無線自組網(wǎng)完成，整個(gè)通信模式如下所示。

① 航標(biāo)節(jié)點(diǎn)周期性的向周圍具有無線自組網(wǎng)通信裝置的船舶節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信標(biāo)消息廣播。廣播的內(nèi)容包括由航標(biāo)傳感器得到的水流速度方向、風(fēng)速及方向、水深信息等相關(guān)航行信息。信標(biāo)數(shù)據(jù)包格式如下。

圖4 信標(biāo)數(shù)據(jù)包格式

水流速度與方向、風(fēng)速與方向、水深信息都是有航標(biāo)節(jié)點(diǎn)的相關(guān)傳感器得到的數(shù)據(jù)，然后通過MCU處理后通過無線自組網(wǎng)通信模式傳輸給通信范圍內(nèi)的所有船舶節(jié)點(diǎn)。

② 船舶節(jié)點(diǎn)在收到周期新的廣播信息后，比較自身北斗定位裝置得到的信息，算出于航標(biāo)節(jié)點(diǎn)間的距離，然后通過相關(guān)算法計(jì)算出自己的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，判斷是否會(huì)與航標(biāo)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行碰撞，并及時(shí)做出修正。

③ 同樣船舶節(jié)點(diǎn)間也通過相關(guān)算法來避免碰撞的發(fā)生。

④ 航標(biāo)節(jié)點(diǎn)周期性的自檢，檢查自己的相關(guān)傳感器是否正常工作，如果不正常工作則會(huì)通過相關(guān)3G/4G通信方式或者北斗短消息傳送機(jī)制將故障信息發(fā)送到相關(guān)的服務(wù)器和維修人員的移動(dòng)客戶端上。同時(shí)，在周期性的廣播中，如果航標(biāo)節(jié)點(diǎn)的健康標(biāo)識(shí)為false則表示節(jié)點(diǎn)失效，船舶節(jié)點(diǎn)不考慮此條信息，將從其他航標(biāo)節(jié)點(diǎn)中獲取相關(guān)信息。

⑤ 節(jié)點(diǎn)間的通信算法使用GPSR-CH算法，[5]該算法主要是對(duì)內(nèi)河航道中船舶和相關(guān)航標(biāo)進(jìn)行通信設(shè)計(jì)的，較為可靠。

1.5 裝置的通信模塊設(shè)計(jì)

裝置的通信模塊主要包括：3G/4G模塊、自組網(wǎng)通信模塊、北斗定位短消息發(fā)送模塊。其中，自組網(wǎng)通信模塊為船舶節(jié)點(diǎn)間、航標(biāo)節(jié)點(diǎn)間以及兩者間相互通信的主要方式。這種通過相關(guān)路由協(xié)議的通信有效的保障了航行的安全。航標(biāo)節(jié)點(diǎn)與船舶節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信時(shí)，相關(guān)路由協(xié)議會(huì)收集航標(biāo)上各類傳感器的數(shù)據(jù)經(jīng)單片機(jī)處理后通過天線進(jìn)行傳輸。3G/4G模塊為航標(biāo)定期檢測(cè)(自身)狀態(tài)后發(fā)送給相關(guān)航道管理部門的通信模式。當(dāng)某些傳感器失靈，航標(biāo)錨鏈斷裂導(dǎo)致的航標(biāo)漂移等故障產(chǎn)生后，通過該模塊的通信進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送。在某些特殊航道，3G/4G信號(hào)覆蓋不到的地方，可以啟動(dòng)北斗短報(bào)文傳送裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

1.6 防碰撞取證裝置設(shè)計(jì)

在本裝置上具有一個(gè)高清夜視攝像頭和一套聲光電報(bào)警裝置。當(dāng)該裝置經(jīng)無線自組網(wǎng)相關(guān)路由協(xié)議判斷船舶位置小于安全距離，且有碰撞趨勢(shì)的時(shí)候，會(huì)啟動(dòng)防碰撞機(jī)制。該機(jī)制會(huì)通過北斗定位模塊獲取航標(biāo)的具體位置，并通過路由協(xié)議交換到相關(guān)船舶的地理位置。若判斷小于100米，立即啟動(dòng)聲光報(bào)警裝置，同時(shí)開啟高清攝像頭對(duì)船舶進(jìn)行航行取證，將取證的信息通過3G4G模塊傳輸給河道管理局的服務(wù)器平臺(tái)。

小結(jié)

文中采用單片機(jī)與 各類傳感器模塊相結(jié)合設(shè)計(jì)的航標(biāo)裝置設(shè)備已在某些水域航道得到小范圍的試用，實(shí)際運(yùn)行使用中，該裝置工作穩(wěn)定可靠。同時(shí)，該裝置可以在所有浮鼓式或船式航標(biāo)上進(jìn)行安裝，對(duì)航標(biāo)的結(jié)構(gòu)形態(tài)改變較小，不會(huì)影響航標(biāo)的浮態(tài)，適合在內(nèi)河航道上進(jìn)行推廣。

[1]鄭少仁,王海濤，等. Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[M].人民郵電出版社,2005(1)：11-25.

[2]Liu Haiqing,Yang Licai,Ding Sijing,et al.LogicalconnectivitypredictionmodelsforVANETbasedonnonlinearregressionandELM:AnexampleoftheAODVprotocol[J].International Journal of Future Generation Communication and Networking,2014,17(6):217- 230.

[3]Karp for B, Kung H T.GPSR:Greedyperimeterstatelessroutingwirelessnetworks[C]/ACM/IEEE International Conference on Mobile Computing and Networking, Boston Massachusetts USA, 2000:243-254.

[4]趙立凱.VHF/UHF頻段寬帶天線的研究與設(shè)計(jì)[D].蘭州大學(xué)，2012：1-11.

[5]袁學(xué)松,袁濤,王蒙,張靜.一種可靠的GPSR改進(jìn)算法在內(nèi)河航道中的應(yīng)用研究[J].安慶師范學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2016,22(2):72-76.

Class No.:TP872 Document Mark：A

(責(zé)任編輯：蔡雪嵐)

A Navigation Mark Device Based on Wireless Ad Hoc Networks

Yuan Xuesong，Zhang Jing

(Department of Information Engineering, Anhui Technical College of Mechanical and Electrical Engineering, Wuhu, Anhui 241000，China)

In the inland waterway, navigation plays the role of ensuring the safety of waterways and ships. Due to climate and hydrological changes, the buoy prone to deviate the correct position . If it had not been corrected timely, the safety of ships in the inland waterway would have affected. This paper describes the design of a wireless ad hoc network based on inland navigation marks, the navigation with anti-migration and anti-collision forensics device. With the wireless ad hoc network data communication and various communication schemes ,the relative fault information would feedback to us timely.

wireless ad hoc network; inland waterways; inland river navigation mark

袁學(xué)松, 碩士,講師，安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程系。研究方向:網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)、無線傳感網(wǎng)、數(shù)據(jù)挖掘、圖像處理技術(shù)。 張靜，助理實(shí)驗(yàn)師，安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程系。研究方向：高校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)等。

2017年度安徽高校重點(diǎn)自然科學(xué)研究項(xiàng)目“基于SAR的長江流域排污檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究” (項(xiàng)目編號(hào)：KJ2017A757)； 2016年安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院院級(jí)重點(diǎn)研究項(xiàng)目“多場(chǎng)景Vanet廣播路由研究”(項(xiàng)目編號(hào)：2016zdzr10)。

1672-6758(2017)06-0051-3

TP872

A