航標無線組網(wǎng)技術在湛江港的應用

張征

（南海航海保障中心湛江航標處，廣東 湛江 524005）

0 引言

在進行充分的行業(yè)趨勢分析并結合湛江航標處實際需求的基礎上，經過信息調研、用戶走訪、立項論證，方案評審等環(huán)節(jié)，湛江航標處會同研發(fā)部門，啟動了《航標無線組網(wǎng)系統(tǒng)》項目，經過緊鑼密鼓的試驗仿真、生產研制及測試優(yōu)化等工作，于2017年5月11日，安裝交付航標子網(wǎng)設備5套，經過19個月的實際運行驗證，證明航標寬帶自組網(wǎng)系統(tǒng)設計科學合理，設備質量穩(wěn)定可靠，較好的支持航標組網(wǎng)的圖像和數(shù)據(jù)的相關應用，同時，也存在一些不足。本文即對該項目的應用情況進行總結梳理[1-3]。

1 項目實施部署

2016年底，湛江航標處會同研發(fā)部門，經過方案論證，軟件分析仿真及輔助器材對比優(yōu)選的基礎上，設計研制了初樣設備，搭建起航標寬帶自組網(wǎng)系統(tǒng)進行實際測試，通過實驗室測試，室外拉距測試等試驗，改進優(yōu)化相關的設計參數(shù)。

在戶外拉距試驗時進行了四大類測試：

（1）信號聯(lián)通狀態(tài)實驗：測試無線信號連通距離、信號強弱；

（2）視頻通話信號源強弱、通話距離及質量、視頻清晰度測試；

（3）天線性能比對的前期測試；

（4）裝置機構太陽能充電儲電時間測試。

2017年5月11日，優(yōu)化后的設備搭建成航標寬帶自組網(wǎng)系統(tǒng)，在湛江麻斜片區(qū)安裝了5套設備，其中麻斜航標站站部2套，湛江港航道航標46#，D1，D2燈浮設備共3套。其中D1，D2設備有監(jiān)控攝像頭，其余的設備沒有安裝監(jiān)控攝像頭。本次驗證的是航標子網(wǎng)自組網(wǎng)的情況，經過安裝試運行，并經過實際19個月時間的實際運行驗證，雖然還存在不少問題，但實驗的初步目的已經達到，實現(xiàn)了自組網(wǎng)的圖像傳輸[4]。

2 設備安裝調試情況

航標子網(wǎng)設備是安裝在航標上的，由于航標是轉動的，對天線要求是全向天線。同時是海上的設備，需要解決供電，防腐蝕等問題如圖2所示。設備采用的是防腐蝕的不銹鋼316材料，同時采用密封設計，做相關的浸水試驗如圖3所示；同時電池采用的是高容量的，可以支持1000多次充放電的電池材料；攝像機鏡頭采用納米材料覆蓋，在海水有鹽霧情況下，有一定的防護作用。

圖1 系統(tǒng)框Fig 1 System block diagram

圖2 航標上安裝的效果Fig 2 Installation effect diagram of navigation mark

圖3 內部的結構（包含傳輸模塊，電池，攝像頭，功放）Fig 3 Internal structure （including transmission module,battery, camera, power amplifier）

2.1 寬帶組網(wǎng)設備的相關配置

（1）傳輸設備收發(fā)指標：

頻率：采用2477Mhz，20Mhz頻率占用。2.4G頻段，有干擾。后面可能考慮增加1400Mhz（無人機圖傳頻率）或900Mhz（民用）。

功率：1W；

傳輸帶寬：1Mbps-300Mbps，速率可變，跟傳輸?shù)木嚯x有關，距離遠，帶寬就小；

天線增益：12dbi，輻射角度12度，所以在安裝時盡量保證天線豎直；

傳輸距離：實測3km左右，空曠地帶，不能有遮擋。

功耗：3W；

（2）電池指標：

容量：12V*80Ah；

體積：約18*18*22cm；

類型：三元鋰電材料（后期改用石墨烯聚合物光伏儲能電池包）。

（3）攝像頭：

采用?？低暤腜TZ系列攝像頭；

像素：300萬；

功耗：3W。

（4）攝像頭客戶端：?？低昳VMS-4200。

2.2 安裝調試現(xiàn)場情況如圖4所示

圖4 麻斜養(yǎng)護中心燈塔上的無線組網(wǎng)設備Fig.4 Lighthouse wireless networking equipments of Maxie maintenance center

3 系統(tǒng)運行狀態(tài)

安裝部署好的系統(tǒng)運行后，通過系統(tǒng)回傳的數(shù)據(jù)及圖像，從功能上驗證了設備的正常運行，效果良好。

3.1 安裝初期系統(tǒng)運行狀態(tài)如圖5所示

圖5 安裝現(xiàn)場的回傳照片F(xiàn)ig.5 Returned photos at installation site

3.2 一個月后系統(tǒng)運行狀態(tài)如圖6所示

圖6 一個月后采集到的照片（手機拍攝）Fig.6 Photos collected after a month (Taken by mobile phone)

4 存在的不足

該系統(tǒng)運行以來，視頻圖像清晰，可提供現(xiàn)場圖像等有關數(shù)據(jù)的應用，如應用于對現(xiàn)場碰撞航標船舶進行錄像。但在實際使用當中，由于能源有限、海上更換能源困難等原因，還存在以下問題：

4.1 能源不足

該項目的試驗目的是希望能夠實現(xiàn)24小時實時監(jiān)控，從而達到防撞防盜的功能。但是系統(tǒng)現(xiàn)有設備耗電量約為12瓦，而由于浮標上位置限制，硅板安裝數(shù)量不足，能源供應無法滿足設備24小時不間斷工作需要。

4.2 缺少主動攝像功能

攝像設備工作需由操作人員在后臺進行瀏覽操作，這種人工的被動式攝像，無法實現(xiàn)船舶碰撞發(fā)生時的現(xiàn)場抓拍。

4.3 通訊距離有待增強

該項目要實現(xiàn)海面上無線組網(wǎng)，依托的是浮標進行網(wǎng)絡組建，但目前設備作用距離為2海里左右，這個距離屬于最基本距離，而實際工作中，浮標間距最遠要達到4-5海里，這樣是無法實現(xiàn)無線組網(wǎng)的[5]。

4.4 現(xiàn)場操作復雜

燈架上設備操作復雜，進行設備巡檢維護時，不利于操作。

5 后續(xù)有待優(yōu)化項目

針對以上情況，提出以下幾點優(yōu)化意見：

（1）在能源方面引入新的、高效發(fā)電設備，如引入風力發(fā)電等，以彌補目前能源不足的缺陷。

（2）目前夜視需要開啟紅外功能，此功能會帶來更大的能耗，不利用長期運轉。為此，能否依托燈的能源做為紅外能源，作為抓拍的燈光[6]。

（3）攝像頭的選擇，考慮更好更遠可視距離及更低能耗攝像頭。

（4）實現(xiàn)觸發(fā)抓拍、錄像功能，支持人工、自動兩種模式。

（5）采用更大功率硅板。

（6）改善工藝，優(yōu)化現(xiàn)場作業(yè)流程。

（7）在監(jiān)控平臺添加工作日志。

6 結論

根據(jù)在湛江港的應用分析，無線自組網(wǎng)系統(tǒng)基本能夠達到我們的實驗預期，即形成獨立的自組網(wǎng)絡，從而傳輸傳統(tǒng)方法無法傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，例如圖像、視頻等大數(shù)據(jù)。但配套的缺陷，使得其只能在小范圍實現(xiàn)網(wǎng)絡組建，但在實際應用中，無法滿足需要[7-8]。隨著科技的發(fā)展，新材料新技術的應用，會帶來新的能源供給方式，希望能夠解決存在的問題，從而實現(xiàn)浮標現(xiàn)場數(shù)據(jù)的快速傳輸，提供更優(yōu)質的助航服務[9-10]。