基于無線傳感器網絡的航標遙測遙控系統

摘 要:本文針對現有航標和管理方法的缺陷，提出了一種基于無線傳感器網絡的航標遙控遙測系統。對航標遙控遙測系統所需的技術進行了研究，提出了系統的結構，并對傳感器網絡的傳輸協議進行了分析，選出了合適的路由協議。該系統能夠實現對航標的工作信息、水文、氣象等信息的采集，對航標的功能進行遙控。同時，該系統具有低復雜度和低成本等特點，具有廣闊的應用前景。

關鍵詞:航標;遙控遙測;無線傳感器網絡

中圖分類號:U6;TP3 文獻標志碼:A文章編號:16717953(2009)04002903

Navigation Mark Telemetering and Telecontrol System Based on Wireless Sensor Networks

WANG Baoren ZHANG Yuchao SU Hongquan2

(1.Dalian Department of Aids to Navigation Tianjin MSA Dalian 116001，China;2.Information Science and Technology College，Dalian Maritime University Dalian 116001，China)

Abstract: Aiming at shortcomings of available navigation marks and it's management procedure， a method of navigation mark telemetering and telecontrol system based on wireless sensor networks was proposed. The technology and parameters needed by this system were analyses， system structure and transmission protocol of wireless sensor networks were proposed. This system can collect the working information， hydrology and meteorology information of navigation mark， remote control navigation mark. The simple and low cost network nodes ensure a vast application for the system.

Key words: navigation mark;telemetering and telecontrol;wireless sensor networks

航標^[1]是保障船舶航行安全重要設施，對于海上運輸、國防安全、漁業發展等都有重要作用。目前，我國航標的管理主要還是人工維護，需要定期巡檢、定期維護。這種航標管理模式有很多弊端:實時性差、可靠性和效率低下，費用較高且存在一定的安全隱患。

國際航標協會(International Association of Marine Aids to Navigation and Lighthouse Authorities， IALA)已經開始了電子航標服務信息系統研究的推進工作，其目的是依托AIS、ECDIS、Internet等技術，自動向船舶提供對航行安全和海上環境保護至關重要的實時信息的新助航體系^[2]。該系統需要實時采集航標的信息，通過AIS或Internet發布。目前已經有很多關于AIS在航標管理和信息發布應用的研究。但是AIS系統應用于航標管理還存在很多的問題，如信息冗余、占用通信信道、成本高貴等缺點。因此，需要研究一個高可靠性，高效費比的航標管理系統。

無線傳感器網絡是由大量的隨機分布的集成有傳感器、數據處理單元和通信模塊的微小節點組成，節點間可以通過自組織的方式構成網絡。每個節點根據需要可以內置多種傳感器測量所在的周邊環境參數，如溫度、濕度、風向和位置等，通過網絡的方式匯集數據，并在網絡之間或通過上層網絡傳輸給用戶。無線傳感器具有可靠性高，冗余度好，擴展性強和成本低等特點，非常適用于航標的遙控遙測。本文提出將無線傳感器應用與航標上，利于無線傳感器的優點，可以將航標組成信息化、智能化的網絡。

1 航標遙控遙測的關鍵技術

航標分為燈塔、燈樁、導標、立標、燈船、燈浮標等6個種類，主要設置在船舶往來頻繁、水文地理復雜的水域及港口，為船舶指示航線、轉向點、淺灘、暗礁、沉船和禁航區，因此，航標設備運行狀態的好壞，將直接影響船舶的航行安全。作為航標管理部門希望能夠實時了解航標的工作狀態，及時發現故障并進行維修。對于重點大型設施(大型燈塔設備)，往往采用人工值守的管理方法，可以及時的發現航標的故障，并進行維護。對于無人值守的航標，存在信息滯后的缺點，往往不能及時的發現故障。因此為了提高航標的助航效能，及時排解故障，降低航標的維護費用，需要建立先進的航標關系系統，及時了解航標的工作信息，發現故障，設置航標的工作參數。

1.1 典型航標的結構

如圖1所示，是典型的無人值守航標的結構，主要部件包括主/備燈、雷達應答器、太陽能電池板、蓄電池組和電源控制箱等。對小型航標，只含有燈器，不含有雷達應答器等其他設備。

1.2 航標遙控遙測的參數

根據以上的航標結構，對航標的遙控遙測所需的參數如下:

遙測參數:

主/備燈參數:工作電壓、電流、溫度，換燈機狀態，電機狀態等

雷達應答器參數:工作電壓、電流，自檢信息等

太陽能電池:工作電壓

蓄電池組:組電壓、單體電壓、充電電流、放電電流、剩余能量、溫度等

環境傳感器:位置，碰撞信息，溫度，風向，洋流等

遙控參數:

主/備燈的開/關、切換，雷達應答器開/關，蓄電池的充/放電控制等

2 基于無線傳感器的航標系統

2.1 無線傳感器航標系統的節點設計

為了了滿足航標遙測遙控系統的需要，航標的網絡節點需要集成多種傳感器和控制器。對于小型航標，只含有燈器，而不帶雷達應答器，這樣的節點就不需要雷達應答器的遙控遙測功能。對于某些處于重要位置的航標，希望能過監控潮汐、水分和氣象等參數，那么就要求該節點添加相應的傳感器。因此在無線傳感器航標網絡節點的設計中采用了總線結構，能夠根據需要靈活的添加和刪除網絡的功能模塊，滿足不同種類航標的功能要求。如圖2所示是單個航標網絡節點的結構圖。

2.2 無線傳感器航標系統的網絡結構

無線傳感器網絡^[3]的通信方式和組網方式采用多跳和對等的方式，網絡拓撲結構與無線Ad Hoc網絡相似，具有自組織、自適應和自治等特性，無線傳感器網絡可以協作的感知、采集和處理網絡覆蓋的地理區域中的信息。為了減少電力消耗，傳感器網絡節點間通信采用短距通信，將信息傳送至匯聚節點，由匯聚節點傳送至管理中心，因此匯聚節點除了應該包括航標網絡節點的功能外，還應增設GSM/CDMA/GPRS等通信模塊。圖3所示是無線傳感器航標系統的網絡結構。

2.3 無線傳感器航標系統的路由協議的選擇

路由是將信息從源點穿過網絡傳遞到目的地節點的行為。路由技術是由路徑的選擇和數據報傳遞的兩個功能組成，路由是實現通信的基礎與保證。路徑選擇算法是實現路由的基礎，其日的就是要在滿足某些指標的前提下，選擇一條從源節點到目的地的最佳路徑。路由器是網絡連接中選擇路徑的設備，路由器在

一個較為復雜的網絡中起到了關鍵的作用。無線傳感器網絡中每一個節點都承擔了路由器的角色。采用合理的路由算法，是為了在比較小的代價的前提下獲取較好的設計目標。一般情況下，在設計路由算法的過程中要綜合考慮的設計目標有:

1)最優化:要求路由算法能夠得到選擇最佳路徑的能力。

2)簡潔性:要求算法的軟件和硬件的開銷小，效率高。

3)魯棒性:要求算法當無線網絡處于比較惡劣環境時，仍然能夠有效地工作。

4)快速性:要求算法能夠快速收斂，從而能夠快速地得到最佳路徑，同時還要能防止路徑循環等情況的發生。

5)靈活性:路由算法應該能夠適應各種網絡環境，對于新的網絡環境無需特別的設計與設置。

無線傳感器航標系統的特點如下:

1)每個航標的位置是相對固定的

2)在航標節點失效或新增加航標節點時，能重新建立路徑，有一定的冗余度

3)能按需建立路徑，節約航標節點的能量和網絡資源

4)為了節約成本，含有能和管理中心通信的匯聚節點是固定的

針對無線傳感器航標系統的路由協議要能夠滿足系統的特點。PEGSIS(Power-Efficient Gathering in Sensor Information System)^[4] 假定組成網絡的傳感器節點是同構且靜止的。節點發送能量遞減的測試信號，通過檢測應答來確定離白己最近的相鄰節點。通過這種方式，網絡中的所有節點能夠了解彼此的位置關系，進而每個幾點依據白己的位置選擇所屬的聚類，聚類的首領參照位置關系優化出到匯聚節點的最佳鏈路。因為PEGASIS中每個節點都以最小功率發送數據分組，并有條件完成必要的數據融合，減小業務流量。因此，整個網絡的功耗較小。將PEGSIS中的聚類首領的選擇固定在某幾個匯聚節點，然后確定的網絡就可以滿足無線傳感器航標系統的要求。

3 系統特點

綜上所述，無線傳感器航標遙測遙控系統具有以下功能特點:

1)能夠主動提供航標位置、狀態等助航信息，航標節點具有遙測遙控終端的功能。

2)能夠對航標工作狀態和信息進行實時監控和跟蹤，管理中心能夠從GSM/CDMA/GPRS等公共網絡通信系統獲得航標信息。

3)系統采用自組織的管理方式，無需人工干預，能自動的添加和刪除節點，重建網絡，使得系統具有很強的可擴展性和穩定性。

4)系統不僅能提供航標信息，而且還可采集水文、海況的氣象等信息和船舶通行狀況的信息。

5)系統具有低復雜度、低功耗、低成本的特性。

4 結語

本文提出的基于無線傳感器網絡技術的電子航標系統，分析了航標遙控遙測系統所需的參數和功能，建立了無線傳感器網絡航標系統的結構，討論了系統選擇路由協議的要點。天津海事局大連航標處已經建立了AIS虛擬航標系統，將本系統與AIS虛擬航標系統相結合，可通過AIS系統向船舶提供航標位置信息和海上風力、風向、海水潮汐、浪高、海流流向等海況基礎信息，保障船舶安全航行。

參考文獻

[1] 王英志. 航標學[M].大連:大連海事大學出版社，1997:32-55.

[2] IALA. Aids to Navigation Guide (5th Edition)[M].Paris:IALA，2006: 27-98.

[3] 馬祖長，孫怡寧，梅 濤. 無線傳感器網絡綜述[J].通信學報，2004，25(4):114-124.

[4] LINDSEY S，RAGHAVENDRA C.S. PEGASIS:Powerefficient gathering in sensor information systems[C].Aerospace Conference Proceedings. Montana， USA. IEEE Computer Society， 2002: 1125-1130.