基于無線傳感器網絡節點的海上通信系統

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濟發展的意義十分重大，為了實現現代化的航運發展，適應現代航運發展的要求，加強對于內河航運的管理，我們必須進行現代航運科技建設，對航道進行數字化和信息化管理，采取無線傳感器網絡節點系統，將會降低船舶的通信成本，提高航行的安全性和可靠性。

1 無線傳感器網絡通信系統的組成

近年來，航運事業不斷發展，人們對于船舶航行所需的數據信息越來越關注，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點，測量航行所需的實時數據，形成數字化網絡，用以解決對于航道安全航行所需要數據的實時檢測[1]。無線傳感器網絡應用于航道信息的采集，對于航道的建設，規劃，管理，維護起著關鍵性的作用。 航道無線傳感器監測網絡可以用于航道保護，監測港口設施的磨損，進行港口設施維護，船舶助航，可以有效的保護航道環境。船舶通信中的無線傳感器網絡技術是將數據采集，數據傳輸，數據處理等功能集于一身的技術手段，它將通信衛星，船舶，地面管理系統，無線傳感器檢測網絡有機的結合，利用遙感遙測技術進行動態實時的監測管理，形成了測量航道信息并且及時進行數據傳送的可靠系統。

為了滿足船舶航行所需信息的測量，實現海上航行信息采集的便捷化、信息化，航道無線傳感網絡通信系統主要由三個部分組成:航道檢測系統，數據通信與傳輸系統，數據處理系統。

圖1 無線傳感器網絡通信系統的組成

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

數據通信與傳輸系統，主要負責將實時收到的數據進行簡單處理，通過無線傳感器網絡節點采集信息，將航道內的船舶航行速度，航道內水深，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和航行中的船舶[3]。

2 無線傳感器網絡檢測系統結構設計

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

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

無線傳感器檢測網絡采用立體的檢測網絡，可將陸地基站網絡，水面無線傳感器網絡，通信衛星，航道內船舶有效的聯系起來，通過無線電波進行數據傳輸，行道內主要采用水面無線傳感器網絡進行數據采集，水面無線傳感器可以直接與衛星進行通信，并且負責與水下無線傳感器網絡進行連接，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絡，以保證系統的穩定性與實用性。對于無線信號衰減明顯的情況，水下無線傳感器網絡節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，通過無線傳感器網絡節點自組織傳遞給匯聚節點，與水面無線傳感器網絡節點進行數據匯總，以無線信號的傳播方式通過信息發送裝置將信息傳遞數據處理器。

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

3 無線傳感器網絡節點的優勢和發展

通過在航道上建立的無線傳感器網絡，不僅可以及時和地面控制系統，通信衛星進行數據通行，同時還可以通過水面上的無線傳感器網絡和船舶上的無線網絡進行直接通信，這樣即可以提高數據傳輸的及時性與準確性，同時還大大的提高了經濟效益。

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

無線傳感器網絡通過節點對整個航道的水深進行實時的測量，其測量結構能夠真實的反應整個航道內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域進行及時準確的劃分。

功耗是無線傳感器節點的運行的穩定的關鍵，他關系到整個網絡的穩定性與維護所需的成本。因此選取適當的傳感器節點，選取適當的信息處理方法，對于整個無線傳感器網絡的穩定性至關重要。無線傳感器網絡節點工作主要在四種狀態下工作，信號采集，信息處理，信息傳送狀態和休眠。而在四種狀態下的能耗中，可以清楚的發現在信息傳送狀態下的能耗是最大的，因此將所采集數據進行必要的整理對于整個無線傳感器網絡的節能起著至關重要的作用。

4 結果分析

本文提出了基于無線傳感器網絡技術的海上信息通信系統，其中包括無線傳感器網絡的布局方式，無線傳感器網絡的發展優勢，為了方便了解海上的交通情況。無線傳感器網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，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.海洋環境立體監測系統的設計方法[J].海洋通報，2006.

［3］羅漢江.海洋監測傳感器網絡關鍵技術研究[D].

［4］王靜，等.水下無線傳感器網絡[J].聲學技術，2009.