基于4G物聯網技術的無人船云控制系統設計與實現

徐海恩+項慧慧+邵星

摘要：針對當前無人船控制系統主要采用GPRS通信技術，導致只能傳輸簡單控制數據及實時性較差的問題，基于云轉發技術設計無人船云控制系統，并采用最新的4G技術作為無人船與地面控制中心之間的通信技術，以實現對無人船航線的控制及無人船工作狀態的實時視頻監控。對無人船性能測試以及在實際水域中對無人船控制系統測試的結果表明，該系統能實現對無人船的遠程實時監控及管理等功能。

關鍵詞：無人船；4G物聯網技術；云轉發；流媒體技術

DOIDOI：10.11907/rjdk.171812

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2017）006-0056-03

0 引言

無人船是一種集智能化、網絡化、集成化、機動化、無人化于一體的新型小型水面自主航行交通工具，具有機動靈活、易操控、攜帶使用方便、易于開展實驗、成本低、效率高、對監控環境要求低等特點，已被廣泛應用于湖泊和內河水質監測[1]、濕地環境監測[2]、海洋環境監測[3]、水產養殖環境監控[4]、水下環境測量[5]等各種水域環境下民用和軍用的諸多領域，具有廣泛的應用前景。

無人船應用的關鍵是如何實現無人船在各種水域環境下的無人自主航行，其核心技術是遠程運動控制技術[6]和無線通信技術。在無人船控制系統方面，國內已有不少高校和學者進行了相關技術研究。河北大學趙曉軍等[7]基于DSP和GPRS技術設計了用于白洋淀濕地監測的無人船運動控制系統；山東大學李峰等[8]設計了用于湖泊水域監測的無人船水樣采集系統，采用WiFi技術實現無人船與地面控制中心之間的通信；中國海洋大學的孫東平[9]及浙江大學的王魏等[10]設計了用于海洋監測的無人船遠程控制系統，采用GPRS技術實現無人船與地面控制中心之間的通信。由此可見，當前無人船與地面控制中心的通信技術仍然以第二代移動通信技術——GPRS技術為主，雖然能夠滿足長距離作業需求，但只能傳輸簡單數據，而無法滿足無人船實時視頻監控等較復雜應用場合對實時傳輸多媒體數據的需求，不利于地面控制中心對無人船的管理和調度。

相比于GPRS網絡，高速率4G網絡能更好地支持多媒體數據傳輸。采用4G技術作為無人船與地面控制中心間的通信技術，不但能極大拓展無人船的工作距離，而且能實現對無人船的遠程實時視頻監控。目前雖然已有學者設計了基于3G/4G的無人船遠程控制系統[11-12]，但只是給出了系統設計框架，對視頻監控系統設計及測試闡述較少。

因此，針對當前無人船控制系統由于以GPRS通信技術為主，導致控制系統實時性較差及無法適用于較復雜應用場合的問題，本文研究設計了一套基于4G物聯網技術的無人船云控制系統，采用4G通信技術、流媒體技術和云轉發技術實現對無人船的遠程實時視頻監控。通過本系統，操作人員只需在控制中心即可實現對無人船的遠程控制。在無人船作業過程中，監控人員也可隨時隨地獲取無人船作業狀態的實時畫面，了解作業進度和完成情況。

1 系統總體框架

本系統由無人船端、云服務器端和地面控制中心3部分組成，總體框架如圖1所示。無人船首先通過GPS定位后，地面控制中心根據接收到的位置信息計算航線，并通過云服務器轉發至無人船端。無人船接收到航線信息后進行自主航行作業。在自主航行過程中，無人船將當前的航向、航速、位置等信息通過云服務器轉發至地面控制中心。同時，無人船的4G視頻系統通過RTMP協議將實時作業視頻發送至云服務器，地面控制中心訪問云服務器獲取無人船實時作業視頻。

（1）無人船端。無人船通過GPS獲取自身位置信息，采用4G通信技術將位置信息發送至云服務器端，經由云服務器端轉發至地面控制中心。此后，無人船接收云服務器端轉發的來自地面控制中心的航線信息進行自主航行，并在航行過程中通過云服務器將實時的航向、航速、位置等數據轉發至地面控制中心。同時，無人船的4G視頻系統通過RTMP協議將實時作業視頻發送至云服務器端，供地面控制中心查看。

（2）云服務器端。本文基于阿里云提供的ECS云服務器設計了無人船云控制系統的云服務器端。彈性云服務器ECS（Elastic Cloud Server）是一種簡單高效、可隨時自主獲取、處理能力可彈性伸縮的云服務器，具有可動態調整CPU、內存、硬盤和帶寬等優點，為開發者提供了極大便利。

云服務器端主要用于轉發實時控制數據和作業視頻。采用云服務器轉發模式，能夠減少無人船端需要處理的數據量，降低能耗，延長電池工作時間。

（3）地面控制中心。地面站控制中心通過云服務器與無人船建立連接，將航線信息發送至無人船端，接收來自無人船的實時航向、航速、位置等信息，并可實時監控無人船的電量信息、作業狀態及所在水域環境情況。

2 關鍵技術實現

2.1 無人船控制信息傳輸系統架構

無人船控制信息傳輸系統主要使用USR-LTE-7S4透傳模塊將地面控制中心的控制信息傳輸至無人船端，如圖2所示。USR-LTE-7S4可以實現無人船端與云服務器端的雙向透明數據傳輸，功能豐富，體積小巧，適合作為無人船的船載通信設備。使用網絡透傳模式收發數據，使用者無需關注無人船串口數據與網絡數據包之間的轉換過程，只需設置相關參數，即可實現無人船端與云服務器端之間的透明通信。

如圖2所示，無人船上電運行后，GPS定位模塊獲取當前位置信息，通過USR-LTE-7S4以MavLink協議數據格式發送至云服務器，經由云服務器轉發至地面控制中心。地面站控制中心根據無人船位置信息計算航線，通過云服務器以MavLink協議數據格式轉發至無人船端。

2.2 無人船遠程實時視頻監控系統架構

無人船遠程實時視頻監控系統架構如圖3所示。系統采用Hi3518E模塊采集無人船實時作業視頻，通過4G通信模塊Quectel EC20上傳至云服務器端，地面控制中心登錄云服務器端即可實現對無人船的遠程實時視頻監控。

視頻采集采用Hi3518E模塊，支持H.264和MJPEG/JPEG編碼，以RTMP協議格式將無人船作業視頻上傳至云服務器端。4G通信模塊采用Quectel EC20模塊，該模塊支持多輸入多輸出技術（MIMO），具有較高的通信可靠性和良好的通信質量。云服務器端采用nginx-rtmp-module模塊實現視頻數據接收與轉發功能。

3 系統測試與數據分析

對無人船控制系統的測試主要分為靜態測試和動態測試。靜態測試是在室內環境下測試視頻監控功能及傳輸時延等通信性能；動態測試是在實地水域中測試整個系統的功能，包括無人船接收航線控制信息及自動航行任務、無人船遠程實時視頻監控任務以及在實際水域中的傳輸時延等通信性能。

3.1 靜態測試

系統靜態測試監控界面如圖4所示。其中，左上角為云服務器數據轉發過程，左下角為無人船傳回的實時監控畫面，右邊為控制系統主界面。

在靜態測試環境下，控制系統傳輸時延最低為248ms，最高334ms，如圖5所示。由靜態測試結果可以看出，基于4G通信技術的無人船控制系統的傳輸時延較低，能夠完成對無人船遠程實時監控的任務。

3.2 實地水域測試

測試水域為連云港市海州區西鹽河，地面控制中心在連云港瑞云智能科技有限公司。地面控制中心上傳航線并讓無人船自動執行此航線，控制界面如圖6所示。

在此次實地水域測試作業中，控制系統的平均傳輸時延為0.5s，視頻系統傳輸時延為1.5s，再次驗證了本系統能夠滿足對無人船遠程實時視頻監控的要求。

4 結語

本文基于云服務器架構設計了無人船云控制系統，并采用4G物聯網通信技術實現了地面控制中心與無人船之間的通信，通過4G透傳模塊將無人船航線等控制信息由地面控制中心傳輸至無人船接收端，同時采用4G視頻傳輸模塊和RTMP音視頻傳輸協議將無人船實時作業視頻傳送至云服務器，以供地面控制中心查看及監控。由測試結果可以看出，本系統能夠實現對無人船的遠程實時控制及視頻監控，從而極大地提高無人船的工作效率，并確保無人船航行安全，再結合傳感器數據采集技術即可應用于水質監測、城市內河監測、海洋環境監測、濕地監測等各種水域環境下的應用場合，具有一定推廣價值。

參考文獻：

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[12]江麗君，邱鋮鋮，鄭衛剛.基于互聯網+的無人環保船舶系統設計與研究[J].變頻器世界，2017 （1）： 96-97.

（責任編輯：黃 健）