內(nèi)河航道智能航標系統(tǒng)的研究與開發(fā)分析

1 前言

在以往內(nèi)河航道運輸中，航標僅可提供單一視覺導航服務(wù)，且極易出現(xiàn)漂移、丟失、故障定位不及時問題，同時還需要人工輔助采集風向、風速、GPS（全球定位系統(tǒng)）信息，工作繁重且安全隱患高發(fā)。基于此，利用現(xiàn)代智能技術(shù)，研究開發(fā)一種具備安全輔助機制的內(nèi)河航道智能航標系統(tǒng)就具有非常突出的現(xiàn)實意義。

2 內(nèi)河航道智能航標系統(tǒng)的業(yè)務(wù)需求

根據(jù)《航道養(yǎng)護管理規(guī)定》（交水發(fā)〔2010〕756號）、《中華人民共和國航標條例》、《中華人民共和國內(nèi)河交通安全管理條例》的相關(guān)要求，基于現(xiàn)代智能技術(shù)的內(nèi)河航道航標系統(tǒng)開發(fā)需求，航標的運行正常率在90%～99%以上；同時，根據(jù)航道船只貨運量、年度通行情況劃分航道級別，以此進行航標的智能編號，便于后期維護[1]。

3 內(nèi)河航道智能航標系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

如圖1所示，基于現(xiàn)代智能技術(shù)的航標系統(tǒng)包括系統(tǒng)后臺、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點、船載節(jié)點、組網(wǎng)節(jié)點4個模塊[2]。其中系統(tǒng)后臺主要是針對內(nèi)河航道行駛船只，搭載以GPS 模塊、ZigBee（紫蜂，低速短距離傳輸?shù)臒o線網(wǎng)上協(xié)議）模塊，實時獲取船只位置信息。隨后，經(jīng)紫蜂組網(wǎng)將獲取的內(nèi)河航道運行船只位置信息發(fā)送至組網(wǎng)節(jié)點；網(wǎng)絡(luò)節(jié)點負責以嵌入式ARM 主機（Advanced RISC Machine，RISC 微處理器）為核心，面向各個船載節(jié)點發(fā)出數(shù)據(jù)、航標節(jié)點以及氣象傳感器、潮汐傳感器、水文傳感器模塊并進行解讀、剖析，經(jīng)4G 網(wǎng)絡(luò)將全部解析后的數(shù)據(jù)發(fā)送至網(wǎng)頁服務(wù)器。航標管理者可以在后臺PC 端監(jiān)控模塊進行相關(guān)數(shù)據(jù)的實時處理；船載節(jié)點搭載了一個MCU（Microcontroller Unit，微控制單元）、紫蜂，可以與組網(wǎng)節(jié)點實現(xiàn)紫蜂點對點通信；組網(wǎng)節(jié)點搭載在航標燈上，包括紫蜂和全球衛(wèi)星定位兩個模塊。

圖1 智能航標系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

4 內(nèi)河航道智能航標系統(tǒng)的硬軟件開發(fā)

4.1 硬件開發(fā)

基于現(xiàn)代智能技術(shù)的航標系統(tǒng)硬件選用模塊化開發(fā)技術(shù)。即在紫蜂組網(wǎng)特點基礎(chǔ)上，將各承載紫蜂節(jié)點、全球衛(wèi)星定位模塊的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點上采用RISC 微處理器架構(gòu)的Tiny641DK 開發(fā)板，經(jīng)串口接口連接傳感器（溫濕度、風速風向等）；隨后再經(jīng)模塊，將采集的環(huán)境信息、航標節(jié)點位置信息轉(zhuǎn)移發(fā)送給后臺服務(wù)器。主控子模塊是微處理控制器，包括若干個模擬比較器、內(nèi)部時鐘源、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、串口、定時器/脈寬調(diào)制器、鍵盤終端模塊及輸入/輸出管腳[3]。

基于內(nèi)河航道運輸特性，現(xiàn)代智能技術(shù)應(yīng)用下的航標系統(tǒng)核心硬件為嵌入式主控制器，主要經(jīng)USB、UART 串口與DHT11 溫濕度傳感器（可輸出數(shù)字校準信息號）、水流傳感器、降雨量傳感器、大氣壓強傳感器、能見度及水深傳感器、YGC-FX 風速風向傳感器（高強度材料、低延時）相連接。以風向傳感器為例，其輸出為4 路5VTTL 開關(guān)格雷碼，需要經(jīng)電阻分壓后降至3.5VTTL 電平，并送入單片機IO管腳；同時考慮到固定在航標燈上的風向標極易跟隨航標燈的漂移而旋轉(zhuǎn)。因此，為避免標定方向變化，需要在硬件上添加一個電子CMPS04 羅盤模塊；能見度及水深傳感器自身帶有485 總線輸出，可以直接采用航標蓄電池的6V 電壓提升至24V 供其與多功能航標終端對接通信；全球衛(wèi)星定位模塊則采用功耗低、性能優(yōu)越的UBLOXNEO 芯片，包括USB、單排串口兩種方式，且可支持熱啟動；電源模塊需要使用穩(wěn)壓電源LDO TPS56065 芯片，其具有高效率、低壓差的特點，可以將航標燈上電池電壓降低至航標系統(tǒng)運行水平。

4.2 軟件開發(fā)

基于現(xiàn)代智能技術(shù)的航標系統(tǒng)軟件采購結(jié)構(gòu)劃分方式，包括底層、中間層、上層三個層次。其中，底層組網(wǎng)節(jié)點涵蓋了路由節(jié)點（搭載全球衛(wèi)星定位模塊）、主控節(jié)點、終端節(jié)點（搭載全球衛(wèi)星定位模塊），負責數(shù)據(jù)采集、組網(wǎng)；中間層組網(wǎng)節(jié)點包括RISC 微處理器上的應(yīng)用程序，即客戶端傳感器采集、發(fā)送以及嵌入式Linux系統(tǒng)移植；上層程序主要負責基于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的數(shù)據(jù)收發(fā)、監(jiān)聽，即接收經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)母鞴?jié)點航標全球定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)、氣象環(huán)境信息（網(wǎng)絡(luò)節(jié)點），并將其實時存入數(shù)據(jù)庫內(nèi)。

在底層紫蜂終端軟件設(shè)計階段，為了保障其在搭載各航標時順利獲取航標經(jīng)度及維度信息，可以利用自組網(wǎng)的方式，經(jīng)紫蜂路由節(jié)點，將全球衛(wèi)星定位模塊上承載的航標經(jīng)緯度數(shù)據(jù)發(fā)送到紫蜂網(wǎng)關(guān)節(jié)點。紫蜂組網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)多樣，對應(yīng)的應(yīng)用范疇也具有一定差異。基于內(nèi)河航道信息“多級跳”特點，本次采用具有自組織、自愈合功能的MESH 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。主控節(jié)點與嵌入式主機開發(fā)板連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時遠距離交互；終端節(jié)點收集數(shù)據(jù)，經(jīng)路由節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)至主控節(jié)點，達到多層級數(shù)據(jù)實時、全面、準確采集的目的[4]。

在中層嵌入式客戶端設(shè)計階段，可以在RISC 微處理器架構(gòu)上進行類UNIX 操作系統(tǒng)搭建。并利用C語言，調(diào)用各接口，將風速風向、航標經(jīng)緯度、溫濕度信息傳送至服務(wù)端。具體傳送程序主要依據(jù)Pthread多線程思維，經(jīng)創(chuàng)建線程互斥鎖→創(chuàng)建形成→設(shè)置串口參數(shù)→獲取航標燈質(zhì)數(shù)據(jù)→獲取互斥鎖→設(shè)置串口參數(shù)→串口獲取參數(shù)→LCD 顯示串口數(shù)據(jù)流程，實現(xiàn)多個終端傳感器數(shù)據(jù)的連接與處理；并經(jīng)Socket 網(wǎng)絡(luò)編程，實現(xiàn)數(shù)據(jù)→服務(wù)器端的發(fā)送，在數(shù)據(jù)成功發(fā)送至服務(wù)器端后則可以順利解鎖。

在上層服務(wù)器端軟件開發(fā)時，需要運用JavaSocket編程理念，配合select 多路復用機制，實現(xiàn)嵌入式客戶端航標數(shù)據(jù)發(fā)送及多客戶端的同時監(jiān)聽。其具體流程為：開啟服務(wù)端→初始化Socket 服務(wù)端→Bind 綁定IP地址、端口號→啟動Listen 監(jiān)聽程序→文件描述符初始化為0→設(shè)置文件描述符→啟動select 多路復用機制→等待客戶端連接請求→添加描述至連接描述符數(shù)組→小于最大文件描述符數(shù)時處理數(shù)據(jù)并存入數(shù)據(jù)庫→在PC 端顯示。需要注意的是，數(shù)據(jù)庫內(nèi)的數(shù)據(jù)不僅包括航標經(jīng)緯度信息，而且還包括航標周邊礁石區(qū)、重點航道、淺灘等，需要在服務(wù)器端以編程的模式模擬對應(yīng)類型的數(shù)字通道；隨后以內(nèi)河航道船舶的安全距離為安全評測依據(jù)，結(jié)合氣象環(huán)境參數(shù)，預(yù)先估測相向碰撞軌跡和結(jié)果，適時發(fā)出預(yù)先警報消息及解決方案。

5 內(nèi)河航道智能航標系統(tǒng)的開發(fā)測試

5.1 測試簡述

鑒于現(xiàn)代智能技術(shù)應(yīng)用下的內(nèi)河航道航標系統(tǒng)實時在線運行，功能模塊多種多樣，因此，可以硬件平臺為基礎(chǔ)，利用黑盒專用性測試手段，確定其在執(zhí)行任務(wù)時的表現(xiàn)。同時利用恰當?shù)臏y試方法、工具，對系統(tǒng)終端軟件、硬件外設(shè)備配合協(xié)同度進行測試。

5.2 測試步驟

內(nèi)河航道智能航標系統(tǒng)測試包括模塊測試、硬件測試、系統(tǒng)測試幾個階段。

模塊測試需要在編程結(jié)束后，以穩(wěn)定硬件為基礎(chǔ)，在無其他可用數(shù)據(jù)傳遞模塊的情況下編寫應(yīng)用測試程序，并對各程序單元是否與需求功能相符進行逐一評測。比如，編寫AD 程序，讀取工作電流、蓄電池電壓等。

硬件測試需要利用高精度電阻表、萬用表、電壓表等工具，對各電路板、硬件模塊進行逐一測試。比如電源管理模塊電壓是否處于正常水平、電流電壓轉(zhuǎn)換模塊是否處于正常運行狀態(tài)等。

系統(tǒng)測試需要面向整個軟硬件系統(tǒng)開展測試，比如對航標系統(tǒng)進行長時期壓力測試并判定其長時期工作平穩(wěn)性能等。具體測試時，可以利用白盒測試（根據(jù)源代碼組織結(jié)構(gòu)尋找軟件缺陷）、黑盒測試（根據(jù)硬件工作現(xiàn)象、程序功能尋找軟件缺陷）等不同方法，判定系統(tǒng)是否與規(guī)定要求相符合。

5.3 測試結(jié)果

在實驗室內(nèi)，對航標系統(tǒng)終端各模塊、傳感器運行情況進行72h 測試，得出航標系統(tǒng)終端各模塊、傳感器均處于正常運行狀態(tài)，與系統(tǒng)開發(fā)要求相符；同時于當月在淮河進行200h 實地測試，得出系統(tǒng)、傳感器無異常，且數(shù)據(jù)編碼、傳送較為準確、可靠，達到了預(yù)期系統(tǒng)開發(fā)要求。

6 結(jié)語

綜上所述，基于現(xiàn)代智能技術(shù)的內(nèi)河航道航標系統(tǒng)，可以經(jīng)后臺服務(wù)端對航標工作狀態(tài)、位置進行遠距離監(jiān)控，切實實現(xiàn)智能化管理。基于此，針對當前航標系統(tǒng)的弊端，可以選擇以ARM 主機、ZigBee、GPS 分別為主處理器、節(jié)點通訊器、定位裝置的嵌入式Linux（自由和開放源碼的類 UNIX 操作系統(tǒng)）系統(tǒng)架構(gòu)；結(jié)合航標的工作狀態(tài)進行各航標節(jié)點通訊組網(wǎng)，預(yù)先對航道軌跡進行碰撞分析并制定防護策略，降低后期維護成本及人員工作壓力。