無線網絡的艦船航行環境信息實時采集

劉生學，胡擇宇，朱航伯，范海鑫

(海軍工程大學, 湖北 武漢 430033)

0 引 言

艦船在近海航行中會遇到很多由于環境所產生的問題，包括擁擠的航道、復雜的港灣配套設施等，會給艦船操作人員帶來極大的負擔，因而艦船航行環境信息的采集、傳遞和存儲顯得非常重要[1–2]。艦船航行環境信息的實時采集并結合AIS 系統的使用可以極大地提升艦船在近海航行的安全性，同時也能夠為艦船的自動航跡規劃等提供有效輔助，從而大幅度降低艦船人員的操作難度。

在建立航道航行環境信息實時采集系統時，首先需要確定信息采集對象。對于普通艦船的航行而言，能夠影響艦船航行安全的航行環境包括當前海上的風力等級、水流速度、光線能見度、航道的寬度和長度、航道內船舶數量、障礙物以及航道的彎曲程度等。同時其他一些環境因素會在很大程度上影響艦船的作戰性能，特別是海上的風力等級、海浪等都會在一定程度上影響作戰武器的性能發揮[3]。因而在艦船航行過程中需要實時對艦船的環境參數進行采集，并經過一定地處理后傳輸到艦船各控制艙室，而這些信息采集需要依賴溫度、濕度、壓強等傳感器，如果所有的傳感器都依賴線纜進行數據傳輸雖然傳輸的距離較遠，但是在布置各類傳感器時非常依賴線纜，因而后期很難移動傳感器的位置，安裝和維護的成本都較高，而使用無線網絡進行信號傳輸則不存在這種問題，無線傳感網絡節點使用鋰電池或者固態電池供電，隨著半導體技術和嵌入式技術的不斷發展，傳感器和嵌入式處理器的能耗進一步降低，這也讓無線傳感網絡能夠得到更為廣泛的應用。

本文在對無線網絡相關技術進行充分研究的基礎上，提出一種基于ZigBee 的艦船無線傳感網絡航行環境信息采集系統，在控制上采用嵌入式處理技術，因而具有極高的實時性和穩定性。

1 ZigBee 技術

1.1 ZigBee 無線網絡結構

在航行環境信息采集系統中傳感器數據的數據量較小，因而構建艦船的ZigBee 無線網絡具有較大優勢。ZigBee 可以構建出非常復雜的傳感器網絡，而不會受限于艦船的傳感器位置。ZigBee 無線網絡具有多種組網形式，包括Mesh 拓撲、樹形拓撲以及星形拓撲[4–5]。

1）星形拓撲：星形拓撲中包含一個協調者以及若干終端，所有的終端數據都由協調者進行轉發，終端的數據會受到協調者轉發數據能力的限制，因而并不適合應用于艦船航行環境信息采集系統。

2）Mesh 拓撲：Mesh 拓撲包含一個協調者、若干路由以及若干終端，和星形拓撲不同，Mesh 拓撲的路由器之間可以互相通信，因而信息的轉發也更為靈活，同時后期可以通過優化程序，讓Mesh 網絡中的數據能夠尋找出最優數據傳輸路徑，本文選擇Mesh 拓撲來構建艦船航行環境信息采集系統。

3）樹形拓撲：樹形拓撲同樣包含協調者、路由器以及終端節點，終端節點和對應的路由之間連接，一個特定的終端節點數據只能由特定的路由轉發，對于應用層而言，整個樹形拓撲的結構完全透明[6–7]。

1.2 ZigBee 無線網絡協議體系

圖1 為ZigBee 無線網絡協議體系結構，它包括應用程序框架、ZigBee 設備、應用支持子層、網絡層、媒體介質訪問層、物理層以及安全服務供應商等，不同的層級之間使用不同的網絡通信協議，ZigBee 設備和應用程序框架之間使用公共接口實現數據的傳遞。

圖1 不同ZigBee 無線網絡的組網形式Fig. 1 Different ZigBee wireless network networking forms

圖2 ZigBee 無線網絡協議體系結構Fig. 2 Architecture of ZigBee wireless network protocol

目前國內的ZigBee 無線網絡采用的通信頻率為2.4 GHz，在將傳感器采集到的數據傳輸到控制中心，網絡層和MAC 層至關重要。網絡層通過使用一些標準化函數，將應用層和MAC 層成功連接起來。無線網絡傳感器節點會受到能量傳輸的限制，因而使用多跳的方式來實現數據傳遞，多跳的工作原理是無線傳感器通過多個中間節點將采集到的數據傳輸出去，無限傳感器和目的節點之間會存在很多中間節點，路徑也不唯一，此時網絡層會根據目的節點和源節點之間的具體情況來選擇最優傳輸路線，同時對無線網絡中的路由進行管理和維護，并對異常的路由進行分析和處理。

2 系統設計

2.1 系統整體設計

圖3 為艦船航行環境信息實時采集系統的整體架構，在中央控制室的控制軟件可以和無線網絡傳感器實時通信，使用布置在艦船不同位置的傳感器進行信息采集并存儲到控制中心，并和AIS、GPS、雷達等信息進行綜合，最后匯總到艦船航行環境信息采集系統中。對環境信息的實時自動采集是艦船向智能化、無人化方向發展的重要基礎，目前有很多西方國家正在大力發展無人駕駛艦船，所有的自動駕駛能力都建立在對艦船環境信息感知的基礎上。

圖3 艦船航行環境信息實時采集系統架構Fig. 3 Architecture of ship navigation environment information real-time acquisition system

圖4 無線網絡傳感器節點設計Fig. 4 Design of wireless network sensor node

艦船航行環境信息采集系統不僅包括了對當前溫度、浪高等信息的采集，還和AIS、GPS、雷達等其他系統進行通信，獲取當前艦船所在的實時位置以及當前航行線路上其他船舶的位置，并結合艦船的雷達數據信息，可以高度還原當前艦船周圍的航行環境信息。同時使用多個高清晰度攝像頭獲取艦船周圍的圖像，通過圖像處理可以在光線良好的天氣快速獲取艦船的環境信息，對整個航行環境信息采集系統提供有效輔助。獲取的所有航行環境信息通過艦船網絡傳輸到數據庫系統控制中心軟件上，在軟件上對數據信息處理后實現數據的實時顯示。

2.2 無線網絡傳感器節點設計

采集的艦船航行環境信息包括溫度傳感器、浪高測量、壓強傳感器、海水鹽度傳感器等。無線網絡節點包含傳感器數據采集，模/數轉換、數據處理、數據存儲、能量供應以及無線收發模塊。無線傳感器的設計首先需要考慮能耗，由于無線網絡傳感器節點需要不斷采集數據并進行數據的傳輸，而未工作時則需要進入休眠狀態以節省能量消耗。無線網絡傳感器節點有3 種工作狀態，分別是數據收發狀態、休眠狀態以及空閑狀態，數據收發狀態消耗能量最多，因而在進行數據采集時需要合理地設置數據采集頻率，以保證系統能夠長時間的穩定工作。

無線網絡傳感器節點中各部分的功能分別如下：

1）傳感器數據采集：傳感器數據采集是整個系統的核心，艦船在航行過程中的環境信息包含多個方面，特別是當前的海水溫度、浪高、壓強、海水鹽度的數據信息。海水溫度、壓強等都是常規信號采集，可以對當前艦船航行過程中的一些異常情況進行判斷。浪高傳感器主要是使用高度表在一段時間內發送一定數量的脈沖，通過接收到返回的脈沖并進行一定的處理即可判斷出當前海浪的高度，同時可以通過多次測量來降低誤差。

2）模/數轉換：傳感器采集的大部分都是模擬信號，因而使用模/數轉換將模擬信號轉換為數字信號，隨著半導體技術的不斷進步，模/數轉換消耗能量極少。

3）數據處理：使用低功耗MCU 對數據進行處理，本文采用CSM32RV20，最低功耗小于1 μA，同時具有32 MHz 的工作頻率。MCU 在工作狀態下對數據處理完成后將當前數據發送到存儲模塊。

4）數據存儲：使用鐵電存儲器FM24CL04（4K）對數據進行臨時存儲。

5）能量供應：采用高能量密度的鋰電池對無線網絡節點進行供電，并配置有穩壓模塊、濾波模塊等，保證供電電壓和電流穩定。

6）無線收發模塊：采用RFX2401C 作為無線收發模塊的核心控制芯片，通信頻率為2.4 GHz，采用IEEE 802.15.4 通信標準。

2.3 系統軟件設計

1）通信模塊：通信模塊是通過TCP 協議來獲取無線網絡傳感器節點的采集數據，TCP 協議是全雙工協議，因而可以面對多個無線網絡傳感器節點通信，同時對不同的節點設置不同的IP，這樣在同時接收不同節點的數據時就可以根據IP 地址和報文頭區分不同節點所測試的數據，也為后續系統數據分析和處理提供了良好的基礎。

2）環境信息實時顯示模塊：通過通信模塊獲取數據后將采集好的數據存儲到數據庫，并將這些數據進行分析和處理加以顯示，為了方便艦船船員查看和分析，提供實時數據分析、任意時段數據查詢以及異常數據報警等。

3）數據庫管理：艦船的航行數據實時采集不僅能夠幫助艦船實現安全航行，同時在某種程度上能對其他艦船提供輔助，因為當前采集的信息不僅包含了環境信息，同時還包括了海水深度、鹽度、浪高等信息，可以通過數據共享的方式對艦隊內的其他艦艇提供幫助。對水文條件的測試和數據積累對艦船在今后這片海域內的作戰具有很高的價值，使用數據庫對這些數據進行存儲，并且可以分析出不同時間段的地區海文環境數據。

為了方便數據庫管理，為艦船航行的實時采集數據提供統一的前綴標識，為RT_HJ，然后再加上數據類別，統一的數據格式能夠有效提升數據的管理效率。

2.4 ZigBee 無線網絡數據采集測試

對艦船航行環境信息采集系統進行測試，測試環境為將系統設置在某民用船舶上，并將各類傳感器固定在船舶的指定位置上。構建ZigBee 無線網絡航行信息采集系統后，設置采集參數，其中鹽度采集頻率為6 分鐘一次，浪高采集頻率為30 s/次。鹽度采集時間從2022 年10 月3 號9：03：00-14：03：00。

浪高數據采集從2022 年10 月3 號13:05:00-13:10:00，得到的結果如圖5 和圖6 所示。

圖5 海水鹽度采集測試Fig. 5 Seawater salinity collection and testing

圖6 浪高采集測試Fig. 6 Test of wave height acquisition

可以看出，在實驗船舶上設置的無線傳感器節點可以有效將數據傳輸到采集系統，通過使用其他測試儀器同步測量可以發現，本文構建的無線網絡艦船航行環境數據信息采集系統，測試的數據具有較高的準確性。

3 結 語

本文提出一種基于ZigBee 無線傳感網絡的航行環境數據信息采集系統，得到的結論包括：

1）ZigBee 無線傳感網絡具有多種拓撲結構，Mesh 拓撲結構適用于艦船的無線傳感網絡構建；

2）ZigBee 無線傳感網絡中傳感器的數據傳遞依賴于多跳模式，根據目的節點和源節點之間的具體情況來選擇最優傳輸路線，可以有效提升ZigBee 無線傳感網絡的數據傳輸效率；

3）構建了艦船航行環境信息實時采集系統的整體架構，重點設計了無線網絡傳感器節點，闡述了系統的軟件模塊的功能，并使用系統對海水鹽度及浪高進行了測試，證明了系統可以應用ZigBee 無線傳感網絡對船舶航行環境信息進行有效測量，且具有較高的準確性。