姜永春，王玉寶

(青島黃海學(xué)院，山東 青島266427)

0 引 言

在現(xiàn)代海上交通管理中，船舶識(shí)別技術(shù)發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展促使船舶航行安全有了極大的提高，特別是GPS和雷達(dá)通信系統(tǒng)在船只上的廣泛應(yīng)用，對(duì)天氣預(yù)警、港口管理和貨物運(yùn)輸起著很大作用。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)奠定了物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，同樣對(duì)船舶的識(shí)別技術(shù)發(fā)展也起到推動(dòng)作用。船舶識(shí)別技術(shù)除了要求有效避免航行事故，還要求能夠不間斷檢測(cè)其他船舶的各種動(dòng)態(tài)信息，同時(shí)彼此直接能互相交流信息，并進(jìn)行快速存儲(chǔ)。但限于各類船只的型號(hào)、噸位、用途差異巨大和識(shí)別系統(tǒng)的覆蓋成本較大，現(xiàn)階段的船舶識(shí)別系統(tǒng)還不能夠做到完全的兼容互聯(lián)。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用會(huì)有效地降低船舶之間的互聯(lián)互通成本，同時(shí)因?yàn)槠涓咝О踩耐ㄐ艆f(xié)議和傳輸距離，船舶在識(shí)別交流中也可以包含更多信息，更加有利于航行的安全。本文系統(tǒng)介紹船舶識(shí)別技術(shù)要求和WSN 技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，對(duì)基于ZigBee的WSN 技術(shù)在船舶識(shí)別領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行可行性分析。理論分析表明，基于Zigbee的WSN 技術(shù)能有效提高船舶識(shí)別的速度、安全性和覆蓋率，因此具有良好的應(yīng)用前景。

1 船舶識(shí)別技術(shù)應(yīng)用和局限性分析

船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(AIS)如圖1所示。

通用的AIS 系統(tǒng)在船舶航行和靠岸補(bǔ)給時(shí)都能實(shí)時(shí)顯示周邊船舶的航行動(dòng)態(tài)和身份信息。在開(kāi)闊水域，AIS 系統(tǒng)監(jiān)控的船只數(shù)量較少，可以快速高效地傳輸有關(guān)船只的航向、距離等信息;但在繁忙水域，各個(gè)船只間涉及大量信息互傳，非常容易出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)堵塞、數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤、系統(tǒng)崩潰等突發(fā)情況，造成很嚴(yán)重的后果。

圖1 AIS 組成原理結(jié)構(gòu)圖Fig.1 AIS composition principle diagram

目前，AIS 技術(shù)的局限性主要集中在以下3個(gè)方面:

1)AIS 硬件系統(tǒng)可視化實(shí)現(xiàn)的局限性

在AIS的可視化系統(tǒng)中，由于屏幕的限制，不可能同時(shí)對(duì)每艘附近的船舶進(jìn)行無(wú)障礙顯示，所以必須要求系統(tǒng)能夠智能識(shí)別最近的目標(biāo)，并能主動(dòng)發(fā)出預(yù)警，通知操作人員做出相應(yīng)的航向調(diào)整動(dòng)作。

2)船舶位置精度的局限性

由于GPS 系統(tǒng)受多種因素的影響，特別是在惡劣氣象條件下，其定位數(shù)據(jù)時(shí)常會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤，威脅著船舶的航行安全。但全球定位系統(tǒng)的加入對(duì)AIS系統(tǒng)的運(yùn)行起到了至關(guān)重要的作用。當(dāng)前可以融合中國(guó)北斗定位系統(tǒng)和俄羅斯格洛納斯導(dǎo)航系統(tǒng)，如此可以有效加強(qiáng)船舶定位的準(zhǔn)確性。

3)船首向顯示的局限性

全球?qū)Ш较到y(tǒng)只能顯示船舶的位置和航跡，但AIS 系統(tǒng)還要求能實(shí)時(shí)確定船舶的船首方位，這就嚴(yán)重依賴于來(lái)自羅經(jīng)儀的數(shù)據(jù)，如果此數(shù)據(jù)發(fā)生錯(cuò)誤，可能對(duì)周圍船只發(fā)送錯(cuò)誤的信息，從而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)出現(xiàn)更嚴(yán)重的問(wèn)題。通過(guò)了解AIS 系統(tǒng)的局限因素，最終確定系統(tǒng)設(shè)計(jì)的改進(jìn)方向，從而為提高艦船在航行和作業(yè)活動(dòng)中的安全性和可靠性，同時(shí)也為改善所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的綜合性能提供科學(xué)依據(jù)［1］。

如今在無(wú)線數(shù)據(jù)信息交換技術(shù)領(lǐng)域，出現(xiàn)了許多無(wú)線傳感技術(shù)，但每種技術(shù)都還存在相對(duì)的局限性，在傳輸距離、功耗、網(wǎng)絡(luò)容量等方面各有側(cè)重。目前，市場(chǎng)上應(yīng)用最廣泛的無(wú)線通信技術(shù)主要有紅外技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)、Wi-Fi 技術(shù)以及近年興起的ZigBee 技術(shù)等［2］。其中ZigBee 技術(shù)在無(wú)線識(shí)別領(lǐng)域的潛力更大［3］。

2 基于ZigBee的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)船舶識(shí)別拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析與核心硬件設(shè)計(jì)

在復(fù)雜水面環(huán)境中，船只之間的通信受到氣象條件的影響非常大。優(yōu)良的通信系統(tǒng)必須具備一定的自我糾錯(cuò)能力、修復(fù)能力和抗干擾能力，對(duì)大規(guī)模的突發(fā)通信能高效處理，避免發(fā)出錯(cuò)誤信號(hào)。綜合來(lái)看，ZigBee 網(wǎng)絡(luò)基本能滿足以上要求。

ZigBee的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有樹(shù)型網(wǎng)絡(luò)、星型網(wǎng)絡(luò)和格型網(wǎng)絡(luò)3 種，如圖2所示。

圖2 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)銯ig.2 ZigBee network

格型網(wǎng)絡(luò)每個(gè)節(jié)點(diǎn)之間互為主次，只要2個(gè)節(jié)點(diǎn)就能形成通信網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)對(duì)多個(gè)節(jié)點(diǎn)有良好的兼容性和覆蓋性，能實(shí)時(shí)與附近的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行互聯(lián)互通，具有自我修復(fù)能力強(qiáng)、強(qiáng)穩(wěn)定性好和安全系數(shù)高等特點(diǎn)，非常適用于船舶在復(fù)雜條件下的信息識(shí)別要求。

解碼器HDecode和Julius的聲學(xué)模型使用HTK工具包進(jìn)行訓(xùn)練。HTK工具包提供了一個(gè)很好的參考文檔和一個(gè)包含基本功能的訓(xùn)練示例，這為進(jìn)一步進(jìn)行深入開(kāi)發(fā)提供了較好的幫助，有效提高了開(kāi)發(fā)效率[8]。

格型網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都分配有全球唯一的MAC 碼，MAC 碼層信道接入采用無(wú)信標(biāo)模式傳輸。此網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中每2個(gè)終端設(shè)備之間可以互相識(shí)別通信，實(shí)時(shí)傳送動(dòng)態(tài)信息，也可與多個(gè)設(shè)備同時(shí)傳遞，或者通過(guò)網(wǎng)絡(luò)編程實(shí)現(xiàn)P2P 傳遞。此模式對(duì)錯(cuò)誤信號(hào)還有糾錯(cuò)能力，其原理是通過(guò)對(duì)來(lái)自多個(gè)信道的信息進(jìn)行比對(duì)分析，最終通過(guò)一定的算法實(shí)現(xiàn)目標(biāo)動(dòng)態(tài)信息正確率的最大化。目標(biāo)的動(dòng)態(tài)信息主要包括速度、瞬時(shí)加速度、垂直升降速度、運(yùn)動(dòng)方向、目標(biāo)所在的方位、距離和海面吃水深度等［4］。

船舶識(shí)別系統(tǒng)的簡(jiǎn)單組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)組網(wǎng)過(guò)程Fig.3 Process of automatic identification system network

系統(tǒng)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)由ZigBee 無(wú)線連接，通過(guò)射頻串口的方式進(jìn)行讀寫(xiě)通信，可有效節(jié)省傳統(tǒng)布線所需要的時(shí)間，并且在安裝時(shí)無(wú)需額外輔助設(shè)備，即可進(jìn)行快速組網(wǎng)，增加了船舶識(shí)別的可靠性和便捷性。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由船舶身份標(biāo)簽、讀寫(xiě)器、ZigBee 傳輸節(jié)點(diǎn)和串口協(xié)議等部件組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.4 Block diagram of the system

船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的Zigbee 網(wǎng)絡(luò)核心硬件設(shè)備由船載子節(jié)點(diǎn)、無(wú)線傳輸裝置和船舶信息采集存儲(chǔ)設(shè)備3個(gè)主要部分組成，如圖5所示。

整個(gè)系統(tǒng)建立在ZigBee 網(wǎng)絡(luò)之上。船載子節(jié)點(diǎn)包含傳感器元件、MCU、供電設(shè)備和ZigBee 收發(fā)機(jī);采集設(shè)備中需要加入存儲(chǔ)設(shè)備，也可以通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行云存儲(chǔ)，進(jìn)一步降低運(yùn)行成本。整個(gè)系統(tǒng)的功耗非常低，可通過(guò)內(nèi)置鋰電池運(yùn)行很長(zhǎng)時(shí)間，非常有利于普及推廣應(yīng)用［5］。

圖5 系統(tǒng)核心硬件設(shè)備Fig.5 Core hardware system

對(duì)于無(wú)線連接要求最高的部分是射頻收發(fā)模塊，ZigBee 收發(fā)機(jī)之間通過(guò)射頻信號(hào)實(shí)現(xiàn)連接，并快速完成數(shù)據(jù)的交換。整個(gè)系統(tǒng)的射頻信號(hào)處理都用微處理器芯片來(lái)完成。無(wú)線信號(hào)的編碼和加密、調(diào)制和解調(diào)都由射頻芯片完成，傳感器部分負(fù)責(zé)各種船舶自身信息的識(shí)別和模數(shù)轉(zhuǎn)換并最終交由MCU 處理，最后由ZigBee 收發(fā)機(jī)發(fā)射出去，對(duì)方的收發(fā)機(jī)處理完接收到的信息后也會(huì)反饋回來(lái)，并對(duì)信息驗(yàn)證，以判斷是否傳遞了錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。

本文選擇STC89C52RC 作為主微處理器，選用MF RC500 作為射頻收發(fā)芯片，由于每個(gè)船舶之間距離較遠(yuǎn)，所以必要時(shí)可以加大射頻芯片的發(fā)射功率，以獲得良好的覆蓋范圍。整個(gè)射頻部分硬件結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 射頻部分硬件結(jié)構(gòu)Fig.6 The hardware structure of radio frequency module

3 WSN 船舶識(shí)別系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

整個(gè)系統(tǒng)主節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)流程如圖7所示。

船舶終端節(jié)點(diǎn)可由一個(gè)全功能的設(shè)備組成，由于每個(gè)船舶都是對(duì)等的網(wǎng)絡(luò)，必須同時(shí)能夠兼顧主節(jié)點(diǎn)和次節(jié)點(diǎn)的功能，每個(gè)節(jié)點(diǎn)之間不能相互干擾，對(duì)來(lái)自各個(gè)終端的數(shù)據(jù)傳輸請(qǐng)求也要做出及時(shí)的響應(yīng)。

首先船舶識(shí)別設(shè)備不斷發(fā)出掃描信號(hào)，每個(gè)設(shè)備收到激活命令后就立即激活網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，發(fā)送給對(duì)方進(jìn)行確認(rèn)。把符合協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的船舶納入網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，并通過(guò)P2P 協(xié)議對(duì)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的其他船舶進(jìn)行身份信息交換，握手連接成子網(wǎng)絡(luò)。隨著船舶加入數(shù)量的增加，子網(wǎng)絡(luò)變得越來(lái)越龐大，這時(shí)可以設(shè)定一個(gè)或多個(gè)在交叉子網(wǎng)絡(luò)中的船舶作為主信息交換節(jié)點(diǎn)，主交換節(jié)點(diǎn)之間再進(jìn)行信息交換，這樣可以大大降低整個(gè)系統(tǒng)負(fù)荷，同時(shí)由于其組網(wǎng)過(guò)程簡(jiǎn)單，當(dāng)有船舶退出網(wǎng)絡(luò)后，其他船舶可以不受影響。

圖7 主節(jié)點(diǎn)工作流程圖Fig.7 Flow chart of coordinator

為了提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，在系統(tǒng)軟件部分可以加入自檢程序，從整個(gè)系統(tǒng)的初始化部分開(kāi)始，自檢程序可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是否有硬件故障或軟件運(yùn)行錯(cuò)誤，如此可以高效完成船舶的身份信息交換任務(wù)，最終保障整個(gè)航行的安全。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文首先介紹了AIS 系統(tǒng)的局限性，最終選用ZigBee 作為船舶識(shí)別系統(tǒng)的主要平臺(tái)來(lái)突破限制。文中給出了識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，提出了核心的硬件架構(gòu)，并給出了軟件設(shè)計(jì)流程。綜合來(lái)看，本文設(shè)計(jì)的Zigbee 網(wǎng)絡(luò)具有安全性、成本控制、靈活性和功耗效率等其他網(wǎng)絡(luò)所不具備的優(yōu)點(diǎn)。

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