韓樹河

（南通航運職業(yè)技術(shù)學(xué)院 管理信息系，江蘇 南通 226010）

基于光載無線技術(shù)的港口碼頭信息平臺設(shè)計

韓樹河

（南通航運職業(yè)技術(shù)學(xué)院 管理信息系，江蘇 南通 226010）

文章分析寬帶無線接入與物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求，開展面向港口碼頭的光載無線技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)信息平臺的研發(fā)。研究將基于ROF的特高頻（Ultra High Frequency，UHF）RFID技術(shù)以及與ZigBee等其他無線傳感網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)技術(shù)，搭建面向港口碼頭的ROF物聯(lián)網(wǎng)信息系統(tǒng)，實現(xiàn)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的集中與分區(qū)管理、信息實時處理以及大范圍信號傳感與監(jiān)測。

物聯(lián)網(wǎng)；光載無線；港口碼頭；RFID；信息平臺

港口碼頭環(huán)境布局復(fù)雜，作業(yè)區(qū)不允許架空明線，不適宜鋪設(shè)有線網(wǎng)絡(luò)，而龍門吊等大型起重設(shè)備、其他轉(zhuǎn)運車輛，更需要能支持移動作業(yè)的業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)［1］。光載無線（Radio Over Fiber， ROF）技術(shù)充分利用光纖高容量、低損耗的特點［2］，大大拓展微波/毫米波信號的傳輸距離，簡化遠端基站結(jié)構(gòu)，降低系統(tǒng)傳輸成本并提高系統(tǒng)傳輸性能、頻譜效率、覆蓋區(qū)域和靈活性，實現(xiàn)超寬帶微波/毫米波無線接入與光傳輸技術(shù)的融合。由于該技術(shù)具有超寬帶有線傳輸與靈活無線接入的突出優(yōu)勢，因此非常適合應(yīng)用于港口碼頭的業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)。

1　光載無線技術(shù)研究

光載無線通信ROF技術(shù)是應(yīng)高速大容量無線通信需求，新興發(fā)展起來的將光纖通信和無線通信結(jié)合起來的無線接入技術(shù)［3］。它的優(yōu)點是可防止電磁干擾、低損耗、高帶寬、安裝維修方便、耗電量小、操作靈活等。該技術(shù)具有超寬帶有線傳輸與靈活無線接入的突出優(yōu)勢，將成為未來移動通信、超寬帶無線接入以及無線傳感網(wǎng)絡(luò)的重要技術(shù)支。光載無線相關(guān)技術(shù)如下。

1.1 WiFi光載無線交換機

光載無線交換機是整個網(wǎng)絡(luò)的核心部件，它是基于光載無線通信技術(shù)研發(fā)的。光載無線交換機將 WiFi信號的產(chǎn)生、處理集中于內(nèi)部，同時以光纖實現(xiàn)大范圍（200～5 000 m）分布，通過遠端天線完成 信號覆蓋及雙向傳輸。其采用模擬光纖通信技術(shù)及 射頻交換技術(shù)實現(xiàn)了WiFi無線信號源的遠端傳輸，分布、交換與控制［4］。WiFi光載無線交換機由以下部分組成：①多用途信號處理器：完成數(shù)據(jù)信號、IP信號與WiFi信號間的接口及所需要信號轉(zhuǎn)換與處理，保證信號滿足所規(guī)范的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議；②通信模塊組：由多個WiFi接入點（AP）和2G/3G接入模塊構(gòu)成，實現(xiàn)遠端WiFi設(shè)備的接入和計算機網(wǎng)絡(luò)通信，提供無線通信接入；③射頻交換與重構(gòu)單元，完成各模塊組射頻信號的合路、分配與交換；④模擬光端機，完成模擬光纖鏈路要求的光電/電光信號的轉(zhuǎn)換與處理，光復(fù)用與解復(fù)用；⑤系統(tǒng)軟件，網(wǎng)絡(luò)軟件的核心部分，完成整個網(wǎng)絡(luò)的操作、監(jiān)督與管理。

1.2 光子射頻切換技術(shù)

為了動態(tài)分配各覆蓋港口的信號帶寬，可以利用射頻切換模塊對頻點進行動態(tài)切換，實現(xiàn)射頻資源的動態(tài)配置。以WiFi信號為例，無線路由器中的1，6，11為非重疊頻點，可以在港口碼頭某位繁忙的時候，將空閑區(qū)的頻點通過射頻切換轉(zhuǎn)換到繁忙港口碼頭點位，從而增加繁忙港口碼頭點位的頻譜資源。通常港口碼頭各點位的業(yè)務(wù)量是不均勻的，尤其是一些熱點地區(qū)，如碼頭卸貨區(qū)，當船舶抵達時會使得某個港口碼頭點位的業(yè)務(wù)量突增，而其他港口碼頭點位閑置，這就要求各點位的頻譜資源能夠動態(tài)調(diào)配，從而達到最高使用效率。這種動態(tài)的帶寬分配極大地優(yōu)化了系統(tǒng)帶寬資源。

1.3 模擬光纖鏈路性能分析及網(wǎng)絡(luò)拓撲設(shè)計

針對本文中的物聯(lián)網(wǎng)信息接入與感知平臺的應(yīng)用，設(shè)計了基于粗波分復(fù)用（CWDM）的星型結(jié)構(gòu)。在中控機內(nèi)部，不同的以太網(wǎng)接口與無線接入點（AP）連接，AP出來的射頻信號被調(diào)制到光收發(fā)模塊上，然后經(jīng)過CWDM的復(fù)用進入同一根光纖傳輸，然后在遠端節(jié)點處利用CWDM來對各個波長進行解復(fù)用，得到所需要的射頻信號?；诔杀究紤]，光纖上傳輸?shù)男盘柦y(tǒng)一為WiFi信號，在信息接入應(yīng)用中，支持多個筆記本或其他終端設(shè)備的寬帶接入，并利用中控機的射頻切換功能，實現(xiàn)帶寬的動態(tài)分配；在信息感知應(yīng)用中，無線傳感網(wǎng)絡(luò)的信息經(jīng)過匯聚節(jié)點的匯聚后，由RS485等接口轉(zhuǎn)換為WiFi接口，然后進行信息的回傳與處理。為降低系統(tǒng)成本，本文中將采用直接調(diào)制的光收發(fā)模塊，因此光纖中色散以及受激布里淵等非線性將對信號產(chǎn)生明顯的影響，尤其是在布局復(fù)雜的樓內(nèi)中，需要研究不用拓撲結(jié)構(gòu)下的ROF鏈路，當鏈路分支達到一定數(shù)目時，光功率需要大到一定程度才能保證分配到每路的功率足夠充分，該種情況下需要抑制受激布里淵、四波混頻、交叉相位/增益調(diào)制影響。

1.4 無線傳感及組網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中需要感知的對象主要包括溫度、應(yīng)力等環(huán)境參量以及港口電器中的控制數(shù)據(jù)等，其數(shù)據(jù)量比較低，但其實時性和可靠性要求較高，因此傳統(tǒng)的Zigbee技術(shù)即可實現(xiàn)該目標，當前需要研究的是如何將Zigbee模塊與ROF智能網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系起來，并實現(xiàn)集中控制與管理，另外，不同頻段的無線信號格式同時在光纖中傳輸，也需要研究它們之間的干擾問題和濾波的實現(xiàn)問題。光纖傳輸給信號傳輸帶來額外時延和功率損耗，需要研究時延引入對協(xié)議層的影響以及傳感節(jié)點之間的最優(yōu)功率預(yù)算。利用模擬光纖鏈路實現(xiàn)WiFi信號的分發(fā)與傳輸，其遠端節(jié)點可以覆蓋寬帶接入的筆記本電腦，也可以覆蓋管理多個無線傳感器的監(jiān)測儀，由于無線監(jiān)測儀的接口為RS485標準，因此需要額外放置RS485/WiFi的轉(zhuǎn)換模塊，實現(xiàn)無線傳感器的遠端信息匯聚和監(jiān)測。

1.5 基于WiFi-RoF網(wǎng)絡(luò)的港口碼頭倉儲定位技術(shù)

近年來，港口碼頭倉儲定位越來越受到廣泛的關(guān)注，各種定位方式不斷出現(xiàn)。在這一過程中，由于室內(nèi)環(huán)境非視距傳輸及多徑效應(yīng)的存在，多徑信號到達接收端會產(chǎn)生不同的時延和入射角，因此基于信號達到角度的定位方法和基于信號達到時間的定位方法存在不可預(yù)測的誤差，且高精度的時鐘費用昂貴。比較而言，基于接收信號強度簡易信息聚合（Really Simple Syndication，RSS）的港口碼頭倉儲定位方法因其低成本，無需額外的時鐘定時設(shè)備，實用性高等優(yōu)點，得到了廣泛的關(guān)注與研究。本文研究將基于WiFi-RoF網(wǎng)絡(luò)的港口碼頭倉儲定位方法，包括面向WiFi-RoF網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的港口碼頭倉儲傳輸模型，采用RFID/ ZigBee技術(shù)的基于RSS的室內(nèi)定位方法。

針對WiFi-RoF網(wǎng)絡(luò)，本文擬研究子區(qū)域可預(yù)測的無線港口碼頭倉儲傳輸模型，通過劃分子區(qū)域及考慮到具體介質(zhì)損耗，增強該模型的準確性。該模型將提高RSS值預(yù)測的準確性，而且還可以降低建立數(shù)據(jù)地圖階段的人力及時間成本?；谡n題采用的光載無線網(wǎng)絡(luò)作為物聯(lián)網(wǎng)的支撐網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，其對無線信號是透明傳輸?shù)?。因此，借助該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可以采用不同的技術(shù)實現(xiàn)港口碼頭倉儲定位。本課題擬采用RFID技術(shù)或是ZigBee技術(shù)，通過上述港口碼頭倉儲傳輸模型和基于RSS的定位方法的研究與實現(xiàn)，將為在基于光載無線傳輸與交換技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)信息平臺上開展港口碼頭倉儲定位業(yè)務(wù)提供保障。

1.6 協(xié)議研究及管理控制軟件開發(fā)

由于該系統(tǒng)主要針對WiFi信號等射頻信號的光纖-同軸電纜的混合信號分布，不涉及網(wǎng)絡(luò)層的相關(guān)技術(shù)，因此僅需要對媒介訪問控制（Media Access Control，MAC）層進行研究，研究多波長控制協(xié)議以及光鏈路時延所帶來的協(xié)議變化。另外，根據(jù)特定場合應(yīng)用中的安全性和保密性要求，需要在交換機中加入軟件控制模塊，保證高可信的寬帶無線接入。本文將融合光載無線技術(shù)和無線局域網(wǎng)技術(shù)，充分利用光纖鏈路的優(yōu)良的特性，通過光纖混合傳輸WiFi射頻信號和其他射頻信號，因此需要研究WiFi及其他各種通信的MAC層協(xié)議，以及光纖傳輸路徑帶來的額外的影響，達到整個網(wǎng)絡(luò)的性能最優(yōu)。

2　港口碼頭物聯(lián)網(wǎng)平臺設(shè)計

本文將基于光載無線技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)信息平臺，建立支持高移動性、具有強保密性和抗干擾性的無線寬帶網(wǎng)絡(luò)，滿足港口碼頭作業(yè)現(xiàn)場業(yè)務(wù)與監(jiān)控的需要，實現(xiàn)港口碼頭大范圍的無線網(wǎng)絡(luò)信號全覆蓋，建立集有線、無線于一體的港口碼頭物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)通信平臺，將港口監(jiān)控、物流管理、人員管理、車輛管理、數(shù)據(jù)采集、倉儲管理、環(huán)境監(jiān)測、災(zāi)難預(yù)防管理等集成于一體的港口碼頭物聯(lián)網(wǎng)平臺。功能框架如圖1所示。

圖1 功能框架圖

（1）無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋。采用光載無線交換機，將WiFi射頻信號分布到200-5000米的港口碼頭區(qū)域，實現(xiàn)港口碼頭無線網(wǎng)絡(luò)信號全覆蓋，將各類移動智能設(shè)備（手持貨物標簽掃描儀、車輛標簽掃描儀、平板電腦等）、無線數(shù)據(jù)采集設(shè)備、無線視頻監(jiān)控設(shè)備、無線傳感器等接入統(tǒng)一的物聯(lián)網(wǎng)信息平臺，實現(xiàn)港口碼頭數(shù)據(jù)實時傳輸和管理。

（2）港口監(jiān)控。港口監(jiān)控采用有線光纖視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)、和無線視頻監(jiān)控設(shè)備，實時監(jiān)控港口碼頭重點區(qū)域，同時借助無線傳感器對敏感區(qū)域和危險區(qū)域?qū)崿F(xiàn)24小時監(jiān)控。

（3）物流管理。港口碼頭的物資進出頻繁，對整體設(shè)備，如集裝箱、進出口車等采用RFID/條形碼實施管理，散貨區(qū)域貨物采用標簽加條形碼的方式管理。貨物的裝卸、進出貨場以及船舶、運輸車輛等實現(xiàn)信息的實時錄取和上傳數(shù)據(jù)中心，保證港口、碼頭的物流管理的現(xiàn)代化和信息化。

（4）人員管理。港口碼頭的管理人員、貨主、物流管理人員、其他進出港人員，采取統(tǒng)一的RFID卡管理，同事各崗位的工作人員通過RFID身份卡獲取操作權(quán)限和管理職責，實現(xiàn)港區(qū)人員的統(tǒng)一電子化管理。

（5）車輛管理。進出港區(qū)的車輛以及港區(qū)內(nèi)部轉(zhuǎn)場的車輛，采用統(tǒng)一的RFID標簽管理，RFID標簽包括車輛RFID標簽和司機RFID人員標簽。進出港閘口、貨物裝卸點、貨物稱重臺、貨場進出口等處設(shè)置RFID自動管理閘口，通過固定式/手持式標簽掃描儀，對車輛在港區(qū)內(nèi)實現(xiàn)實時監(jiān)控和管理。車輛離開港區(qū)，采用GPS/GPRS相結(jié)合的技術(shù)，對車輛進行實時跟蹤和監(jiān)控。車輛管理中進場車輛管理流程圖2所示。

圖2 物流管理流程圖

圖3 車輛管理流程圖

（6）數(shù)據(jù)采集。港區(qū)分成不同區(qū)域，包括碼頭前沿、散貨碼頭、散貨堆場、磅站、火車貨物裝卸點、汽車貨物裝卸點、集裝箱堆場、整裝車堆場、倉庫等，每一個區(qū)域都有大量的數(shù)據(jù)采集，采集的數(shù)據(jù)通過有線/無線方式實時上傳數(shù)據(jù)服務(wù)器，完成數(shù)據(jù)的實時采集。

（7）倉儲管理。RFID技術(shù)作為新一代自動識別技術(shù)，其具有的顯著優(yōu)勢，在倉儲管理中的應(yīng)用得到了廣泛的關(guān)注［5］。港口碼頭的倉儲區(qū)域主要包括室外散貨堆場、集裝箱堆場、整裝車堆場、室內(nèi)倉庫等。集裝箱、整裝車等整體貨物采用RFID標簽/條形碼管理貨物的進、出場及裝載與卸除；散貨管理采用堆場/倉庫標簽與條形碼進行管理，通過掃描設(shè)備掃描標簽，更新堆場信息，同事對轉(zhuǎn)場或運輸車輛采用RFID管理，以達到對倉儲貨物的智能化管理。

（8）環(huán)境監(jiān)測與災(zāi)難預(yù)防。港口碼頭布設(shè)大量傳感器，監(jiān)測港區(qū)敏感區(qū)域、大型設(shè)備、危險品貨物，以及港區(qū)各類環(huán)境參數(shù)和氣象數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控與災(zāi)難預(yù)防。

3　港口碼頭物聯(lián)網(wǎng)信息平臺的特點

（1）將無線傳感技術(shù)融入ROF網(wǎng)絡(luò)平臺中，實現(xiàn)ZigBee等模塊的集成。

（2）采用光纖傳輸WiFi射頻信號，實現(xiàn)光纖長距離傳輸與無線靈活接入的融合；采用射頻交換技術(shù)，實現(xiàn)WiFi無線局域網(wǎng)絡(luò)的各接入點的負載均衡和無縫移動漫游。

（3）面向港口碼頭，具有高度實時性，無論是后臺管理人員還是現(xiàn)場管理人員，均可在第一時間得知數(shù)據(jù)發(fā)生的變化。系統(tǒng)具有高效率性，采用先進的RFID技術(shù)融入港口倉庫管理流程，將大大提高港口管理流程的效率。

（4）具有高度智能性和主動性，系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)港口碼頭現(xiàn)場安全異常情況、倉庫業(yè)務(wù)流程出現(xiàn)錯誤時，將現(xiàn)場發(fā)出相應(yīng)警告信息，并通過短信、郵件等方式通知相關(guān)人員。系統(tǒng)將遵循標準化，開放性設(shè)計原則，具有高度可擴充性，能夠方便地與其他系統(tǒng)進行銜接，中間網(wǎng)絡(luò)具有高度的可維護、可管理、可控制、可重構(gòu)功能。

4 結(jié)語

本文通過對物聯(lián)網(wǎng)以及光載無線技術(shù)的研究，設(shè)計了基于光載無線技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)港口碼頭信息平臺。該平臺集數(shù)據(jù)采集、工業(yè)控制、遠程監(jiān)控和管理于一體，極大提升了港口碼頭管理的信息化和智能化水平，提高港口碼頭的工作效率。本論文的研究將在智能港口碼頭的物流倉儲領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景，相關(guān)成果將推動交通信息化建設(shè)與社會經(jīng)濟發(fā)展。

［1］劉華瓊.基于RFID的港口集裝箱作業(yè)仿真調(diào)度研究［D］.大連：大連海事大學(xué)，2008.

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Design of the sea-port information platform based on radio-over-fber

Han Shuhe
（Management and Information Department of Nantong Shipping College， Nantong 226010， China）

This paper analyzes the needs of wireless access and Internet of things applications， and carries out the research and development of the sea-port information platform based on radio-over-fber. Study on the Ultra High Frequency（UHF）RFID technology based on ROF and other wireless sensor network technology such as ZigBee， to build ROF network information system for sea-port management， to realize implementation， wireless sensor network and partition information， real-time processing and a wide range of signal sensing and monitoring.

Internet of things； radio-over-fber； sea-port； RFID； information platform

江蘇省交通運輸科技項目；項目名稱：基于光載無線技術(shù)的港口碼頭物聯(lián)網(wǎng)平臺研究；項目編號：2014C03-02。

韓樹河（1980— ），男，黑龍江通河，碩士，講師；研究方向：軟件工程，數(shù)據(jù)挖掘研究。