韓樹(shù)河

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

基于光載無(wú)線技術(shù)的港口碼頭信息平臺(tái)設(shè)計(jì)

韓樹(shù)河

（南通航運(yùn)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(wú)線接入與物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求，開(kāi)展面向港口碼頭的光載無(wú)線技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)信息平臺(tái)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(wú)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(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的集中與分區(qū)管理、信息實(shí)時(shí)處理以及大范圍信號(hào)傳感與監(jiān)測(cè)。

物聯(lián)網(wǎng)；光載無(wú)線；港口碼頭；RFID；信息平臺(tái)

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(yùn)車輛，更需要能支持移動(dòng)作業(yè)的業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)［1］。光載無(wú)線（Radio Over Fiber， ROF）技術(shù)充分利用光纖高容量、低損耗的特點(diǎn)［2］，大大拓展微波/毫米波信號(hào)的傳輸距離，簡(jiǎn)化遠(yuǎn)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(shí)現(xiàn)超寬帶微波/毫米波無(wú)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(wú)線接入的突出優(yōu)勢(shì)，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(wú)線技術(shù)研究

光載無(wú)線通信ROF技術(shù)是應(yīng)高速大容量無(wú)線通信需求，新興發(fā)展起來(lái)的將光纖通信和無(wú)線通信結(jié)合起來(lái)的無(wú)線接入技術(shù)［3］。它的優(yōu)點(diǎn)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(wú)線接入的突出優(yōu)勢(shì)，將成為未來(lái)移動(dòng)通信、超寬帶無(wú)線接入以及無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的重要技術(shù)支。光載無(wú)線相關(guān)技術(shù)如下。

1.1 WiFi光載無(wú)線交換機(jī)

光載無(wú)線交換機(jī)是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的核心部件，它是基于光載無(wú)線通信技術(shù)研發(fā)的。光載無(wú)線交換機(jī)將 WiFi信號(hào)的產(chǎn)生、處理集中于內(nèi)部，同時(shí)以光纖實(shí)現(xiàn)大范圍（200～5 000 m）分布，通過(guò)遠(yuǎn)端天線完成 信號(hào)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(shí)現(xiàn)了WiFi無(wú)線信號(hào)源的遠(yuǎn)端傳輸，分布、交換與控制［4］。WiFi光載無(wú)線交換機(jī)由以下部分組成：①多用途信號(hào)處理器：完成數(shù)據(jù)信號(hào)、IP信號(hào)與WiFi信號(hào)間的接口及所需要信號(hào)轉(zhuǎn)換與處理，保證信號(hào)滿足所規(guī)范的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議；②通信模塊組：由多個(gè)WiFi接入點(diǎn)（AP）和2G/3G接入模塊構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端WiFi設(shè)備的接入和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信，提供無(wú)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(hào)的合路、分配與交換；④模擬光端機(jī)，完成模擬光纖鏈路要求的光電/電光信號(hào)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(gè)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(dòng)態(tài)分配各覆蓋港口的信號(hào)帶寬，可以利用射頻切換模塊對(duì)頻點(diǎn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)切換，實(shí)現(xiàn)射頻資源的動(dòng)態(tài)配置。以WiFi信號(hào)為例，無(wú)線路由器中的1，6，11為非重疊頻點(diǎn)，可以在港口碼頭某位繁忙的時(shí)候，將空閑區(qū)的頻點(diǎn)通過(guò)射頻切換轉(zhuǎn)換到繁忙港口碼頭點(diǎn)位，從而增加繁忙港口碼頭點(diǎn)位的頻譜資源。通常港口碼頭各點(diǎn)位的業(yè)務(wù)量是不均勻的，尤其是一些熱點(diǎn)地區(qū)，如碼頭卸貨區(qū)，當(dāng)船舶抵達(dá)時(shí)會(huì)使得某個(gè)港口碼頭點(diǎn)位的業(yè)務(wù)量突增，而其他港口碼頭點(diǎn)位閑置，這就要求各點(diǎn)位的頻譜資源能夠動(dòng)態(tài)調(diào)配，從而達(dá)到最高使用效率。這種動(dòng)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?fù)湓O(shè)計(jì)

針對(duì)本文中的物聯(lián)網(wǎng)信息接入與感知平臺(tái)的應(yīng)用，設(shè)計(jì)了基于粗波分復(fù)用（CWDM）的星型結(jié)構(gòu)。在中控機(jī)內(nèi)部，不同的以太網(wǎng)接口與無(wú)線接入點(diǎn)（AP）連接，AP出來(lái)的射頻信號(hào)被調(diào)制到光收發(fā)模塊上，然后經(jīng)過(guò)CWDM的復(fù)用進(jìn)入同一根光纖傳輸，然后在遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)處利用CWDM來(lái)對(duì)各個(gè)波長(zhǎng)進(jìn)行解復(fù)用，得到所需要的射頻信號(hào)。基于成本考慮，光纖上傳輸?shù)男盘?hào)統(tǒng)一為WiFi信號(hào)，在信息接入應(yīng)用中，支持多個(gè)筆記本或其他終端設(shè)備的寬帶接入，并利用中控機(jī)的射頻切換功能，實(shí)現(xiàn)帶寬的動(dòng)態(tài)分配；在信息感知應(yīng)用中，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的信息經(jīng)過(guò)匯聚節(jié)點(diǎn)的匯聚后，由RS485等接口轉(zhuǎn)換為WiFi接口，然后進(jìn)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(duì)信號(hào)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)下的ROF鏈路，當(dāng)鏈路分支達(dá)到一定數(shù)目時(shí)，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(wú)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(duì)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(shí)時(shí)性和可靠性要求較高，因此傳統(tǒng)的Zigbee技術(shù)即可實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，當(dāng)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(lái)，并實(shí)現(xiàn)集中控制與管理，另外，不同頻段的無(wú)線信號(hào)格式同時(shí)在光纖中傳輸，也需要研究它們之間的干擾問(wèn)題和濾波的實(shí)現(xiàn)問(wèn)題。光纖傳輸給信號(hào)傳輸帶來(lái)額外時(shí)延和功率損耗，需要研究時(shí)延引入對(duì)協(xié)議層的影響以及傳感節(jié)點(diǎn)之間的最優(yōu)功率預(yù)算。利用模擬光纖鏈路實(shí)現(xiàn)WiFi信號(hào)的分發(fā)與傳輸，其遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)可以覆蓋寬帶接入的筆記本電腦，也可以覆蓋管理多個(gè)無(wú)線傳感器的監(jiān)測(cè)儀，由于無(wú)線監(jiān)測(cè)儀的接口為RS485標(biāo)準(zhǔn)，因此需要額外放置RS485/WiFi的轉(zhuǎn)換模塊，實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感器的遠(yuǎn)端信息匯聚和監(jiān)測(cè)。

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

近年來(lái)，港口碼頭倉(cāng)儲(chǔ)定位越來(lái)越受到廣泛的關(guān)注，各種定位方式不斷出現(xiàn)。在這一過(guò)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(hào)到達(dá)接收端會(huì)產(chǎn)生不同的時(shí)延和入射角，因此基于信號(hào)達(dá)到角度的定位方法和基于信號(hào)達(dá)到時(shí)間的定位方法存在不可預(yù)測(cè)的誤差，且高精度的時(shí)鐘費(fèi)用昂貴。比較而言，基于接收信號(hào)強(qiáng)度簡(jiǎn)易信息聚合（Really Simple Syndication，RSS）的港口碼頭倉(cāng)儲(chǔ)定位方法因其低成本，無(wú)需額外的時(shí)鐘定時(shí)設(shè)備，實(shí)用性高等優(yōu)點(diǎn)，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(cāng)儲(chǔ)定位方法，包括面向WiFi-RoF網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的港口碼頭倉(cāng)儲(chǔ)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(duì)WiFi-RoF網(wǎng)絡(luò)，本文擬研究子區(qū)域可預(yù)測(cè)的無(wú)線港口碼頭倉(cāng)儲(chǔ)傳輸模型，通過(guò)劃分子區(qū)域及考慮到具體介質(zhì)損耗，增強(qiáng)該模型的準(zhǔn)確性。該模型將提高RSS值預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，而且還可以降低建立數(shù)據(jù)地圖階段的人力及時(shí)間成本?；谡n題采用的光載無(wú)線網(wǎng)絡(luò)作為物聯(lián)網(wǎng)的支撐網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，其對(duì)無(wú)線信號(hào)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(shí)現(xiàn)港口碼頭倉(cāng)儲(chǔ)定位。本課題擬采用RFID技術(shù)或是ZigBee技術(shù)，通過(guò)上述港口碼頭倉(cāng)儲(chǔ)傳輸模型和基于RSS的定位方法的研究與實(shí)現(xiàn)，將為在基于光載無(wú)線傳輸與交換技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)信息平臺(tái)上開(kāi)展港口碼頭倉(cāng)儲(chǔ)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(kāi)發(fā)

由于該系統(tǒng)主要針對(duì)WiFi信號(hào)等射頻信號(hào)的光纖-同軸電纜的混合信號(hào)分布，不涉及網(wǎng)絡(luò)層的相關(guān)技術(shù)，因此僅需要對(duì)媒介訪問(wèn)控制（Media Access Control，MAC）層進(jìn)行研究，研究多波長(zhǎng)控制協(xié)議以及光鏈路時(shí)延所帶來(lái)的協(xié)議變化。另外，根據(jù)特定場(chǎng)合應(yīng)用中的安全性和保密性要求，需要在交換機(jī)中加入軟件控制模塊，保證高可信的寬帶無(wú)線接入。本文將融合光載無(wú)線技術(shù)和無(wú)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(guò)光纖混合傳輸WiFi射頻信號(hào)和其他射頻信號(hào)，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(lái)的額外的影響，達(dá)到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能最優(yōu)。

2　港口碼頭物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)設(shè)計(jì)

本文將基于光載無(wú)線技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)信息平臺(tái)，建立支持高移動(dòng)性、具有強(qiáng)保密性和抗干擾性的無(wú)線寬帶網(wǎng)絡(luò)，滿足港口碼頭作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)業(yè)務(wù)與監(jiān)控的需要，實(shí)現(xiàn)港口碼頭大范圍的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)全覆蓋，建立集有線、無(wú)線于一體的港口碼頭物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)通信平臺(tái)，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(cāng)儲(chǔ)管理、環(huán)境監(jiān)測(cè)、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(tái)。功能框架如圖1所示。

圖1 功能框架圖

（1）無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋。采用光載無(wú)線交換機(jī)，將WiFi射頻信號(hào)分布到200-5000米的港口碼頭區(qū)域，實(shí)現(xiàn)港口碼頭無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)全覆蓋，將各類移動(dòng)智能設(shè)備（手持貨物標(biāo)簽掃描儀、車輛標(biāo)簽掃描儀、平板電腦等）、無(wú)線數(shù)據(jù)采集設(shè)備、無(wú)線視頻監(jiān)控設(shè)備、無(wú)線傳感器等接入統(tǒng)一的物聯(lián)網(wǎng)信息平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)港口碼頭數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)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(wú)線視頻監(jiān)控設(shè)備，實(shí)時(shí)監(jiān)控港口碼頭重點(diǎn)區(qū)域，同時(shí)借助無(wú)線傳感器對(duì)敏感區(qū)域和危險(xiǎn)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)24小時(shí)監(jiān)控。

（3）物流管理。港口碼頭的物資進(jìn)出頻繁，對(duì)整體設(shè)備，如集裝箱、進(jìn)出口車等采用RFID/條形碼實(shí)施管理，散貨區(qū)域貨物采用標(biāo)簽加條形碼的方式管理。貨物的裝卸、進(jìn)出貨場(chǎng)以及船舶、運(yùn)輸車輛等實(shí)現(xiàn)信息的實(shí)時(shí)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(jìn)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(guò)RFID身份卡獲取操作權(quán)限和管理職責(zé)，實(shí)現(xiàn)港區(qū)人員的統(tǒng)一電子化管理。

（5）車輛管理。進(jìn)出港區(qū)的車輛以及港區(qū)內(nèi)部轉(zhuǎn)場(chǎng)的車輛，采用統(tǒng)一的RFID標(biāo)簽管理，RFID標(biāo)簽包括車輛RFID標(biāo)簽和司機(jī)RFID人員標(biāo)簽。進(jìn)出港閘口、貨物裝卸點(diǎn)、貨物稱重臺(tái)、貨場(chǎng)進(jìn)出口等處設(shè)置RFID自動(dòng)管理閘口，通過(guò)固定式/手持式標(biāo)簽掃描儀，對(duì)車輛在港區(qū)內(nèi)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理。車輛離開(kāi)港區(qū)，采用GPS/GPRS相結(jié)合的技術(shù)，對(duì)車輛進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤和監(jiān)控。車輛管理中進(jìn)場(chǎng)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(chǎng)、磅站、火車貨物裝卸點(diǎn)、汽車貨物裝卸點(diǎn)、集裝箱堆場(chǎng)、整裝車堆場(chǎng)、倉(cāng)庫(kù)等，每一個(gè)區(qū)域都有大量的數(shù)據(jù)采集，采集的數(shù)據(jù)通過(guò)有線/無(wú)線方式實(shí)時(shí)上傳數(shù)據(jù)服務(wù)器，完成數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集。

（7）倉(cāng)儲(chǔ)管理。RFID技術(shù)作為新一代自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，其具有的顯著優(yōu)勢(shì)，在倉(cāng)儲(chǔ)管理中的應(yīng)用得到了廣泛的關(guān)注［5］。港口碼頭的倉(cāng)儲(chǔ)區(qū)域主要包括室外散貨堆場(chǎng)、集裝箱堆場(chǎng)、整裝車堆場(chǎng)、室內(nèi)倉(cāng)庫(kù)等。集裝箱、整裝車等整體貨物采用RFID標(biāo)簽/條形碼管理貨物的進(jìn)、出場(chǎng)及裝載與卸除；散貨管理采用堆場(chǎng)/倉(cāng)庫(kù)標(biāo)簽與條形碼進(jìn)行管理，通過(guò)掃描設(shè)備掃描標(biāo)簽，更新堆場(chǎng)信息，同事對(duì)轉(zhuǎn)場(chǎng)或運(yùn)輸車輛采用RFID管理，以達(dá)到對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)貨物的智能化管理。

（8）環(huán)境監(jiān)測(cè)與災(zāi)難預(yù)防。港口碼頭布設(shè)大量傳感器，監(jiān)測(cè)港區(qū)敏感區(qū)域、大型設(shè)備、危險(xiǎn)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(shí)時(shí)監(jiān)控與災(zāi)難預(yù)防。

3　港口碼頭物聯(lián)網(wǎng)信息平臺(tái)的特點(diǎn)

（1）將無(wú)線傳感技術(shù)融入ROF網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)中，實(shí)現(xiàn)ZigBee等模塊的集成。

（2）采用光纖傳輸WiFi射頻信號(hào)，實(shí)現(xiàn)光纖長(zhǎng)距離傳輸與無(wú)線靈活接入的融合；采用射頻交換技術(shù)，實(shí)現(xiàn)WiFi無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)的各接入點(diǎn)的負(fù)載均衡和無(wú)縫移動(dòng)漫游。

（3）面向港口碼頭，具有高度實(shí)時(shí)性，無(wú)論是后臺(tái)管理人員還是現(xiàn)場(chǎng)管理人員，均可在第一時(shí)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(jìn)的RFID技術(shù)融入港口倉(cāng)庫(kù)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(dòng)性，系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)港口碼頭現(xiàn)場(chǎng)安全異常情況、倉(cāng)庫(kù)業(yè)務(wù)流程出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，將現(xiàn)場(chǎng)發(fā)出相應(yīng)警告信息，并通過(guò)短信、郵件等方式通知相關(guān)人員。系統(tǒng)將遵循標(biāo)準(zhǔn)化，開(kāi)放性設(shè)計(jì)原則，具有高度可擴(kuò)充性，能夠方便地與其他系統(tǒng)進(jìn)行銜接，中間網(wǎng)絡(luò)具有高度的可維護(hù)、可管理、可控制、可重構(gòu)功能。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)以及光載無(wú)線技術(shù)的研究，設(shè)計(jì)了基于光載無(wú)線技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)港口碼頭信息平臺(tái)。該平臺(tái)集數(shù)據(jù)采集、工業(yè)控制、遠(yuǎn)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(cāng)儲(chǔ)領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景，相關(guān)成果將推動(dòng)交通信息化建設(shè)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

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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(yùn)輸科技項(xiàng)目；項(xiàng)目名稱：基于光載無(wú)線技術(shù)的港口碼頭物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)研究；項(xiàng)目編號(hào)：2014C03-02。

韓樹(shù)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。