袁學松，張 靜

(安徽機電職業(yè)技術學院 信息工程系，安徽 蕪湖 241000)

一種基于無線自組網的內河航標裝置設計

袁學松，張 靜

(安徽機電職業(yè)技術學院 信息工程系，安徽 蕪湖 241000)

在內河航道中航標起著保證航道和船舶安全的作用。由于氣候和水文的變化航標容易出現偏移等現象，導致無法正確標記航道位置，如果航標維護人員不及時進行糾正，會影響內河航道船舶的航行安全。設計了一種基于無線自組網的內河航標裝置，該裝置具有防偏移和防碰撞取證等裝置。航標間使用無線自組網進行數據通信，并可通過各種通信方案來及時上報相關故障。

內河航道；無線自組網；內河航標

引言

隨著無線自組網(AD-HOC)[1]廣泛的使用，很多行業(yè)都利用其無中心、自組織性和造價低廉等特點設計了很多具有無線通信功能的新裝置。如：在陸上VANET[2-3]技術的產品已經被廣泛應用與車聯網中，無線內河航道通信的設備還是較少，大多數使用高頻和甚高頻(VHF)[4]進行通信，一些航標主要起指示航道的作用基本不具備采集信息和通信的功能。本文設計了一種基于無線自組網的內河航標裝置，該裝置包括：北斗定位短消息發(fā)送裝置，基于多種傳感器的航行參數測量裝置，各類本體檢測與報警裝置。

1 無線自組網航標設計

基于無線自組網的內河航標裝置設計要點主要有：(1)內河航道與航標間進行無線自組網方式組網，并進行相關的數據通信，以達到防止船舶間、船舶與航標碰撞的目的。(2)北斗定位于短消息發(fā)送裝置，主要幫助航標進行精確定位，并和張力傳感器共同監(jiān)測航標是否發(fā)生了漂移。同時，通過短消息模塊對漂移的航標進行報警，當航標體自身的各類設備工作狀態(tài)出現了故障，也可以通過其進行監(jiān)測和報警。(3)當航標體通過傳感器感知距離過近時，發(fā)出聲光報警，并通過無線自組網警告逼近船舶，同時開啟具有夜視功能的高清攝像頭進行相關取證，并通過3G/4G模塊進行發(fā)送。

1.1 防航標漂移裝置設計方案

圖1為簡易的內河航標防漂移裝置結構圖。1為船體或者鼓式航標剖面圖。船體隨水流正常的傾斜和偏移是不會報警的。只有在偏移過大，經過各種檢測(如北斗模塊定位檢測)后，發(fā)現確實異常才進行報警。2為特殊材料管狀錨鏈，中空。該錨鏈具有抗拉，防腐蝕，密封性好等特性。3為各類傳感裝置，這些傳感裝置有：①張力、壓力傳感器，傳感器采用筒式、柱式結構形式。內外螺紋作承載連接，具有抗偏、抗側能力、精度高、性能穩(wěn)定性強等特點。用于測量錨鏈的拉伸力和壓縮力，并可以以數字的形式傳輸給航標體內的單片機。根據不同的航標體使用不同拉伸力的傳感器，一般使用100T的足夠。②渦輪流量計智能傳感器，該傳感器主要用于測量航標當前的水流速，提供給航標體內的單片機，這些信息會在自組網中傳輸給相應的船舶節(jié)點。③超聲波測水深傳感器，該傳感器使用超聲波方式測量水深，通過路由協(xié)議發(fā)送給船舶節(jié)點，防止大型船舶在淺灘擱淺。4為配重體， 使航標體能在較大風速和水流作用下保持穩(wěn)定的漂浮狀態(tài)。5為普通航標錨鏈，起到固定作用。6為水泥墩及其錨鏈，該裝置可以使5與水平角呈60°～75°以保持航標體的穩(wěn)定性。7為錨，是航標的固定裝置。

水泥墩錨鏈斷裂、航標錨鏈斷裂或者錨脫離都會導致航標體的漂離。張力、壓力傳感器會第一時間了解到異常的張力(超過了設定的范圍)，該傳感器會將信息傳遞給船體中的單片機，單片機根據自身北斗模塊的定位功能判斷自身位置(經度和緯度)是否發(fā)生偏移，若偏移不在一個合理的范圍內，則通過3G/4G模塊給航標檢修人員進行報警，同時通過北斗短消息發(fā)送模塊將信息傳輸給航道管理局的服務器中。

圖1 內河航標防漂移裝置結構圖

1.2 航標體結構

圖2為航標體的剖面圖，圖中1為環(huán)形多晶太陽能電池板。該電池板為船體的各類傳感器和處理器提供供電支持。2為航標核心處理裝置。3為風速傳感器和相關天線裝置。同時具有一套聲光報警裝置和夜視高清攝像頭。4為蓄電池為航標裝置提供能源保障。

圖2 航標體結構剖面圖

1.3 航標工作流程

航標裝置工作流程圖如圖3所示，太陽能供電模塊和蓄電池組給整個裝置提供電源，當前小型燈塔已采用太陽能電池，航標作為一個耗電不大的裝置，較大功率的太陽能蓄電池組已完全能滿足其需求。航標單片機處理器模塊使用的是STM32F103，改處理器基于32位ARM核心的帶128K字節(jié)閃存的微控制器。能完成基本的傳感器數據搜集處理和相關通信工作。通信模塊包括3種通信方式。各類傳感器將檢測到的實時信息通過相關通信模塊傳輸至臨近航標或者航道管理局的服務器上。

圖3 航標裝置工作流程圖

1.4 航標節(jié)點無線自組網通信方案

航標間通信通過無線自組網完成，整個通信模式如下所示。

① 航標節(jié)點周期性的向周圍具有無線自組網通信裝置的船舶節(jié)點進行信標消息廣播。廣播的內容包括由航標傳感器得到的水流速度方向、風速及方向、水深信息等相關航行信息。信標數據包格式如下。

圖4 信標數據包格式

水流速度與方向、風速與方向、水深信息都是有航標節(jié)點的相關傳感器得到的數據，然后通過MCU處理后通過無線自組網通信模式傳輸給通信范圍內的所有船舶節(jié)點。

② 船舶節(jié)點在收到周期新的廣播信息后，比較自身北斗定位裝置得到的信息，算出于航標節(jié)點間的距離，然后通過相關算法計算出自己的運動趨勢，判斷是否會與航標節(jié)點進行碰撞，并及時做出修正。

③ 同樣船舶節(jié)點間也通過相關算法來避免碰撞的發(fā)生。

④ 航標節(jié)點周期性的自檢，檢查自己的相關傳感器是否正常工作，如果不正常工作則會通過相關3G/4G通信方式或者北斗短消息傳送機制將故障信息發(fā)送到相關的服務器和維修人員的移動客戶端上。同時，在周期性的廣播中，如果航標節(jié)點的健康標識為false則表示節(jié)點失效，船舶節(jié)點不考慮此條信息，將從其他航標節(jié)點中獲取相關信息。

⑤ 節(jié)點間的通信算法使用GPSR-CH算法，[5]該算法主要是對內河航道中船舶和相關航標進行通信設計的，較為可靠。

1.5 裝置的通信模塊設計

裝置的通信模塊主要包括：3G/4G模塊、自組網通信模塊、北斗定位短消息發(fā)送模塊。其中，自組網通信模塊為船舶節(jié)點間、航標節(jié)點間以及兩者間相互通信的主要方式。這種通過相關路由協(xié)議的通信有效的保障了航行的安全。航標節(jié)點與船舶節(jié)點進行通信時，相關路由協(xié)議會收集航標上各類傳感器的數據經單片機處理后通過天線進行傳輸。3G/4G模塊為航標定期檢測(自身)狀態(tài)后發(fā)送給相關航道管理部門的通信模式。當某些傳感器失靈，航標錨鏈斷裂導致的航標漂移等故障產生后，通過該模塊的通信進行數據的發(fā)送。在某些特殊航道，3G/4G信號覆蓋不到的地方，可以啟動北斗短報文傳送裝置進行數據傳輸。

1.6 防碰撞取證裝置設計

在本裝置上具有一個高清夜視攝像頭和一套聲光電報警裝置。當該裝置經無線自組網相關路由協(xié)議判斷船舶位置小于安全距離，且有碰撞趨勢的時候，會啟動防碰撞機制。該機制會通過北斗定位模塊獲取航標的具體位置，并通過路由協(xié)議交換到相關船舶的地理位置。若判斷小于100米，立即啟動聲光報警裝置，同時開啟高清攝像頭對船舶進行航行取證，將取證的信息通過3G4G模塊傳輸給河道管理局的服務器平臺。

小結

文中采用單片機與 各類傳感器模塊相結合設計的航標裝置設備已在某些水域航道得到小范圍的試用，實際運行使用中，該裝置工作穩(wěn)定可靠。同時，該裝置可以在所有浮鼓式或船式航標上進行安裝，對航標的結構形態(tài)改變較小，不會影響航標的浮態(tài)，適合在內河航道上進行推廣。

[1]鄭少仁,王海濤，等. Ad Hoc 網絡技術[M].人民郵電出版社,2005(1)：11-25.

[2]Liu Haiqing,Yang Licai,Ding Sijing,et al.LogicalconnectivitypredictionmodelsforVANETbasedonnonlinearregressionandELM:AnexampleoftheAODVprotocol[J].International Journal of Future Generation Communication and Networking,2014,17(6):217- 230.

[3]Karp for B, Kung H T.GPSR:Greedyperimeterstatelessroutingwirelessnetworks[C]/ACM/IEEE International Conference on Mobile Computing and Networking, Boston Massachusetts USA, 2000:243-254.

[4]趙立凱.VHF/UHF頻段寬帶天線的研究與設計[D].蘭州大學，2012：1-11.

[5]袁學松,袁濤,王蒙,張靜.一種可靠的GPSR改進算法在內河航道中的應用研究[J].安慶師范學院學報(自然科學版),2016,22(2):72-76.

Class No.:TP872 Document Mark：A

(責任編輯：蔡雪嵐)

A Navigation Mark Device Based on Wireless Ad Hoc Networks

Yuan Xuesong，Zhang Jing

(Department of Information Engineering, Anhui Technical College of Mechanical and Electrical Engineering, Wuhu, Anhui 241000，China)

In the inland waterway, navigation plays the role of ensuring the safety of waterways and ships. Due to climate and hydrological changes, the buoy prone to deviate the correct position . If it had not been corrected timely, the safety of ships in the inland waterway would have affected. This paper describes the design of a wireless ad hoc network based on inland navigation marks, the navigation with anti-migration and anti-collision forensics device. With the wireless ad hoc network data communication and various communication schemes ,the relative fault information would feedback to us timely.

wireless ad hoc network; inland waterways; inland river navigation mark

袁學松, 碩士,講師，安徽機電職業(yè)技術學院信息工程系。研究方向:網絡仿真技術、無線傳感網、數據挖掘、圖像處理技術。 張靜，助理實驗師，安徽機電職業(yè)技術學院信息工程系。研究方向：高校實驗室建設，網絡設計等。

2017年度安徽高校重點自然科學研究項目“基于SAR的長江流域排污檢測系統(tǒng)設計與研究” (項目編號：KJ2017A757)； 2016年安徽機電職業(yè)技術學院院級重點研究項目“多場景Vanet廣播路由研究”(項目編號：2016zdzr10)。

1672-6758(2017)06-0051-3

TP872

A