蔡夢(mèng)揚(yáng) 宋庭新

摘要：為了改善傳統(tǒng)航標(biāo)管理方式中管理效率低下及管理成本較高等缺點(diǎn)，針對(duì)傳統(tǒng)內(nèi)河航道的航標(biāo)設(shè)計(jì)了一種基于LoRa技術(shù)的智能航標(biāo)監(jiān)管系統(tǒng)。采用RasberryPi和Linux嵌入式系統(tǒng)采集水文氣象信息和航標(biāo)地理信息，采用基于LoRa技術(shù)的網(wǎng)關(guān)，使用4G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)了水文氣象信息和航標(biāo)位置實(shí)時(shí)監(jiān)測以及航標(biāo)智能化管理，一定程度上提高了航標(biāo)管理效率，同時(shí)降低了管理成本。

關(guān)鍵詞：LoRa技術(shù);航標(biāo);GPS定位;監(jiān)管系統(tǒng);網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)

DOI： 10. 11907/rjdk.191749

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

中圖分類號(hào)：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-7800（2020）004-0143-04

The Design and Implementation of Intelligent Navigation Mark Supervisory System

Based on LoRa Technology

CAI Meng-yang， SONG Ting-xm

（School of Mechanical Engineering ， Hubei Univer.sity of Technology ， Wuhan 430068.ChirLa ）Abstract： In order to improve the shortcomings of low efficiency and high cost of management in traditional navigation mark manage-ment mode， this paper designs an intelligent navigation mark monitoring system based on LoRa technology for traditional navigationmark of' inland waterway. RasberryPi and Linux embedded system are used to collect hydrometeorological information and geographicinformation of' navigation mark， and a gateway based on LoRa technology is adopted. The data transmission between remote monitoringsystem and 4G network is realized. Real-time monitoring of hydrometeorological information and navigation mark position and intelli-gent management of navigation mark are realized. To a certain extent， it not only improves the manageruent efficiencv of'the buo， butalso reduces the management cost.Key Words ： LoRa technology ; navigation aids ; GPS positioning ; monitoring system ; network node

O 引言

航標(biāo)是確保航運(yùn)安全的重要設(shè)施，加強(qiáng)航標(biāo)管理是實(shí)現(xiàn)水路運(yùn)輸暢通、高效、平安、綠色的重要保證。美國于20世紀(jì)末在夏威夷召開的第十三屆國際航標(biāo)大會(huì)上提出航標(biāo)信息管理系統(tǒng)[1]，目前在實(shí)現(xiàn)航標(biāo)設(shè)備自動(dòng)化基礎(chǔ)上，逐步開展了以內(nèi)河水域航標(biāo)監(jiān)控為主的航標(biāo)系統(tǒng)白動(dòng)化，并開始建立航標(biāo)數(shù)據(jù)庫和組建航標(biāo)信息系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)航標(biāo)管理白動(dòng)化[2]。近年來，長江武漢航道局與武漢大學(xué)GPS工程研究中心共同研制的航標(biāo)智能化監(jiān)控系統(tǒng)在武漢長江大橋橋區(qū)航道投入使用，在船舶航行與航標(biāo)管理中取得了相當(dāng)成效[3]。但由于缺乏互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用，航標(biāo)監(jiān)控系統(tǒng)仍存在一些不足，如低功耗、實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性等性能優(yōu)化問題尚未得到解決。在航標(biāo)管理方式選用方面，我國基本采用傳統(tǒng)方式管理航標(biāo)，由巡邏船定期檢查航標(biāo)燈是否存在故障，對(duì)存在故障的航標(biāo)進(jìn)行維修。因此，現(xiàn)有航標(biāo)管理方式存在管理成本高及管理效率低下的問題。本文針對(duì)目前航標(biāo)管理弊端以及航標(biāo)監(jiān)控技術(shù)上的不足，研發(fā)了一種基于LoRa通信技術(shù)的智能航標(biāo)監(jiān)管系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以對(duì)航標(biāo)燈進(jìn)行實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控，及時(shí)了解航標(biāo)地理信息及各項(xiàng)水文氣象信息[4];通過航標(biāo)燈GPS定位，對(duì)航標(biāo)偏移進(jìn)行預(yù)警，迅速捕捉偏移量較大的航標(biāo)燈，及時(shí)調(diào)派維修人員赴現(xiàn)場進(jìn)行位置調(diào)整，確保航標(biāo)燈處于正常位置和狀態(tài)，提高了通航的安全性，同時(shí)也提高了航標(biāo)管理效率，對(duì)內(nèi)河流域綜合交通環(huán)境發(fā)展具有重要意義。

1 系統(tǒng)業(yè)務(wù)分析

本系統(tǒng)在業(yè)務(wù)需求上主要包括3個(gè)方面：一是根據(jù)采集到的航標(biāo)GPS信息以經(jīng)緯度定位的形式將航標(biāo)顯示在監(jiān)控界面中，可以通過航標(biāo)的不同類型以及所屬不同航段進(jìn)行篩選查詢定位;同時(shí)每個(gè)航標(biāo)的GPS信息以及采集

2 總體技術(shù)方案

系統(tǒng)總體技術(shù)方案如圖2所示。上層為信息采集層，由網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)模塊與控制中心系統(tǒng)組成[5]，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)模塊采用RasberrvPi和Linux嵌入式系統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模塊設(shè)計(jì)[6];控制中心系統(tǒng)主要包括LoRa的無線通信模塊和通信服務(wù)器設(shè)計(jì)，通過對(duì)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸處理以及采用數(shù)據(jù)庫服務(wù)提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)對(duì)航標(biāo)各項(xiàng)數(shù)據(jù)的到的各項(xiàng)水文氣象信息需要顯示在對(duì)應(yīng)航標(biāo)的信息窗口;二是針對(duì)航標(biāo)的位置偏移，當(dāng)偏移量達(dá)到設(shè)定的預(yù)報(bào)預(yù)警值時(shí)，在系統(tǒng)中需要有相應(yīng)的通知，根據(jù)此通知進(jìn)行航標(biāo)相關(guān)問題處理;三是對(duì)航標(biāo)進(jìn)行維護(hù)維修管理，根據(jù)擬定的維護(hù)維修方案，對(duì)航標(biāo)進(jìn)行各項(xiàng)檢查，處理航標(biāo)存在的故障。根據(jù)上述業(yè)務(wù)需求，設(shè)計(jì)系統(tǒng)功能模塊如圖1所示。存儲(chǔ)和管理。中間層運(yùn)用Socket通信將地理信息與各項(xiàng)水文氣象信息插入服務(wù)器中對(duì)應(yīng)的后臺(tái)數(shù)據(jù)庫表，數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，進(jìn)一步對(duì)航標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和管理。底層是后臺(tái)監(jiān)管系統(tǒng)，用于對(duì)航標(biāo)進(jìn)行監(jiān)控和管理[7]。系統(tǒng)前端采用Web服務(wù)器顯示用戶界面，后端采用Weh服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器處理業(yè)務(wù)邏輯，在請(qǐng)求數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)時(shí)運(yùn)用Ajax技術(shù)，其最大特點(diǎn)是提供異步更新機(jī)制，將網(wǎng)頁中的一部分單獨(dú)刷新，利用該特性將航標(biāo)的地理信息和各項(xiàng)水文氣象信息實(shí)時(shí)加載到前臺(tái)。 3 基于LoRa技術(shù)的通信設(shè)計(jì)

LoRaWAN是一種低功耗廣域協(xié)議（LPWAN），LoRa技術(shù)具有遠(yuǎn)距離、低功耗、多節(jié)點(diǎn)、低成本的特性，是一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的超遠(yuǎn)距離無線傳輸方案，由美國Semtech公司提出并推廣[8]。LoRa網(wǎng)絡(luò)易于建設(shè)和部署，已成為當(dāng)前最為普遍應(yīng)用的物聯(lián)網(wǎng)專用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。目前，LoRa主要在全球免費(fèi)頻段運(yùn)行，包括433、868、915MHz等[9]。

系統(tǒng)LoRa通信設(shè)計(jì)采用服務(wù)器一網(wǎng)關(guān)一節(jié)點(diǎn)的連接方法，觀測信息通過終端讀取并在終端輸入命令反饋給節(jié)點(diǎn)[10]，節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)之間通過天線匹配的方式進(jìn)行連接和信息傳輸。節(jié)點(diǎn)部分主要完成各項(xiàng)水文氣象信息采集與近距離數(shù)據(jù)傳輸。根據(jù)采集信息的不同可分為水文節(jié)點(diǎn)、氣象節(jié)點(diǎn)、航標(biāo)節(jié)點(diǎn)等。各無線傳感器節(jié)點(diǎn)采集的信息分別為：①水文節(jié)點(diǎn)，實(shí)時(shí)采集水的深度、流動(dòng)速度、流動(dòng)方向等信息;②氣象節(jié)點(diǎn)，實(shí)時(shí)采集各項(xiàng)氣象信息;③航標(biāo)節(jié)點(diǎn)，實(shí)時(shí)采集航標(biāo)位置信息。在通信軟件設(shè)計(jì)方面，為了讓軟件實(shí)時(shí)監(jiān)測顯示各節(jié)點(diǎn)采集信息，程序中定義了各節(jié)點(diǎn)信息初始值，以條件結(jié)構(gòu)的方式說明不同情況下軟件接收數(shù)據(jù)狀態(tài)，接收到各節(jié)點(diǎn)采集的新數(shù)據(jù)時(shí)都會(huì)更新顯示，同時(shí)展示出數(shù)據(jù)變化趨勢及具體變化情況，通過檢驗(yàn)設(shè)備測試和鏈接狀態(tài)驗(yàn)證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

LoRa網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)中多個(gè)程序需要在網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)下運(yùn)行，因此首先需要執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)連接代碼完成網(wǎng)絡(luò)連接，當(dāng)檢測到網(wǎng)絡(luò)丟包率為0時(shí)才會(huì)啟動(dòng)。在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接后，需要對(duì)網(wǎng)卡進(jìn)行設(shè)置，定義特定參數(shù)。同時(shí)，使用者還需要獲取操作權(quán)限，否則將無法進(jìn)行后續(xù)操作。在完成設(shè)置并獲取權(quán)限后，即可進(jìn)行Gatewav程序安裝和Gatewavconf數(shù)據(jù)獲取。在LoRa通信過程中需要建立LoRa通信協(xié)議，LoRa通信協(xié)議是通信計(jì)算機(jī)雙方必須共同遵從的協(xié)議，計(jì)算機(jī)之間使用該協(xié)議才能進(jìn)行交流。在建立協(xié)議之后，需將LoRa網(wǎng)關(guān)的用戶界面建立起來，完成計(jì)算機(jī)之間的信息傳輸。而完成傳輸信息過程則需要建立指定的數(shù)據(jù)傳輸方式，將獲取的信息傳輸出去[11]。LoRa數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)如圖3所示。

4后臺(tái)監(jiān)管系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本監(jiān)管系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)和SSM框架進(jìn)行開發(fā)，SSM框架結(jié)構(gòu)如圖4所示。其中，Spring框架作為一個(gè)無侵入式的輕量級(jí)框架，通過Spring提供的IoC容器，可以將對(duì)象之間的依賴關(guān)系交由容器進(jìn)行控制，避免硬編碼造成過度耦合[12]。SpringMVC作為控制層，可將業(yè)務(wù)邏輯層與表示層分開，實(shí)現(xiàn)前端頁面與后臺(tái)業(yè)務(wù)邏輯松耦合連接，而且采用MVC設(shè)計(jì)模式能很清楚地將程序員與設(shè)計(jì)者的角色區(qū)分開。Mvhatis作為持久層框架，支持白定義SOL語句、存儲(chǔ)過程以及高級(jí)映射，只需使用簡單的XML或注解來配置和映射原生信息[13]，就能將接口和Java的POJO類映射成數(shù)據(jù)庫中的記錄。系統(tǒng)開發(fā)工具選擇了具有標(biāo)準(zhǔn)化接口與松散耦合特點(diǎn)的Eclipse，有利于本系統(tǒng)與其它系統(tǒng)的集成及今后擴(kuò)展升級(jí)[14]。

為實(shí)現(xiàn)前端頁面動(dòng)態(tài)展示效果和增加用戶體驗(yàn)，系統(tǒng)采用EasvUI技術(shù)進(jìn)行界面開發(fā)。通過使用EasvUI，開發(fā)者只需編寫一些簡易的HTML標(biāo)記，即可達(dá)到定義用戶界面的目的，無需編寫復(fù)雜代碼，大幅提高了開發(fā)效率。系統(tǒng)監(jiān)控界面引用百度地圖API，包括JS API、Web服務(wù)API、Android SDK、iOS SDK、定位SDK、車聯(lián)網(wǎng)API、LBS云等多種開發(fā)工具與服務(wù)[15]。JS版本還為用戶開放了開源庫，簡化了開發(fā)。系統(tǒng)引用百度地圖JS API應(yīng)用接口，將實(shí)時(shí)加載到的航標(biāo)地理信息通過經(jīng)緯度定位的方式顯示到前臺(tái)頁面，將實(shí)時(shí)加載到的各項(xiàng)水文氣象信息展示到對(duì)應(yīng)航標(biāo)的屬性窗口，以達(dá)到遠(yuǎn)程航標(biāo)監(jiān)控效果。

為了實(shí)現(xiàn)智能航標(biāo)監(jiān)管的實(shí)用性和科學(xué)性，根據(jù)航標(biāo)監(jiān)管的業(yè)務(wù)需求，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了航標(biāo)監(jiān)控、航標(biāo)偏移預(yù)報(bào)預(yù)警、備品備件管理以及航標(biāo)維護(hù)維修管理4個(gè)核心業(yè)務(wù)功能，其功能如下：

（1）航標(biāo)監(jiān)控。主要對(duì)航標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，可根據(jù)指定航段和指定種類的航標(biāo)獲取航標(biāo)地理信息以及各項(xiàng)水文氣象信息，從而更好地實(shí)現(xiàn)航道信息化和數(shù)字化[16]。

（2）航標(biāo)偏移預(yù)報(bào)預(yù)警。主要針對(duì)水流以及風(fēng)力等因素作用下偏移量較大的航標(biāo)，實(shí)施偏移預(yù)報(bào)預(yù)警機(jī)制調(diào)度人員對(duì)其位置進(jìn)行調(diào)整，使其在正常位置上工作運(yùn)行，從而提高航道安全性[17]。

（3）備品備件管理。主要對(duì)航標(biāo)相關(guān)備品備件進(jìn)行管理，當(dāng)備品備件出庫或入庫時(shí)對(duì)其進(jìn)行出入庫登記[13]。

（4）航標(biāo)維護(hù)維修管理。主要包括維護(hù)維修方案和維護(hù)維修計(jì)劃，根據(jù)制定的維護(hù)維修方案，對(duì)航標(biāo)進(jìn)行系統(tǒng)檢查，記錄存在故障的航標(biāo)，調(diào)派維修人員對(duì)其進(jìn)行維修，保證航標(biāo)能正常運(yùn)行，從而達(dá)到安全通航效果”1。

航標(biāo)監(jiān)管系統(tǒng)主界面如圖5所示。

5 結(jié)語

本文提出基于LoRa技術(shù)的智能航標(biāo)監(jiān)管系統(tǒng)，主要針對(duì)內(nèi)河航道航標(biāo)燈，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控和智能化位置偏移預(yù)報(bào)預(yù)警。該系統(tǒng)可以有效降低航標(biāo)燈維護(hù)成本、提高管理效率，對(duì)航標(biāo)燈進(jìn)行有針對(duì)性而及時(shí)的維護(hù)與檢修[20]，使航標(biāo)管理人員能夠迅速掌握航標(biāo)相關(guān)信息，并能對(duì)航標(biāo)燈進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控[21]。在航標(biāo)日常管理中，系統(tǒng)可針對(duì)維護(hù)維修計(jì)劃進(jìn)行維護(hù)維修流程處理，進(jìn)一步降低航標(biāo)維護(hù)成本并提高管理效率。本文研發(fā)的智能航標(biāo)監(jiān)管系統(tǒng)在漢江襄陽段內(nèi)經(jīng)過試用，效果良好，此后可在其它內(nèi)河流域推廣使用[22]。

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（責(zé)任編輯：孫娟）

收稿日期：2019-06-13

基金項(xiàng)目：湖北省交通運(yùn)輸廳科技項(xiàng)目（2017-538-4-5）

作者簡介：蔡夢(mèng)揚(yáng)（1994-），男，湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生，研究方向?yàn)橹圃鞓I(yè)信息化;宋庭新（1972-），男，湖北工業(yè)大學(xué)

機(jī)械工程學(xué)院教授，研究方向?yàn)橹圃爝^程信息化與自動(dòng)化。本文通訊作者：蔡夢(mèng)揚(yáng)。