劉生學(xué)，胡擇宇，朱航伯，范海鑫

(海軍工程大學(xué), 湖北 武漢 430033)

0 引 言

艦船在近海航行中會遇到很多由于環(huán)境所產(chǎn)生的問題，包括擁擠的航道、復(fù)雜的港灣配套設(shè)施等，會給艦船操作人員帶來極大的負擔(dān)，因而艦船航行環(huán)境信息的采集、傳遞和存儲顯得非常重要[1–2]。艦船航行環(huán)境信息的實時采集并結(jié)合AIS 系統(tǒng)的使用可以極大地提升艦船在近海航行的安全性，同時也能夠為艦船的自動航跡規(guī)劃等提供有效輔助，從而大幅度降低艦船人員的操作難度。

在建立航道航行環(huán)境信息實時采集系統(tǒng)時，首先需要確定信息采集對象。對于普通艦船的航行而言，能夠影響艦船航行安全的航行環(huán)境包括當前海上的風(fēng)力等級、水流速度、光線能見度、航道的寬度和長度、航道內(nèi)船舶數(shù)量、障礙物以及航道的彎曲程度等。同時其他一些環(huán)境因素會在很大程度上影響艦船的作戰(zhàn)性能，特別是海上的風(fēng)力等級、海浪等都會在一定程度上影響作戰(zhàn)武器的性能發(fā)揮[3]。因而在艦船航行過程中需要實時對艦船的環(huán)境參數(shù)進行采集，并經(jīng)過一定地處理后傳輸?shù)脚灤骺刂婆撌?，而這些信息采集需要依賴溫度、濕度、壓強等傳感器，如果所有的傳感器都依賴線纜進行數(shù)據(jù)傳輸雖然傳輸?shù)木嚯x較遠，但是在布置各類傳感器時非常依賴線纜，因而后期很難移動傳感器的位置，安裝和維護的成本都較高，而使用無線網(wǎng)絡(luò)進行信號傳輸則不存在這種問題，無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點使用鋰電池或者固態(tài)電池供電，隨著半導(dǎo)體技術(shù)和嵌入式技術(shù)的不斷發(fā)展，傳感器和嵌入式處理器的能耗進一步降低，這也讓無線傳感網(wǎng)絡(luò)能夠得到更為廣泛的應(yīng)用。

本文在對無線網(wǎng)絡(luò)相關(guān)技術(shù)進行充分研究的基礎(chǔ)上，提出一種基于ZigBee 的艦船無線傳感網(wǎng)絡(luò)航行環(huán)境信息采集系統(tǒng)，在控制上采用嵌入式處理技術(shù)，因而具有極高的實時性和穩(wěn)定性。

1 ZigBee 技術(shù)

1.1 ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

在航行環(huán)境信息采集系統(tǒng)中傳感器數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量較小，因而構(gòu)建艦船的ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)具有較大優(yōu)勢。ZigBee 可以構(gòu)建出非常復(fù)雜的傳感器網(wǎng)絡(luò)，而不會受限于艦船的傳感器位置。ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)具有多種組網(wǎng)形式，包括Mesh 拓撲、樹形拓撲以及星形拓撲[4–5]。

1）星形拓撲：星形拓撲中包含一個協(xié)調(diào)者以及若干終端，所有的終端數(shù)據(jù)都由協(xié)調(diào)者進行轉(zhuǎn)發(fā)，終端的數(shù)據(jù)會受到協(xié)調(diào)者轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)能力的限制，因而并不適合應(yīng)用于艦船航行環(huán)境信息采集系統(tǒng)。

2）Mesh 拓撲：Mesh 拓撲包含一個協(xié)調(diào)者、若干路由以及若干終端，和星形拓撲不同，Mesh 拓撲的路由器之間可以互相通信，因而信息的轉(zhuǎn)發(fā)也更為靈活，同時后期可以通過優(yōu)化程序，讓Mesh 網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)能夠?qū)ふ页鲎顑?yōu)數(shù)據(jù)傳輸路徑，本文選擇Mesh 拓撲來構(gòu)建艦船航行環(huán)境信息采集系統(tǒng)。

3）樹形拓撲：樹形拓撲同樣包含協(xié)調(diào)者、路由器以及終端節(jié)點，終端節(jié)點和對應(yīng)的路由之間連接，一個特定的終端節(jié)點數(shù)據(jù)只能由特定的路由轉(zhuǎn)發(fā)，對于應(yīng)用層而言，整個樹形拓撲的結(jié)構(gòu)完全透明[6–7]。

1.2 ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系

圖1 為ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系結(jié)構(gòu)，它包括應(yīng)用程序框架、ZigBee 設(shè)備、應(yīng)用支持子層、網(wǎng)絡(luò)層、媒體介質(zhì)訪問層、物理層以及安全服務(wù)供應(yīng)商等，不同的層級之間使用不同的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，ZigBee 設(shè)備和應(yīng)用程序框架之間使用公共接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞。

圖1 不同ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)形式Fig. 1 Different ZigBee wireless network networking forms

圖2 ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系結(jié)構(gòu)Fig. 2 Architecture of ZigBee wireless network protocol

目前國內(nèi)的ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)采用的通信頻率為2.4 GHz，在將傳感器采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂浦行?，網(wǎng)絡(luò)層和MAC 層至關(guān)重要。網(wǎng)絡(luò)層通過使用一些標準化函數(shù)，將應(yīng)用層和MAC 層成功連接起來。無線網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點會受到能量傳輸?shù)南拗疲蚨褂枚嗵姆绞絹韺崿F(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞，多跳的工作原理是無線傳感器通過多個中間節(jié)點將采集到的數(shù)據(jù)傳輸出去，無限傳感器和目的節(jié)點之間會存在很多中間節(jié)點，路徑也不唯一，此時網(wǎng)絡(luò)層會根據(jù)目的節(jié)點和源節(jié)點之間的具體情況來選擇最優(yōu)傳輸路線，同時對無線網(wǎng)絡(luò)中的路由進行管理和維護，并對異常的路由進行分析和處理。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)整體設(shè)計

圖3 為艦船航行環(huán)境信息實時采集系統(tǒng)的整體架構(gòu)，在中央控制室的控制軟件可以和無線網(wǎng)絡(luò)傳感器實時通信，使用布置在艦船不同位置的傳感器進行信息采集并存儲到控制中心，并和AIS、GPS、雷達等信息進行綜合，最后匯總到艦船航行環(huán)境信息采集系統(tǒng)中。對環(huán)境信息的實時自動采集是艦船向智能化、無人化方向發(fā)展的重要基礎(chǔ)，目前有很多西方國家正在大力發(fā)展無人駕駛艦船，所有的自動駕駛能力都建立在對艦船環(huán)境信息感知的基礎(chǔ)上。

圖3 艦船航行環(huán)境信息實時采集系統(tǒng)架構(gòu)Fig. 3 Architecture of ship navigation environment information real-time acquisition system

圖4 無線網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點設(shè)計Fig. 4 Design of wireless network sensor node

艦船航行環(huán)境信息采集系統(tǒng)不僅包括了對當前溫度、浪高等信息的采集，還和AIS、GPS、雷達等其他系統(tǒng)進行通信，獲取當前艦船所在的實時位置以及當前航行線路上其他船舶的位置，并結(jié)合艦船的雷達數(shù)據(jù)信息，可以高度還原當前艦船周圍的航行環(huán)境信息。同時使用多個高清晰度攝像頭獲取艦船周圍的圖像，通過圖像處理可以在光線良好的天氣快速獲取艦船的環(huán)境信息，對整個航行環(huán)境信息采集系統(tǒng)提供有效輔助。獲取的所有航行環(huán)境信息通過艦船網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫系統(tǒng)控制中心軟件上，在軟件上對數(shù)據(jù)信息處理后實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時顯示。

2.2 無線網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點設(shè)計

采集的艦船航行環(huán)境信息包括溫度傳感器、浪高測量、壓強傳感器、海水鹽度傳感器等。無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點包含傳感器數(shù)據(jù)采集，模/數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、能量供應(yīng)以及無線收發(fā)模塊。無線傳感器的設(shè)計首先需要考慮能耗，由于無線網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點需要不斷采集數(shù)據(jù)并進行數(shù)據(jù)的傳輸，而未工作時則需要進入休眠狀態(tài)以節(jié)省能量消耗。無線網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點有3 種工作狀態(tài)，分別是數(shù)據(jù)收發(fā)狀態(tài)、休眠狀態(tài)以及空閑狀態(tài)，數(shù)據(jù)收發(fā)狀態(tài)消耗能量最多，因而在進行數(shù)據(jù)采集時需要合理地設(shè)置數(shù)據(jù)采集頻率，以保證系統(tǒng)能夠長時間的穩(wěn)定工作。

無線網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點中各部分的功能分別如下：

1）傳感器數(shù)據(jù)采集：傳感器數(shù)據(jù)采集是整個系統(tǒng)的核心，艦船在航行過程中的環(huán)境信息包含多個方面，特別是當前的海水溫度、浪高、壓強、海水鹽度的數(shù)據(jù)信息。海水溫度、壓強等都是常規(guī)信號采集，可以對當前艦船航行過程中的一些異常情況進行判斷。浪高傳感器主要是使用高度表在一段時間內(nèi)發(fā)送一定數(shù)量的脈沖，通過接收到返回的脈沖并進行一定的處理即可判斷出當前海浪的高度，同時可以通過多次測量來降低誤差。

2）模/數(shù)轉(zhuǎn)換：傳感器采集的大部分都是模擬信號，因而使用模/數(shù)轉(zhuǎn)換將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷進步，模/數(shù)轉(zhuǎn)換消耗能量極少。

3）數(shù)據(jù)處理：使用低功耗MCU 對數(shù)據(jù)進行處理，本文采用CSM32RV20，最低功耗小于1 μA，同時具有32 MHz 的工作頻率。MCU 在工作狀態(tài)下對數(shù)據(jù)處理完成后將當前數(shù)據(jù)發(fā)送到存儲模塊。

4）數(shù)據(jù)存儲：使用鐵電存儲器FM24CL04（4K）對數(shù)據(jù)進行臨時存儲。

5）能量供應(yīng)：采用高能量密度的鋰電池對無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點進行供電，并配置有穩(wěn)壓模塊、濾波模塊等，保證供電電壓和電流穩(wěn)定。

6）無線收發(fā)模塊：采用RFX2401C 作為無線收發(fā)模塊的核心控制芯片，通信頻率為2.4 GHz，采用IEEE 802.15.4 通信標準。

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

1）通信模塊：通信模塊是通過TCP 協(xié)議來獲取無線網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點的采集數(shù)據(jù)，TCP 協(xié)議是全雙工協(xié)議，因而可以面對多個無線網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點通信，同時對不同的節(jié)點設(shè)置不同的IP，這樣在同時接收不同節(jié)點的數(shù)據(jù)時就可以根據(jù)IP 地址和報文頭區(qū)分不同節(jié)點所測試的數(shù)據(jù)，也為后續(xù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析和處理提供了良好的基礎(chǔ)。

2）環(huán)境信息實時顯示模塊：通過通信模塊獲取數(shù)據(jù)后將采集好的數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫，并將這些數(shù)據(jù)進行分析和處理加以顯示，為了方便艦船船員查看和分析，提供實時數(shù)據(jù)分析、任意時段數(shù)據(jù)查詢以及異常數(shù)據(jù)報警等。

3）數(shù)據(jù)庫管理：艦船的航行數(shù)據(jù)實時采集不僅能夠幫助艦船實現(xiàn)安全航行，同時在某種程度上能對其他艦船提供輔助，因為當前采集的信息不僅包含了環(huán)境信息，同時還包括了海水深度、鹽度、浪高等信息，可以通過數(shù)據(jù)共享的方式對艦隊內(nèi)的其他艦艇提供幫助。對水文條件的測試和數(shù)據(jù)積累對艦船在今后這片海域內(nèi)的作戰(zhàn)具有很高的價值，使用數(shù)據(jù)庫對這些數(shù)據(jù)進行存儲，并且可以分析出不同時間段的地區(qū)海文環(huán)境數(shù)據(jù)。

為了方便數(shù)據(jù)庫管理，為艦船航行的實時采集數(shù)據(jù)提供統(tǒng)一的前綴標識，為RT_HJ，然后再加上數(shù)據(jù)類別，統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式能夠有效提升數(shù)據(jù)的管理效率。

2.4 ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集測試

對艦船航行環(huán)境信息采集系統(tǒng)進行測試，測試環(huán)境為將系統(tǒng)設(shè)置在某民用船舶上，并將各類傳感器固定在船舶的指定位置上。構(gòu)建ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)航行信息采集系統(tǒng)后，設(shè)置采集參數(shù)，其中鹽度采集頻率為6 分鐘一次，浪高采集頻率為30 s/次。鹽度采集時間從2022 年10 月3 號9：03：00-14：03：00。

浪高數(shù)據(jù)采集從2022 年10 月3 號13:05:00-13:10:00，得到的結(jié)果如圖5 和圖6 所示。

圖5 海水鹽度采集測試Fig. 5 Seawater salinity collection and testing

圖6 浪高采集測試Fig. 6 Test of wave height acquisition

可以看出，在實驗船舶上設(shè)置的無線傳感器節(jié)點可以有效將數(shù)據(jù)傳輸?shù)讲杉到y(tǒng)，通過使用其他測試儀器同步測量可以發(fā)現(xiàn)，本文構(gòu)建的無線網(wǎng)絡(luò)艦船航行環(huán)境數(shù)據(jù)信息采集系統(tǒng)，測試的數(shù)據(jù)具有較高的準確性。

3 結(jié) 語

本文提出一種基于ZigBee 無線傳感網(wǎng)絡(luò)的航行環(huán)境數(shù)據(jù)信息采集系統(tǒng)，得到的結(jié)論包括：

1）ZigBee 無線傳感網(wǎng)絡(luò)具有多種拓撲結(jié)構(gòu)，Mesh 拓撲結(jié)構(gòu)適用于艦船的無線傳感網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建；

2）ZigBee 無線傳感網(wǎng)絡(luò)中傳感器的數(shù)據(jù)傳遞依賴于多跳模式，根據(jù)目的節(jié)點和源節(jié)點之間的具體情況來選擇最優(yōu)傳輸路線，可以有效提升ZigBee 無線傳感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸效率；

3）構(gòu)建了艦船航行環(huán)境信息實時采集系統(tǒng)的整體架構(gòu)，重點設(shè)計了無線網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點，闡述了系統(tǒng)的軟件模塊的功能，并使用系統(tǒng)對海水鹽度及浪高進行了測試，證明了系統(tǒng)可以應(yīng)用ZigBee 無線傳感網(wǎng)絡(luò)對船舶航行環(huán)境信息進行有效測量，且具有較高的準確性。