基于无线自组网的船舶状态监测系统设计
2016-10-13丁连奎陈德军
丁连奎，叶 元，陈德军
基于无线自组网的船舶状态监测系统设计
丁连奎1，叶 元2，陈德军2
（1中海油田服务股份有限公司，北京101149；2武汉理工大学信息工程学院 ，武汉 430070）
分析了船舶综合状态监测系统信息传输网络的需求，提出了一种基于无线自组网的船舶状态监测系统的设计方案，对无线自组网协议进行了设计，对其组网过程进行了详细的分析，对监控系统的网络传输性能进行了测试，其结果证明了系统的可行性。上述解决方案能用于满足无线传输要求的船舶状态信息的传输，具有重要的理论和实际意义。
无线自组网 网络协议 船舶状态监测
0 引言
我国的船舶数量和种类也得到持续发展[1]，因此，应用现代技术提升船舶自身的安全管理，一直是航运安全的重要研究领域。
船舶航行安全状态实时监测系统是传感技术、网络技术、计算机技术相结合实现的对船体结构安全状态、船舶配载状态、船舱与驾驶室环境，以及主机、发电机和舵机等设备运行状态等进行实时监控[2]，为船舶安全运行提供分析与控制依据，以及早期的危险报警和损伤评估，从而大大提升船舶生存能力的综合监控系统。长期以来，其各类状态信号传输网络一直以现场总线技术为主。由于船上空间有限，船舶上的线缆铺设过多，从而造成故障查找和检修困难。如何减少有线网络的铺设，并提升船舶状态信息的传输能力，是近年来研究的热点问题。
无线传感器网络（Wireless Sensor Network, WSN）是由大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络[3]，以协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内被感知对象的信息。由于其无需布线、可动态组网，因此，自从其面世以来，就得到了各行各业的青睐。如果能将无线传感网络应用到船舶状态的采集，实现部分适合无线传输的船舶状态信号的传输，将有效减少船舶有线网络的布线，提升其监测对象的动态加入或退出能力，由此实现更为科学合理的船舶组网形式，为船舶的状态监测和网络维护提供更为便捷的方式。
基于上述思想，本文提出了一种基于无线自组网的船舶综合状态监测系统，对自组网的组网原理和组网过程进行了详细的分析，对组网的性能进行了具体测试，为船舶状态监控系统的发展提供了新的解决方案。
1 船舶综合状态监测系统设计
1.1 基于无线自组网的船舶综合状态监测系统架构
如图1所示，本系统架构采用分层分簇的组网形式，根据其功能将其分为三种不同形式的节点，即汇聚节点、路由节点、传感节点，且它们分别处于不同的信息传输与处理层次，各层功能既独立又相互联系。
实际运行中，传感节点主要负责对船舶监测区域各种状态数据的采集，对采集到的数据解析编码后通过自组网络传输到上层的路由节点。路由节点负责对接收到的数据进行转发和对传感节点的管理，然后将船舶状态数据传输到上层的路由节点或者汇聚节点。汇聚节点通过串口将船舶状态数据传输到船舶综合状态监测管理平台。船舶状态监测管理平台负责对这些数据进行分析存储与显示，还负责对网络中各节点进行管理。此外，该平台还对外提供移动终端的服务，方便管理人员随时随地通过安卓客户端实时查看到船舶的状态信息。上述分层结构可以大大降低网络的复杂度，同时也可以降低终端节点的功耗。
1.2 无线自组网协议设计
1.2.1 MAC协议设计
MAC协议对于无线传感网络的通信质量至关重要，其主要功能包括对于信道的划分与节点功耗控制等[4]。本系统采用分层分簇结构，传感节点大部分时间工作在休眠模式，而汇聚节点与路由节点没有低功耗的要求。图1中，汇聚节点与路由节点之间的通信选用CC2500芯片完成实现，路由节点与路由节点和路由节点与传感节点之间通信选用nRF905芯片实现。上述射频芯片具备载波帧听机制，应用上述特点，本文结合TDMA协议，设计了适用于船舶状态监测的混合型MAC层协议[5,6]，具体描述如下：
1）汇聚节点与路由节点没有低功耗的要求，设定其在闲时一直处于信息接收状态。传感节点大部分时间工作在休眠状态，定时唤醒发送采集的船舶状态信息与心跳信息。并且汇聚节点不直接与传感节点通信，传感节点与传感节点之间也不需要相互通信，减少了网络的复杂程度，降低了功耗。
2）传感网络中的所有节点都具有唯一的物理地址，广播时采用通用信道和通用物理地址，单播时采用私有物理地址。
3）汇聚节点与路由节点之间通信：在路由节点入网之前，通信过程为路由节点以广播形式发送入网请求，汇聚节点收到请求后，处理消息格式，判断节点地址是否已满，如果子节点地址空间未满，则立即回复入网信息，信息中包括父节点分配给此路由节点的网络地址。路由节点在收到汇聚节点回复的信息后，正确回复ACK，并设置此路由节点网络地址为汇聚节点分配的网络地址。如果汇聚节点中子节点地址空间已满，则拒绝其入网。路由节点入网成功后，汇聚节点与路由节点使用网络地址进行通信，即以私信的形式完成通信过程。
4）传感节点与路由节点之间通信：入网之前的通信形式与上述形式相同。入网成功后，传感器节点定时唤醒向父节点发送传感器采集到的船舶状态信息与心跳信息，通信过程结束后，切换到休眠状态。其MAC层协议如图2所示。
1.2.2 系统路由协议设计
系统的路由协议的设计关系到网络的性能及质量。因此本系统的网络拓扑采用的是分层分簇的形式。本文中传感节点大致分布在船舶机舱、船舱、发动机仓等。根据其传感节点的区域分布，位于同一区域的传感节点组成一个簇，如果同一区域传感节点分布较多，则分成多个。每个区域都有一个或多个簇头，这些簇头即路由节点。簇头的作用在于管理这一区域的传感节点或者转发传感节点采集的船舶状态信息。接下来路由节点将收到的状态信息转发给汇聚节点，汇聚节点然后通过串口转发给船舶综合状态监测管理平台。至此一次通信过程完成。并且路由节点与传感节点之间收发器采用CC2500，而路由节点与汇聚节点之间通信采用nRf905，避免了通信串扰。此分层的路由协议相较于其他的路由协议来说网络结构简单，层次清晰，管理更加方便。
本文参考了Zigbee路由机制以及LEACH协议等，根据系统特点设计了船舶状态监测网络的路由协议[7]。文中汇聚节点与路由节点都固定不变，传感器节点与汇聚节点之间通过路由节点为中继，网络由汇聚节点发起建立。系统路由结构如图33所示。系统中的路由节点相当于LEACH中的簇头，路由结构与Zigbee中的树形网络结构类似。由于路由节点只负责转发船舶数据信息，本系统的路由机制相比于这两种协议要简单很多。系统路由协议描述如下：
1）网络的建立与新设备加入过程
网络建立过程：汇聚节点收到来自船舶状态监测管理平台的组网命令后，开始监听网络中的请求入网信息。当收到路由节点入网请求信息后，如果汇聚节点子节点地址空间未满，则允许其入网，分配对应的路由节点网络地址并回复此路由节点。路由节点入网成功后处于监听状态，接收来自其他节点的信息。接着，传感节点上电后开始发送入网请求。路由节点收到信息后检查其地址空间。当地址空间未满时，回复子节点信息，分配其网络地址允许入网。当地址空间已满时，拒绝其入网。
2）网络地址分配
系统中采用了与Zigbee协议类似的路由机制[8]。网络中的汇聚节点规定了设备最多可以拥有的子设备数量，还规定了子设备中路由器的数量。船舶状态监测网络中的所有节点在烧写固件时就规定了其物理地址。入网成功后由其父节点分配其唯一的网络地址。设备的网络地址分配主要有3个网络参数组成：网络中每个父节点能够连接的最大的子节点数目，最大网络深度，子节点中路由节点的最大个数。网络深度为的父节点为其子节点分配的网络地址偏移量C可根据公式（1）计算获得：
只有当Cskip(d)大于0时，该节点才能够允许子节点的加入。其中给路由节点分配的网络地址公式为（2），终端传感节点的网络地址由公式（3）确定。其中index为子节点的序号。
系统中设定=246、=3、=6，即最大传感节点数为246-6=240，最大子路由数为6，最大深度为3。根据以上公式可计算下面如图3所示的地址分配结构图。
节点入网后，网络内的所有节点用网络地址互相通信，当路由节点收到数据时，先判断不等式，其中为源网络地址，为深度为的路由地址。如果该不等式成立，则表示源节点为该路由点的子节点，如果不是则表示目的节点在其他路由节点下。
1.2.3 网络性能保障机制
为了保证网络传输的可靠性，额外采取如下抗干扰措施。
信号避碰机制。由于系统中多对节点都是在同一信道下进行数据传送的，当在同一时刻有多个节点发送数据时，容易产生信号叠加问题，导致接收数据错误。本系统为了尽量减少信号碰撞，在不同层次之间，节点之间的通信采用不同的射频芯片。并且采用的收发模块nRF905与CC2500 都自带有物理载波侦听机制，发送信息前会侦听所用信道是否空闲，信道空闲时才发送数据，忙时会延时发送。
串扰避免机制。节点收到并处理不是发给本节点的数据的现象称为串扰。当网络中节点较多，数据流较大的时候容易造成串扰，结果就是节点可能错过特定的数据包，造成能量的浪费。本系统在协议中通过地址匹配与信道分配来避免串扰问题。本系统中由于每p class="content"点存在唯一的物理地址，入网成功后又分配了唯一的网络地址，节点收到数据时首先进行地址匹配，当地址不匹配时马上进入指定状态，匹配时进行下一步处理，能够有效地减少串扰问题。
网络自愈功能。本系统采用无线传感网络，节点在系统中是自动并且随时入网的。当节点由于断电或其他异常状况与网络断开时，节点会根据自身状态重新申请入网。保障整个无线传感网络的通信质量。
2系统的实现结果与传输性能测试
2.1系统的实现结果分析
按照2.1节的系统架构图，对船舱、机舱的温度、湿度、烟雾等船舶环境状态信息进行监测，通过无线传感网络传输，在监测管理平台显示出接收到的船舶状态信息如图5所示。折线图中的状态量随着时间的变化而改变。如图5所示，显示了各传感节点的在线信息。灰色表示离线，黄色表示在线。图6透明地反应了各传感节点的在线信息，还可以根据船舶状态监测需求，合理配置传感节点数量，因此，让无线网络部署方便，维护容易。
2.2系统传感网络节点性能测试
无线传感网络性能测试主要包括节点通信距离与信息收发测试。本系统中采用了两种短距离通信模块，经过测试，其结果如下：
1）CC2500通信测试结果
CC2500网络性能测试时采用点对点通信。通过串口调试助手显示测试结果。本次测试以发送1000条数据为例。结果如表1所示。
2）nRF905
nRF905点对点测试机器发射速率为50 kbps，测试中发送1000条数据，通过串口调试助手显示测试结果。其结果如表2所示。
对比测试结果，无线收发模块从传输距离与通信成功率上来看，均满足系统需求。根据其测试结果，可设置CC2500传输速率10 kbps，功率为0 dBm；设置nRF905传输速率为50 kbps，功率为0 dBm。
3 结束语
论文分析了当前船舶状态监测系统网络传输功能的发展需求，针对现有方案的不足，提出了基于无线传感网的船舶状态监测系统设计方案。结合了Ad hoc 网络和无线传感网的特点，根据其应用背景，实现了基于无线自组网的MAC层协议与路由协议设计，并在此基础上实现了船舶状态的采集与报警功能，为船舶状态监测提供了一种新的实现途径。
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1003-4862（2016）05-0072-05
2016-04-09
