无线网络的舰船航行环境信息实时采集

2023-09-01刘生学胡择宇朱航伯范海鑫

舰船科学技术 2023年14期

刘生学，胡择宇，朱航伯，范海鑫

(海军工程大学, 湖北武汉 430033)

0 引言

舰船在近海航行中会遇到很多由于环境所产生的问题，包括拥挤的航道、复杂的港湾配套设施等，会给舰船操作人员带来极大的负担，因而舰船航行环境信息的采集、传递和存储显得非常重要[1–2]。舰船航行环境信息的实时采集并结合AIS 系统的使用可以极大地提升舰船在近海航行的安全性，同时也能够为舰船的自动航迹规划等提供有效辅助，从而大幅度降低舰船人员的操作难度。

在建立航道航行环境信息实时采集系统时，首先需要确定信息采集对象。对于普通舰船的航行而言，能够影响舰船航行安全的航行环境包括当前海上的风力等级、水流速度、光线能见度、航道的宽度和长度、航道内船舶数量、障碍物以及航道的弯曲程度等。同时其他一些环境因素会在很大程度上影响舰船的作战性能，特别是海上的风力等级、海浪等都会在一定程度上影响作战武器的性能发挥[3]。因而在舰船航行过程中需要实时对舰船的环境参数进行采集，并经过一定地处理后传输到舰船各控制舱室，而这些信息采集需要依赖温度、湿度、压强等传感器，如果所有的传感器都依赖线缆进行数据传输虽然传输的距离较远，但是在布置各类传感器时非常依赖线缆，因而后期很难移动传感器的位置，安装和维护的成本都较高，而使用无线网络进行信号传输则不存在这种问题，无线传感网络节点使用锂电池或者固态电池供电，随着半导体技术和嵌入式技术的不断发展，传感器和嵌入式处理器的能耗进一步降低，这也让无线传感网络能够得到更为广泛的应用。

本文在对无线网络相关技术进行充分研究的基础上，提出一种基于ZigBee 的舰船无线传感网络航行环境信息采集系统，在控制上采用嵌入式处理技术，因而具有极高的实时性和稳定性。

1 ZigBee 技术

1.1 ZigBee 无线网络结构

在航行环境信息采集系统中传感器数据的数据量较小，因而构建舰船的ZigBee 无线网络具有较大优势。ZigBee 可以构建出非常复杂的传感器网络，而不会受限于舰船的传感器位置。ZigBee 无线网络具有多种组网形式，包括Mesh 拓扑、树形拓扑以及星形拓扑[4–5]。

1）星形拓扑：星形拓扑中包含一个协调者以及若干终端，所有的终端数据都由协调者进行转发，终端的数据会受到协调者转发数据能力的限制，因而并不适合应用于舰船航行环境信息采集系统。

2）Mesh 拓扑：Mesh 拓扑包含一个协调者、若干路由以及若干终端，和星形拓扑不同，Mesh 拓扑的路由器之间可以互相通信，因而信息的转发也更为灵活，同时后期可以通过优化程序，让Mesh 网络中的数据能够寻找出最优数据传输路径，本文选择Mesh 拓扑来构建舰船航行环境信息采集系统。

3）树形拓扑：树形拓扑同样包含协调者、路由器以及终端节点，终端节点和对应的路由之间连接，一个特定的终端节点数据只能由特定的路由转发，对于应用层而言，整个树形拓扑的结构完全透明[6–7]。

1.2 ZigBee 无线网络协议体系

图1 为ZigBee 无线网络协议体系结构，它包括应用程序框架、ZigBee 设备、应用支持子层、网络层、媒体介质访问层、物理层以及安全服务供应商等，不同的层级之间使用不同的网络通信协议，ZigBee 设备和应用程序框架之间使用公共接口实现数据的传递。

图1 不同ZigBee 无线网络的组网形式Fig. 1 Different ZigBee wireless network networking forms

图2 ZigBee 无线网络协议体系结构Fig. 2 Architecture of ZigBee wireless network protocol

目前国内的ZigBee 无线网络采用的通信频率为2.4 GHz，在将传感器采集到的数据传输到控制中心，网络层和MAC 层至关重要。网络层通过使用一些标准化函数，将应用层和MAC 层成功连接起来。无线网络传感器节点会受到能量传输的限制，因而使用多跳的方式来实现数据传递，多跳的工作原理是无线传感器通过多个中间节点将采集到的数据传输出去，无限传感器和目的节点之间会存在很多中间节点，路径也不唯一，此时网络层会根据目的节点和源节点之间的具体情况来选择最优传输路线，同时对无线网络中的路由进行管理和维护，并对异常的路由进行分析和处理。

2 系统设计

2.1 系统整体设计

图3 为舰船航行环境信息实时采集系统的整体架构，在中央控制室的控制软件可以和无线网络传感器实时通信，使用布置在舰船不同位置的传感器进行信息采集并存储到控制中心，并和AIS、GPS、雷达等信息进行综合，最后汇总到舰船航行环境信息采集系统中。对环境信息的实时自动采集是舰船向智能化、无人化方向发展的重要基础，目前有很多西方国家正在大力发展无人驾驶舰船，所有的自动驾驶能力都建立在对舰船环境信息感知的基础上。

图3 舰船航行环境信息实时采集系统架构Fig. 3 Architecture of ship navigation environment information real-time acquisition system

图4 无线网络传感器节点设计Fig. 4 Design of wireless network sensor node

舰船航行环境信息采集系统不仅包括了对当前温度、浪高等信息的采集，还和AIS、GPS、雷达等其他系统进行通信，获取当前舰船所在的实时位置以及当前航行线路上其他船舶的位置，并结合舰船的雷达数据信息，可以高度还原当前舰船周围的航行环境信息。同时使用多个高清晰度摄像头获取舰船周围的图像，通过图像处理可以在光线良好的天气快速获取舰船的环境信息，对整个航行环境信息采集系统提供有效辅助。获取的所有航行环境信息通过舰船网络传输到数据库系统控制中心软件上，在软件上对数据信息处理后实现数据的实时显示。

2.2 无线网络传感器节点设计

采集的舰船航行环境信息包括温度传感器、浪高测量、压强传感器、海水盐度传感器等。无线网络节点包含传感器数据采集，模/数转换、数据处理、数据存储、能量供应以及无线收发模块。无线传感器的设计首先需要考虑能耗，由于无线网络传感器节点需要不断采集数据并进行数据的传输，而未工作时则需要进入休眠状态以节省能量消耗。无线网络传感器节点有3 种工作状态，分别是数据收发状态、休眠状态以及空闲状态，数据收发状态消耗能量最多，因而在进行数据采集时需要合理地设置数据采集频率，以保证系统能够长时间的稳定工作。

无线网络传感器节点中各部分的功能分别如下：

1）传感器数据采集：传感器数据采集是整个系统的核心，舰船在航行过程中的环境信息包含多个方面，特别是当前的海水温度、浪高、压强、海水盐度的数据信息。海水温度、压强等都是常规信号采集，可以对当前舰船航行过程中的一些异常情况进行判断。浪高传感器主要是使用高度表在一段时间内发送一定数量的脉冲，通过接收到返回的脉冲并进行一定的处理即可判断出当前海浪的高度，同时可以通过多次测量来降低误差。

2）模/数转换：传感器采集的大部分都是模拟信号，因而使用模/数转换将模拟信号转换为数字信号，随着半导体技术的不断进步，模/数转换消耗能量极少。

3）数据处理：使用低功耗MCU 对数据进行处理，本文采用CSM32RV20，最低功耗小于1 μA，同时具有32 MHz 的工作频率。MCU 在工作状态下对数据处理完成后将当前数据发送到存储模块。

4）数据存储：使用铁电存储器FM24CL04（4K）对数据进行临时存储。

5）能量供应：采用高能量密度的锂电池对无线网络节点进行供电，并配置有稳压模块、滤波模块等，保证供电电压和电流稳定。

6）无线收发模块：采用RFX2401C 作为无线收发模块的核心控制芯片，通信频率为2.4 GHz，采用IEEE 802.15.4 通信标准。

2.3 系统软件设计

1）通信模块：通信模块是通过TCP 协议来获取无线网络传感器节点的采集数据，TCP 协议是全双工协议，因而可以面对多个无线网络传感器节点通信，同时对不同的节点设置不同的IP，这样在同时接收不同节点的数据时就可以根据IP 地址和报文头区分不同节点所测试的数据，也为后续系统数据分析和处理提供了良好的基础。

2）环境信息实时显示模块：通过通信模块获取数据后将采集好的数据存储到数据库，并将这些数据进行分析和处理加以显示，为了方便舰船船员查看和分析，提供实时数据分析、任意时段数据查询以及异常数据报警等。

3）数据库管理：舰船的航行数据实时采集不仅能够帮助舰船实现安全航行，同时在某种程度上能对其他舰船提供辅助，因为当前采集的信息不仅包含了环境信息，同时还包括了海水深度、盐度、浪高等信息，可以通过数据共享的方式对舰队内的其他舰艇提供帮助。对水文条件的测试和数据积累对舰船在今后这片海域内的作战具有很高的价值，使用数据库对这些数据进行存储，并且可以分析出不同时间段的地区海文环境数据。

为了方便数据库管理，为舰船航行的实时采集数据提供统一的前缀标识，为RT_HJ，然后再加上数据类别，统一的数据格式能够有效提升数据的管理效率。

2.4 ZigBee 无线网络数据采集测试

对舰船航行环境信息采集系统进行测试，测试环境为将系统设置在某民用船舶上，并将各类传感器固定在船舶的指定位置上。构建ZigBee 无线网络航行信息采集系统后，设置采集参数，其中盐度采集频率为6 分钟一次，浪高采集频率为30 s/次。盐度采集时间从2022 年10 月3 号9：03：00-14：03：00。

浪高数据采集从2022 年10 月3 号13:05:00-13:10:00，得到的结果如图5 和图6 所示。