基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的船艙環(huán)境監(jiān)視系統(tǒng)

劉豐華

(順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院，廣東 佛山528300)

0 引 言

近年來，隨著造船科技的蓬勃發(fā)展，船舶的構(gòu)造和采用的設(shè)備亦越來越復(fù)雜。同時(shí)，在船舶結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜的情況下，船舶航行過程中的穩(wěn)定性和安全性也受到了前所未有的關(guān)注。例如引擎故障、供電線路短路、氣體及液體泄漏等，都可能會對航行安全造成致命的威脅。尤其對于運(yùn)輸易燃易爆、有毒化學(xué)品的船舶來說，溫度、濕度、壓力等的變化以及貨物自身的變化等，都有可能引起火災(zāi)、爆炸、泄漏等事故［1-2］。

通過研究以往的事故記錄可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)位于船艙或甲板的事故時(shí)，已經(jīng)沒有時(shí)間采取必要的措施對事故進(jìn)行處理或逃生，從而會造成難以挽回的重大損失。因而，對船艙和各個(gè)機(jī)室進(jìn)行監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)船艙環(huán)境的異常，并給出迅速的預(yù)警信號，對預(yù)防船舶事故以及船舶災(zāi)控等，具有重大意義［3］。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一種新型的信息獲取和處理手段，具有體積小、部署開銷小、低功率要求、自組織等優(yōu)點(diǎn)。近年來，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)得到了廣泛的應(yīng)用，在軍事領(lǐng)域、健康領(lǐng)域、住宅、商業(yè)領(lǐng)域等取得了顯著成績［4-5］。例如，利用聲學(xué)傳感器可以在戰(zhàn)場中實(shí)時(shí)探測和計(jì)算狙擊手的位置;通過在人的皮膚表面部署傳感器，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的生理指標(biāo)監(jiān)控。除此之外，自動(dòng)化的家庭管理，商品物流信息的獲取和監(jiān)控等均是當(dāng)前較為成熟的應(yīng)用案例。

本文提出一種基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的船艙環(huán)境監(jiān)視系統(tǒng)，該系統(tǒng)將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于船艙監(jiān)視領(lǐng)域，使用多種傳感器，能夠?qū)崟r(shí)、智能地監(jiān)測船舶內(nèi)部發(fā)生的各種異常，并及時(shí)發(fā)出警報(bào)信息。本文設(shè)計(jì)了整個(gè)系統(tǒng)的框架，并對若干關(guān)鍵技術(shù)，如路由技術(shù)、三維定位技術(shù)進(jìn)行了研究，并通過實(shí)驗(yàn)證明了本文提出方法的可行性。

1 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

本文提出的系統(tǒng)主要包含無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和岸艦通信網(wǎng)絡(luò)2個(gè)部分。船艙環(huán)境信息由傳感器節(jié)點(diǎn)收集完畢之后，通過各種類型的傳感器節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)，發(fā)送給部署在船舶上的基站，各種信息在基站匯聚，并通過無線網(wǎng)絡(luò)將處理的信息發(fā)送給中央控制器和岸基監(jiān)控中心?；竞桶痘O(jiān)控中心通過船舶INMARSAT 站、INMARSAT 衛(wèi)星和INMARSAT 地面站連接，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的監(jiān)控、分析和預(yù)警。船舶和岸基監(jiān)控中心的通信網(wǎng)絡(luò)已是一種成熟的技術(shù)，因此，本文主要研究的是船舶無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)。系統(tǒng)的總體框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)基本框架圖Fig.1 The structure of the system

船舶傳感器網(wǎng)絡(luò)主要由傳感器節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)和基站組成。

傳感器節(jié)點(diǎn)由傳感器、數(shù)據(jù)處理模塊、RF 模塊、電源模塊4個(gè)部分組成。其中傳感器主要指多種類型的傳感器設(shè)備，如溫度傳感器、壓力傳感器、氣體傳感器等;數(shù)據(jù)處理模塊是整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理中心，包括內(nèi)存、嵌入式CPU，負(fù)責(zé)控制整個(gè)傳感器，將本節(jié)點(diǎn)收集的數(shù)據(jù)或外部節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)存儲起來并進(jìn)行處理;RF 模塊負(fù)責(zé)和其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，交換控制信息、發(fā)送或接收收集到的數(shù)據(jù);電源模塊為整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)收集和通信過程提供電力。

當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)的周邊環(huán)境較為穩(wěn)定時(shí)，則該節(jié)點(diǎn)進(jìn)入睡眠模式，以節(jié)省能量消耗，并且使用心跳協(xié)議向基站表明，該節(jié)點(diǎn)是否正常工作。

中繼節(jié)點(diǎn)是連接封閉船艙內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)與外部的唯一通路，同時(shí)也是傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)到達(dá)基站的跳板。考慮到船艙的內(nèi)部構(gòu)造對無線信號的遮擋作用，廣泛的采用中繼節(jié)點(diǎn)十分必要。

最終，整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)被匯聚到基站?；究梢允? 臺服務(wù)器，也可以是1 臺PC，并且與網(wǎng)關(guān)相連，能夠接收傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的各種數(shù)據(jù)。服務(wù)器通過接收實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，對船舶各個(gè)艙室和設(shè)備的運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控，對異常情況作出合適反應(yīng)，同時(shí)能夠通過海事衛(wèi)星和Internet，向岸基監(jiān)控中心報(bào)告當(dāng)前的船舶狀態(tài)，并獲得相應(yīng)指令。

2 關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 高效的路由技術(shù)

在船舶無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，由于傳感器節(jié)點(diǎn)的發(fā)送和接收功率有限，以及船艙的密閉式結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致在大范圍的傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳輸范圍無法覆蓋整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，因而傳感器節(jié)點(diǎn)和基站之間無法直接傳遞數(shù)據(jù)。因此，為了保證傳輸過程的實(shí)時(shí)性和經(jīng)濟(jì)性，我們必須設(shè)計(jì)一種適用于船舶環(huán)境的，高效、低能耗、多跳的路由算法。

當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測的數(shù)據(jù)產(chǎn)生較大幅度的波動(dòng)時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)開始啟動(dòng)路由算法，并通過多跳方式將消息發(fā)送給基站。另一方面，如果傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測到的數(shù)據(jù)非常平穩(wěn)，則傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)入睡眠模式，以節(jié)省能量消耗。除此之外，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都將使用一個(gè)心跳協(xié)議，采用間歇性通信的方式，告訴其周邊的節(jié)點(diǎn)自身的工作狀態(tài)。

當(dāng)前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的路由方法是研究的熱點(diǎn)之一，已經(jīng)具備了較多的學(xué)術(shù)成果，并得到了廣泛應(yīng)用。其中主要的幾種有:基于優(yōu)先級的多徑路由 (Priority based Multi-path Routing Protocol，PMRP)、大范圍多跳路由協(xié)議(Free Scale- Multi Hop routing protocol，F(xiàn)SSMH)等。根據(jù)本文應(yīng)用的具體場景，本文主要采用PMRP 作為路由協(xié)議，PMRP的主要特點(diǎn)為能夠采用多徑傳輸，大大提高了消息傳遞的可靠性。由于在船舶環(huán)境中，自然條件較為惡劣，同時(shí)船艙的密閉結(jié)構(gòu)，均會對無線信道的性能產(chǎn)生較大的影響。而PMRP 采用的多路徑傳輸模式，恰好能夠消除這種不穩(wěn)定性，通過選擇信號強(qiáng)度大的節(jié)點(diǎn)，能夠使用超過一條無線信道進(jìn)行傳輸，大大增加了消息傳遞的成功概率。

在傳統(tǒng)無線傳感器路由方法中，關(guān)注的往往是可達(dá)性:使用盡量少的跳數(shù)，將消息由源節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)交?。然而，在?shí)際的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，首先應(yīng)當(dāng)考慮的是能耗的經(jīng)濟(jì)性，而非可達(dá)性。為此，本文在使用PMRP的基礎(chǔ)上，同時(shí)應(yīng)用了改進(jìn)的MAC 層協(xié)議CSMA/SF。

CSMA/SF 是近兩年新提出的無線MAC 層協(xié)議，其主要關(guān)注的是如何節(jié)省傳感器節(jié)點(diǎn)的能耗。其主要思路是，通過MAC 層調(diào)度，使得具有較短消息的傳感器節(jié)點(diǎn)首先發(fā)送消息，具有較長消息的傳感器節(jié)點(diǎn)等待。這樣減少了全局的等待時(shí)間，從而減少了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的整體能耗，同時(shí)，又利用一定的超時(shí)機(jī)制，有效防止了部分節(jié)點(diǎn)過度饑餓的問題發(fā)生，在節(jié)省能耗的基礎(chǔ)上，有效保證了消息傳遞的時(shí)延。

2.2 三維定位技術(shù)

空間定位是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要解決的基本問題之一。由于船舶無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署范圍和使用規(guī)模較大，因而每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的位置分布較廣，難以直接獲取。因而，當(dāng)傳感器發(fā)現(xiàn)異常，并給出警報(bào)之后，有效快速地對該傳感器進(jìn)行定位，并采取適當(dāng)?shù)奶幚泶胧?，顯得尤為重要。為此，我們需要研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在三維空間中的定位問題。

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位問題研究成果中，大多數(shù)研究的是在二維平面的定位問題，對三維空間的定位問題研究較少。根據(jù)是否需要測量節(jié)點(diǎn)與基站之間的距離，可以將定位方法分為兩類:一種是基于范圍的定位，另一種是非基于范圍的定位。其中DV-Hop 是一種典型的非基于范圍的方法，在這種方法中，事先已經(jīng)知道了網(wǎng)絡(luò)中每一跳之間的距離，因而可以通過消息傳遞的跳數(shù)，獲得傳感器節(jié)點(diǎn)和基站之間的距離，進(jìn)而可以獲得節(jié)點(diǎn)的地理位置。TOA (Time of Arrival)、TDOA (Time Different on Arrival)和 RSSI (Received Signal Strength Indication)術(shù)語基于范圍的方法。在他們之中RSSI因?yàn)槠鋸?fù)雜性低、部署開銷小等優(yōu)勢，成為了應(yīng)用最為廣泛的方法之一。

RSSI 方法是指根據(jù)接收到信號的強(qiáng)度和基站發(fā)射信號的強(qiáng)度，通過傳播模型我們可以計(jì)算出傳感器節(jié)點(diǎn)和基站之間的距離。RSSI 提供了一種靈活的方法，來估計(jì)傳感器節(jié)點(diǎn)之間的距離，并且它不需要對硬件做任何的改動(dòng)，只需其能夠收發(fā)無線電信號即可。RSSI 主要的缺點(diǎn)是在實(shí)際應(yīng)用場景中，這種方法較不穩(wěn)定，容易受到其他信號的干擾而造成距離估計(jì)的誤差。由于多徑傳播，衍射和遮蔽效應(yīng)等，可能會造成距離估計(jì)的錯(cuò)誤，因此我們需要繼續(xù)研究如何提高無線信道的穩(wěn)定性以及定位的精確性。

基于位置映射的定位方法和基于馬爾科夫鏈的定位方法是典型的RSSI 方法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明以上經(jīng)過改進(jìn)的RSSI 方法要比傳統(tǒng)的RSSI 方法具有更好的效果，因而，本文采用基于馬爾科夫鏈的定位方法。并且，在一些研究成果中，還采用了位置指紋、RF 傳輸參數(shù)的線性回歸和等邊三角形原則等，來提高定位的精確性。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

由于船舶自身的鋼結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可能會對無線信號的傳輸造成較為嚴(yán)重的遮蔽、反射作用，因而在真實(shí)船舶環(huán)境中，對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的使用效能進(jìn)行驗(yàn)證是必要的。為了驗(yàn)證本文提出方法的可行性，于2014年春季選取了實(shí)驗(yàn)船舶，并在該船舶中進(jìn)行了試驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)主要對船艙以及引擎艙的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行了監(jiān)控和收集，并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了記錄。

選取的實(shí)驗(yàn)船舶為普通中型船舶，全艦長116 m，艦寬18 m，設(shè)計(jì)吃水深度5.4 m，總載重量為6 106 t。在實(shí)驗(yàn)船舶上，裝備了導(dǎo)航設(shè)備、海洋工程設(shè)備、貨物儲存和轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備等多種常見的船舶設(shè)備，其擁有包括船員宿舍、輪機(jī)艙在內(nèi)的多個(gè)艙室，并具備多種設(shè)備的維護(hù)和操作艙室、特殊貨物的貯存艙室等。

整個(gè)實(shí)驗(yàn)船舶的甲板由以下部分組成，最下層為船艙內(nèi)底，之后為二層甲板、主甲板、上層甲板、救生艇甲板、船長甲板、導(dǎo)航甲板和羅經(jīng)甲板。主引擎室和附屬引擎室位于船舶后部的主甲板上。

在實(shí)驗(yàn)過程中主要使用了4個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，其中一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)部署在艦橋，2個(gè)節(jié)點(diǎn)部署在引擎室，另一個(gè)節(jié)點(diǎn)部署在其他艙室。實(shí)驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)如圖2所示，整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)鋱D如圖3所示。對本文提出方法的實(shí)現(xiàn)和實(shí)際的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，證明了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)對于船艙環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并能夠?qū)Υ摰漠惓Ｇ闆r發(fā)出相應(yīng)的警報(bào)。

圖2 節(jié)點(diǎn)2 氧濃度數(shù)據(jù)Fig.2 The oxygen density in node 2

圖3 傳感器節(jié)點(diǎn)拓?fù)鋱DFig.3 The topology of wireless sensor network

圖4 傳感器節(jié)點(diǎn)消息Fig.4 The message of the sensor node

本文提出的方法已經(jīng)在一定范圍內(nèi)得到了應(yīng)用，在下一步工作中，將主要研究如何提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸穩(wěn)定性，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的可用性和可靠性。

其中Node2，Node4，Node6，Node7 為傳感器節(jié)點(diǎn)，Node3001，Node3002 為中繼節(jié)點(diǎn)，Base 0 為基站。由圖3所示，Node 7 收集到的信息首先發(fā)送給Node 2，之后經(jīng)過中繼節(jié)點(diǎn)的傳輸，發(fā)送給基站;而Node4 與中繼節(jié)點(diǎn)之間的距離較短，可以直接和中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信;除此之外，Node 6 被部署在艦橋，因而可以直接和基站進(jìn)行通信。

在本試驗(yàn)中通過收集每個(gè)節(jié)點(diǎn)真實(shí)、實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)，來獲得實(shí)際的使用效果，從每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)接收到的消息如圖4所示。

4 結(jié) 語

本文研究了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在船舶環(huán)境監(jiān)控中的應(yīng)用，提出了一種基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的船艙環(huán)境監(jiān)視系統(tǒng)，并且分析了該系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，如多跳中繼傳輸與路由、三維定位技術(shù)等，并通過在真實(shí)船舶中的實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了本文提出方法的有效性。通過

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