基于LoRa技術(shù)的智能航標監(jiān)管系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

蔡夢揚 宋庭新

摘要：為了改善傳統(tǒng)航標管理方式中管理效率低下及管理成本較高等缺點，針對傳統(tǒng)內(nèi)河航道的航標設(shè)計了一種基于LoRa技術(shù)的智能航標監(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)實現(xiàn)與遠程監(jiān)控系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)了水文氣象信息和航標位置實時監(jiān)測以及航標智能化管理，一定程度上提高了航標管理效率，同時降低了管理成本。

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

DOI： 10. 11907/rjdk.191749

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A

文章編號：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

航標是確保航運安全的重要設(shè)施，加強航標管理是實現(xiàn)水路運輸暢通、高效、平安、綠色的重要保證。美國于20世紀末在夏威夷召開的第十三屆國際航標大會上提出航標信息管理系統(tǒng)[1]，目前在實現(xiàn)航標設(shè)備自動化基礎(chǔ)上，逐步開展了以內(nèi)河水域航標監(jiān)控為主的航標系統(tǒng)白動化，并開始建立航標數(shù)據(jù)庫和組建航標信息系統(tǒng)，從而實現(xiàn)航標管理白動化[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，在船舶航行與航標管理中取得了相當成效[3]。但由于缺乏互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用，航標監(jiān)控系統(tǒng)仍存在一些不足，如低功耗、實時性、穩(wěn)定性等性能優(yōu)化問題尚未得到解決。在航標管理方式選用方面，我國基本采用傳統(tǒng)方式管理航標，由巡邏船定期檢查航標燈是否存在故障，對存在故障的航標進行維修。因此，現(xiàn)有航標管理方式存在管理成本高及管理效率低下的問題。本文針對目前航標管理弊端以及航標監(jiān)控技術(shù)上的不足，研發(fā)了一種基于LoRa通信技術(shù)的智能航標監(jiān)管系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以對航標燈進行實時遠程監(jiān)控，及時了解航標地理信息及各項水文氣象信息[4];通過航標燈GPS定位，對航標偏移進行預(yù)警，迅速捕捉偏移量較大的航標燈，及時調(diào)派維修人員赴現(xiàn)場進行位置調(diào)整，確保航標燈處于正常位置和狀態(tài)，提高了通航的安全性，同時也提高了航標管理效率，對內(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個方面：一是根據(jù)采集到的航標GPS信息以經(jīng)緯度定位的形式將航標顯示在監(jiān)控界面中，可以通過航標的不同類型以及所屬不同航段進行篩選查詢定位;同時每個航標的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)點模塊與控制中心系統(tǒng)組成[5]，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點模塊采用RasberrvPi和Linux嵌入式系統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模塊設(shè)計[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，通過對數(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)提供實時數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)對航標各項數(shù)據(jù)的到的各項水文氣象信息需要顯示在對應(yīng)航標的信息窗口;二是針對航標的位置偏移，當偏移量達到設(shè)定的預(yù)報預(yù)警值時，在系統(tǒng)中需要有相應(yīng)的通知，根據(jù)此通知進行航標相關(guān)問題處理;三是對航標進行維護維修管理，根據(jù)擬定的維護維修方案，對航標進行各項檢查，處理航標存在的故障。根據(jù)上述業(yè)務(wù)需求，設(shè)計系統(tǒng)功能模塊如圖1所示。存儲和管理。中間層運用Socket通信將地理信息與各項水文氣象信息插入服務(wù)器中對應(yīng)的后臺數(shù)據(jù)庫表，數(shù)據(jù)庫中存儲實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，進一步對航標數(shù)據(jù)進行存儲和管理。底層是后臺監(jiān)管系統(tǒng)，用于對航標進行監(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，在請求數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)時運用Ajax技術(shù)，其最大特點是提供異步更新機制，將網(wǎng)頁中的一部分單獨刷新，利用該特性將航標的地理信息和各項水文氣象信息實時加載到前臺。 3 基于LoRa技術(shù)的通信設(shè)計

LoRaWAN是一種低功耗廣域協(xié)議（LPWAN），LoRa技術(shù)具有遠距離、低功耗、多節(jié)點、低成本的特性，是一種基于擴頻技術(shù)的超遠距離無線傳輸方案，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主要在全球免費頻段運行，包括433、868、915MHz等[9]。

系統(tǒng)LoRa通信設(shè)計采用服務(wù)器一網(wǎng)關(guān)一節(jié)點的連接方法，觀測信息通過終端讀取并在終端輸入命令反饋給節(jié)點[10]，節(jié)點和網(wǎng)關(guān)之間通過天線匹配的方式進行連接和信息傳輸。節(jié)點部分主要完成各項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、氣象節(jié)點、航標節(jié)點等。各無線傳感器節(jié)點采集的信息分別為：①水文節(jié)點，實時采集水的深度、流動速度、流動方向等信息;②氣象節(jié)點，實時采集各項氣象信息;③航標節(jié)點，實時采集航標位置信息。在通信軟件設(shè)計方面，為了讓軟件實時監(jiān)測顯示各節(jié)點采集信息，程序中定義了各節(jié)點信息初始值，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)點采集的新數(shù)據(jù)時都會更新顯示，同時展示出數(shù)據(jù)變化趨勢及具體變化情況，通過檢驗設(shè)備測試和鏈接狀態(tài)驗證數(shù)據(jù)準確性。

LoRa網(wǎng)關(guān)設(shè)計中多個程序需要在網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)下運行，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，當檢測到網(wǎng)絡(luò)丟包率為0時才會啟動。在進行網(wǎng)絡(luò)連接后，需要對網(wǎng)卡進行設(shè)置，定義特定參數(shù)。同時，使用者還需要獲取操作權(quán)限，否則將無法進行后續(xù)操作。在完成設(shè)置并獲取權(quán)限后，即可進行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)議是通信計算機雙方必須共同遵從的協(xié)議，計算機之間使用該協(xié)議才能進行交流。在建立協(xié)議之后，需將LoRa網(wǎng)關(guān)的用戶界面建立起來，完成計算機之間的信息傳輸。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后臺監(jiān)管系統(tǒng)軟件設(shè)計

本監(jiān)管系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)和SSM框架進行開發(fā)，SSM框架結(jié)構(gòu)如圖4所示。其中，Spring框架作為一個無侵入式的輕量級框架，通過Spring提供的IoC容器，可以將對象之間的依賴關(guān)系交由容器進行控制，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，實現(xiàn)前端頁面與后臺業(yè)務(wù)邏輯松耦合連接，而且采用MVC設(shè)計模式能很清楚地將程序員與設(shè)計者的角色區(qū)分開。Mvhatis作為持久層框架，支持白定義SOL語句、存儲過程以及高級映射，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)工具選擇了具有標準化接口與松散耦合特點的Eclipse，有利于本系統(tǒng)與其它系統(tǒng)的集成及今后擴展升級[14]。

為實現(xiàn)前端頁面動態(tài)展示效果和增加用戶體驗，系統(tǒng)采用EasvUI技術(shù)進行界面開發(fā)。通過使用EasvUI，開發(fā)者只需編寫一些簡易的HTML標記，即可達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，將實時加載到的航標地理信息通過經(jīng)緯度定位的方式顯示到前臺頁面，將實時加載到的各項水文氣象信息展示到對應(yīng)航標的屬性窗口，以達到遠程航標監(jiān)控效果。

為了實現(xiàn)智能航標監(jiān)管的實用性和科學(xué)性，根據(jù)航標監(jiān)管的業(yè)務(wù)需求，系統(tǒng)設(shè)計了航標監(jiān)控、航標偏移預(yù)報預(yù)警、備品備件管理以及航標維護維修管理4個核心業(yè)務(wù)功能，其功能如下：

（1）航標監(jiān)控。主要對航標進行實時監(jiān)控，可根據(jù)指定航段和指定種類的航標獲取航標地理信息以及各項水文氣象信息，從而更好地實現(xiàn)航道信息化和數(shù)字化[16]。

（2）航標偏移預(yù)報預(yù)警。主要針對水流以及風(fēng)力等因素作用下偏移量較大的航標，實施偏移預(yù)報預(yù)警機制調(diào)度人員對其位置進行調(diào)整，使其在正常位置上工作運行，從而提高航道安全性[17]。

（3）備品備件管理。主要對航標相關(guān)備品備件進行管理，當備品備件出庫或入庫時對其進行出入庫登記[13]。

（4）航標維護維修管理。主要包括維護維修方案和維護維修計劃，根據(jù)制定的維護維修方案，對航標進行系統(tǒng)檢查，記錄存在故障的航標，調(diào)派維修人員對其進行維修，保證航標能正常運行，從而達到安全通航效果”1。

航標監(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)的智能航標監(jiān)管系統(tǒng)，主要針對內(nèi)河航道航標燈，實現(xiàn)實時監(jiān)控和智能化位置偏移預(yù)報預(yù)警。該系統(tǒng)可以有效降低航標燈維護成本、提高管理效率，對航標燈進行有針對性而及時的維護與檢修[20]，使航標管理人員能夠迅速掌握航標相關(guān)信息，并能對航標燈進行遠程監(jiān)控[21]。在航標日常管理中，系統(tǒng)可針對維護維修計劃進行維護維修流程處理，進一步降低航標維護成本并提高管理效率。本文研發(fā)的智能航標監(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]。

參考文獻：

[1]錢徐濤.建設(shè)廣大中小航道航運建議速理清發(fā)展思路[J].中國水

運（下半月），2018，18（11）：3.

[2]竺國大.基于北斗的航海保障綜合助導(dǎo)航系統(tǒng)的研究[J].中國水運（下半月），2017，17（12）：94-95.

[3] 陸敏基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)與AIS的航標遙測遙控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2012.

[4] 宋庭新，王壘，朱清波.內(nèi)河航道智能航標系統(tǒng)研究與設(shè)計[J].中國水運（下半月），2018，18（11）：99-101

[5] 耿新元，李慶鵬，陳浩.基于WirelessUSB的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)硬件構(gòu)建[J].電子世界，2017（18）：137-139.

[6]秦晉豫用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的充電管理電路研究[D]成都：電子科技大學(xué)，2018.

[7] 錢泳村.航標遙測終端的設(shè)計與實現(xiàn)[D].大連：大連海事大學(xué)， 2011

[8] 張呈龍，莊浩然，張永安，等一種基于LoRa的多層分布式LP— WAN數(shù)據(jù)無線傳輸系統(tǒng)[J].電子世界，2018（ 14）：140-141.

[9]師亞祥糧倉檢測智能管理平臺的研發(fā)及其關(guān)鍵技術(shù)[D].合肥： 合肥工業(yè)大學(xué)，2018.

[10] 鐘朝亮.基于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)網(wǎng)的應(yīng)急通信系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].北 京：北京郵電大學(xué)，2009

[II] 楊歡支持動態(tài)更新的網(wǎng)格數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)研究[D].上海：上海交通大學(xué).2008.

[12]張玲基于EJB及SPRING技術(shù)的B2B電子商務(wù)平臺的設(shè)計與實現(xiàn)[D].沈陽：東北大學(xué)，2012.

[13]郭標，張林靜，胡強.JavaWeb數(shù)據(jù)傳遞與存儲過程在實驗實訓(xùn)平臺中的應(yīng)用分析[J]巢湖學(xué)院學(xué)報，2017，19（6）：22-26.

[14]魏春梅，胡錦帆，唐晟林.基于移動物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的物流追蹤與監(jiān)管系統(tǒng)[J].物流技術(shù)，2015，34（11）：267-269.

[15] 劉建華.都江堰災(zāi)后基礎(chǔ)設(shè)施重建項目管理平臺的設(shè)計與實現(xiàn)[D].成都：電子科技大學(xué)，2013.

[16] 高天斌，盧長偉內(nèi)河航道管理中數(shù)字航道技術(shù)的應(yīng)用分析[J].技術(shù)與市場，2017，24（2）：18-19

[17]楊興輝，敖自棟.航標監(jiān)控及高精度定位技術(shù)研究[J].珠江水運，2017（22）：85-86.

[18] 申麗萍淺談京滬高速公路濟萊段機電系統(tǒng)備品備件管理[J].中 國交通信息化，2016（S1）：48-49.

[19] 楊昊，敖自棟.新形勢下航標維護管理模式及其發(fā)展趨勢探討[J].珠江水運，2019（1）：100-101

[20]李冰，于騫探討數(shù)字技術(shù)對于航標管理的價值[J]珠江水運，2017（17）：63-64.

[21]翟悅彤.AIS航標業(yè)務(wù)檢測平臺研究[D].大連：大連海事大學(xué)，2017.

[22] 姜育松船閘平面閥門動水啟閉水柱壓力計算探討[J]中國水運（下半月），2018，18（11）：97-98，1叭

（責(zé)任編輯：孫娟）

收稿日期：2019-06-13

基金項目：湖北省交通運輸廳科技項目（2017-538-4-5）

作者簡介：蔡夢揚（1994-），男，湖北工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院碩士研究生，研究方向為制造業(yè)信息化;宋庭新（1972-），男，湖北工業(yè)大學(xué)

機械工程學(xué)院教授，研究方向為制造過程信息化與自動化。本文通訊作者：蔡夢揚。